• (转载)杨氏矩阵与勾长公式


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    杨氏矩阵详解:ORZ

    杨氏矩阵又叫杨氏图表,它是这样一个矩阵,满足条件:

     

    (1)如果格子(i,j)没有元素,则它右边和上边的相邻格子也一定没有元素。

    (2)如果格子(i,j)有元素a[i][j],则它右边和上边的相邻格子要么没有元素,要么有元素且比a[i][j]大。

     

    1 ~ n所组成杨氏矩阵的个数可以通过下面的递推式得到:

     

     

    如图就是n=3时的杨氏矩阵。

     

     

     

     

    下面介绍一个公式,那就是著名的钩子公式。

     

    对于给定形状,不同的杨氏矩阵的个数为:n!除以每个格子的钩子长度加1的积。其中钩子长度定义为该格子

    右边的格子数和它上边的格子数之和。

     

    题目:http://poj.org/problem?id=1825

     

     

    介绍完了钩子公式,那么我们可以来做一道基础题了。

     

    题目:给四行,第一行放5个数字,第二行放三个数字,第三行放3个数字,第四行放1个数字,都是左对齐的排列,

         现有1~12共12个数字,要求放到这四行中,从上到下,从左到右都是按小到大排列,问你共有几种排法?


    () () () () ()

    () () ()

    () () ()

    ()

     

    这个问题直接利用钩子公式解决即可。

     

     

    杨氏矩阵既可以用来当堆,又可以当成平衡树。通常杨氏矩阵会涉及到两个问题:

     

    (1)在杨氏矩阵中查找值为x的元素      (2)在杨氏矩阵中找第K大的元素

     

    对于第一个问题,其实有两种方法,第一种方法就是二分查找法,这种方法的时间效率不是很好。第二种方法就是类

    堆查找法。方法是这样的:从矩阵的右上角出发,对于元素a[i][j],如果a[i][j]==x,则找到元素x,直接返

    回; 如果a[i][j]> x,则向下移动,即继续比较a[i+1][j]与x;如果a[i][j] < x,则向左移动,即继续比

    较a[i][j-1]与x。该算法的时间复杂度是O(m+n)。

     1 bool Find(int a[][N],int n,int m,int x)
     2 {
     3     assert(a != NULL && n > 0 && m > 0);
     4     int row = 0;
     5     int col = m - 1;
     6     while(row <= n - 1 && col >= 0)
     7     {
     8         if(a[row][col] == x) return true;
     9         else if(a[row][col] > x) col--;
    10         else row++;
    11     }
    12     return false;
    13 }

    对于第二个问题,首先,二分枚举找到一个数x,它比杨氏矩阵中k个数大;然后,利用类堆查找法找到刚好小于x的

    元素。该算法的时间复杂度为O((m+n)log(mn)),但不需要额外存储空间。

     1     int get_order(int a[][N],int n,int m,int k)  
     2     {  
     3         int row = 0;  
     4         int col = m - 1;  
     5         int order = 0;  
     6         while(row <= n - 1 && col >= 0)  
     7         {  
     8             if(a[row][col] < k)  
     9             {  
    10                 order += col + 1;  
    11                 row++;  
    12             }  
    13             else col--;  
    14         }  
    15         return order;  
    16     }  
    17       
    18     int Find_Kth_Num(int a[][N],int n,int m,int k)  
    19     {  
    20         int low = a[0][0];  
    21         int high = a[n-1][m-1];  
    22         int order = 0;  
    23         int mid = 0;  
    24         do  
    25         {  
    26             mid = (low + high) >> 1;  
    27             order = get_order(a,n,m,mid);  
    28             if(order == k) break;  
    29             else if(order > k) high = mid - 1;  
    30             else low = mid + 1;  
    31         }while(1);  
    32         int row = 0;  
    33         int col = m - 1;  
    34         int ret = mid;  
    35         while(row <= n - 1 && col >= 0)  
    36         {  
    37             if(a[row][col] < mid)  
    38             {  
    39                 ret = max(ret,a[row][col]);  
    40                 row++;  
    41             }  
    42             else col--;  
    43         }  
    44         return ret;  
    45     }  

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    首先,我们来看一个最简单的问题:

    我在学校门口卖奶茶,奶茶一元一杯。今天下午开门的时候,我发现找零的钱忘带了。

    这时候来了 2n 个人,其中 n 个人身上只有一张一元钱,另外 n 个人身上只有一张两元钱。我就让他们排成一队,然后用这 n 个人的一元钱来找给付两元的人。当然,排队的时候得保证每次来一个付两元的人的时候都有的找。

    假设所有拿一元的人和拿两元的人都没有分别,我现在想知道,他们有多少种排队方式?

    这个问题的答案大家都知道,是 Cat[n],即第 n 个卡特兰数(Catalan number)。不过我现在的问题是如下的升级问题。

    升级1:条件同上,但这时候来的人数为 3n ,其中 n 个人只有一张一元钱,n 个只有一张两元钱, n 个只有一张三元钱(假设题设的每种面值的钞票均存在)。我仍然让他们排成一队,只要有付两元的就用一元找,付三元的就用两元找。同样得保证每当需要找钱时有对应的钱可以找。求他们有多少种排队方式?

    以及最终问题

    升级2:条件同上,但这时候来的人数为 mn,其中拥有面值为一元至 m 元的人均有 n 个。每当支付 k (1<kleq m)元时用 k-1 面值的钞票去找零。求合法排队方式数。

     

    先看例题:【HihoCoder1480:矩阵填数 】

    题意:将N*M个整数填入N*M的矩阵中,要求当前位置的数小于左边和上面的数,求方案数。

    有【钩子公式】:

     对于给定形状,不同的杨氏矩阵的个数为:n!除以每个格子的钩子长度加1的积。 其中钩子长度定义为该格子 右边的 格子数和 它上边的格子数之和。

     则易得此题公式:

    ans=fac[n*m];
    for(int i=1;i<=n;i++) 
        for(int j=1;j<=m;j++){
           ans=ans*rev[i+j-1]%Mod;    
    }

     

    【关键】:这个矩阵填数和卖奶茶的关系:

    加入3*N个人买奶茶: N个一块钱的+N个两块钱+N个三块钱,给他们的排队队伍编号1,2,3 ...  3*N。然后把这3*N个人拿去填充矩阵。

    具体的,一块钱的在第一排,两块钱的在第二排,三块钱的在第三排。 那么他们必须满足:先来的在左边,小面额的在上边。

    即当前位置是数小于上面的和左边的。这样以来这个解就可以用钩子定理来求解了。

     

     

    此外:

    杨氏矩阵还有递推公式:f[n]=f[n-1]+(n-1)*f[n-2]。

    还可以用卡特兰数表示:第(n-1)*(m-1)+1个卡特兰数。

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