$$\newcommand{\mtn}{\mathbb{N}}\newcommand{\mtns}{\mathbb{N}^*}\newcommand{\mtz}{\mathbb{Z}}\newcommand{\mtr}{\mathbb{R}}\newcommand{\mtk}{\mathbb{K}}\newcommand{\mtq}{\mathbb{Q}}\newcommand{\mtc}{\mathbb{C}}\newcommand{\mch}{\mathcal{H}}\newcommand{\mcp}{\mathcal{P}}\newcommand{\mcb}{\mathcal{B}}\newcommand{\mcl}{\mathcal{L}} \newcommand{\mcm}{\mathcal{M}}\newcommand{\mcc}{\mathcal{C}} \newcommand{\mcmn}{\mathcal{M}}\newcommand{\mcmnr}{\mathcal{M}_n(\mtr)} \newcommand{\mcmnk}{\mathcal{M}_n(\mtk)}\newcommand{\mcsn}{\mathcal{S}_n} \newcommand{\mcs}{\mathcal{S}}\newcommand{\mcd}{\mathcal{D}} \newcommand{\mcsns}{\mathcal{S}_n^{++}}\newcommand{\glnk}{GL_n(\mtk)} \newcommand{\mnr}{\mathcal{M}_n(\mtr)}\DeclareMathOperator{\ch}{ch} \DeclareMathOperator{\sh}{sh}\DeclareMathOperator{\th}{th} \DeclareMathOperator{\vect}{vect}\DeclareMathOperator{\card}{card} \DeclareMathOperator{\comat}{comat}\DeclareMathOperator{\imv}{Im} \DeclareMathOperator{\rang}{rg}\DeclareMathOperator{\Fr}{Fr} \DeclareMathOperator{\diam}{diam}\DeclareMathOperator{\supp}{supp} \newcommand{\veps}{\varepsilon}\newcommand{\mcu}{\mathcal{U}} \newcommand{\mcun}{\mcu_n}\newcommand{\dis}{\displaystyle} \newcommand{\croouv}{[\![}\newcommand{\crofer}{]\!]} \newcommand{\rab}{\mathcal{R}(a,b)}\newcommand{\pss}[2]{\langle #1,#2\rangle} $$
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Nombres de Catalan

Considérons une expression de la forme $a_1 T a_2 T \cdots T a_n$, où $T$ désigne un des signes $+$ ou $-$. On souhaite placer des parenthèses dans cette expression de sorte qu'il n'y ait aucune ambigüité dans l'ordre à adopter pour effectuer les opérations, et éviter les problèmes du type $1-3+7$, qui peut être compris $1-(3+7)$ ou $(1-3)+7$, ce qui ne donne pas le même résultat! Il s'agit donc de placer des parenthèses autour des termes de sorte que :

  • on n'ait jamais plus de deux termes non parenthésés (pas de choix à faire!).
  • on ne mette jamais des parenthèses autour d'un seul terme (pas de parenthèses inutiles!).

Le nombre de façons de bien parenthéser cette expression s'appelle nombre de Catalan d'ordre $n$, et nous le noterons $C_n$. Calculons ce nombre pour les premières valeurs de $n$ :

  • pour $n=1$, une seule façon : $a$.
  • pour $n=2$, une seule façon : $aTb$.
  • pour $n=3$, 2 façons : $(aTb)Tc$ ou $aT(bTc)$.
  • pour $n=4$, 5 façons : $(aTb)T(bTc)$, $aT( (bTc)Td )$, $aT(bT(CTd))$, $((aTb)Tc)Td$, $(aT(bTc))Td$.

Il est facile d'obtenir une relation de récurrence pour calculer les nombres de Catalan. Si l'on souhaite obtenir un parenthésage de $(n+1)$ termes, on regarde l'opération la plus externe : $b_1T b_2$, où $b_1$ et $b_2$ sont eux-mêmes le résultat obtenu après parenthésage de $p$ termes pour $b_1$, et de $n+1-p$ termes pour $b_2$. Comme $p$ peut être quelconque entre $1$ et $n,$ on obtient la relation de récurrence $$C_{n+1}=\sum_{p=1}^n C_p C_{n+p-1}.$$ On peut alors déterminer une formule pour $C_n$ grâce à la théorie des séries entières (ou celle des séries génératrices). On trouve $$C_n=\frac{\binom{2n-2}{n-1}}{n}.$$

Les nombres de Catalan interviennent dans de nombreux problèmes de combinatoire. Par exemple, Euler les avait introduits pour calculer le nombre de façons qu'il y a de partager un polygone convexe à $n$ côtés à l'aide de ses diagonales sans que celles-ci ne se coupent.

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