96. Unique Binary Search Trees

Problem

Given an integer n, return the number of structurally unique BST’s (binary search trees) which has exactly n nodes of unique values from 1 to n.

https://leetcode.com/problems/unique-binary-search-trees/

Example 1:

Input: n = 3
Output: 5

Example 2:

Input: n = 1
Output: 1

Constraints:

1 <= n <= 19

Test Cases

python
class Solution:
    def numTrees(self, n: int) -> int:

solution_test.py下载完整源码
py
import pytest

from solution import Solution
from solution2 import Solution as Solution2


@pytest.mark.parametrize('n, expected', [
    (3, 5),
    (1, 1),

    (5, 42),
    (19, 1767263190),
])
@pytest.mark.parametrize('sol', [Solution(), Solution2()])
def test_solution(sol, n, expected):
    assert sol.numTrees(n) == expected

Thoughts

定义 f(i) 表示 1 到 i 所能组成的二叉搜索树的个数。初值 f(0) = 1，题目所求结果为 f(n)。

1 到 i 的每个数字都可以作为根节点。假设以 k 作为根节点，那么左边有 k - 1 个节点，共有 f(k - 1) 种 BSTs；右边有 i - k 个节点，共有 f(i - k) 中 BSTs；所以以 k 为根节点的 BST 共有 f(k - 1) * f(i - k) 个。

所以：

f(i)=\sum_{k=1}^i\{f(k-1)\times f(i-k)\}

时间复杂度 O(n²)，空间复杂度 O(n)。

Code

solution.py下载完整源码
py
class Solution:
    def numTrees(self, n: int) -> int:
        dp = [1] * (n + 1)
        for i in range(2, n + 1):
            m = i >> 1
            cnt = 0
            for a in range(m):
                cnt += dp[a] * dp[i - 1 - a]
            cnt <<= 1
            if i & 1:
                cnt += dp[m] * dp[m]
            dp[i] = cnt

        return dp[n]

Math

卡塔兰数（Catalan number）的数学定义是：

\begin{cases} C_0=1 \\ C_n=\sum_{i=1}^n{C_{i-1}C_{n-i}} & \text{for }n>0 \end{cases}

显然上边定义的 f(n) 就是卡塔兰数（f(n) = Cₙ），可以用数学方法直接计算。

f(n)=C_n=\frac{1}{n+1}\binom{2n}{n}=\frac{(2n)!}{(n+1)!n!}

本题的 n 不是很大，可以直接用 Python 内置的阶乘函数（math.factorial）计算，时间复杂度 O(n)，空间复杂度 O(1)。如果 n 比较大，也可以参考 62. Unique Paths 中的方法计算 $\binom{2n}{n}$ 。

solution2.py下载完整源码
py
from math import factorial


class Solution:
    def numTrees(self, n: int) -> int:
        tmp = factorial(n)
        return factorial(n << 1) // tmp // tmp // (n + 1)

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