想象一下,你面前是一个 n × n 的方格纸,就像一张棋盘一样。你要从最左下角的那个小方格出发,目标是到达最右上角的那个小方格。在前进的过程中,你只能沿着方格的边走,而且每条边你只能走一次。问问看,有多少种不同的方法能让你完成这场“格子寻宝”之旅呢?
这个问题,其实是在问一个经典组合数学中的概念,叫做“曼哈顿路径”(Manhattan Path)或者“网格路径”(Grid Path)。不过,你这里有个特别的要求:边不重复。这可就让问题变得有趣多了,因为标准的曼哈顿路径允许你往右走或往上走,并且可以重复经过某些点,但边不能重复走,这限制了我们的选择。
咱们先把问题稍微简化一下,看看这个“边不重复”到底意味着什么。在 n × n 的网格中,有多少条横着的边,多少条竖着的边?
横着的边: 每一行有 n 条横着的边(或者说连接两个相邻格子的横向线段)。一共有 n 行,所以横着的边总共有 n × n 条。
竖着的边: 每一列有 n 条竖着的边。一共有 n 列,所以竖着的边总共有 n × n 条。
总共的边: 网格里所有的边加起来,一共有 2n² 条。
我们从左下角走到右上角,这是一个非常明确的方向性。你不能往左走,也不能往下走,因为一旦你往左或往下走了,就很容易在之后为了到达右上角而重复走某些边,或者陷入死胡同。所以,我们只能向右(Right, R)或者向上(Up, U)移动。
现在来想想,从左下角到右上角,我们需要移动多少步?
假设左下角是 (0,0) 的位置,右上角是 (n1, n1) 的位置(这里我们把格子的顶点看作坐标)。
我们要从 x=0 走到 x=n1,这需要向右走 n1 步。
我们要从 y=0 走到 y=n1,这需要向上走 n1 步。
所以,总共需要走 (n1) + (n1) = 2(n1) 步。
在标准的曼哈顿路径问题里,你只需要从 (0,0) 走到 (n1, n1),只需要走 n1 步“向右”和 n1 步“向上”,总共 2(n1) 步。这些步数是有序的,比如 RURURU... 这样。那么有多少种组合呢?这就像是从 2(n1) 步里选出 n1 步是“向右”,剩下的就是“向上”了。这可以用组合数来表示:C(2(n1), n1)。
但是,你的问题是“边不重复”。 这点非常关键!
让我们换个角度思考这个问题。如果我们只允许向右(R)和向上(U)走,并且不能重复走边。
想象你刚开始在左下角的顶点。要到达右上角的顶点,你必须总共向右移动 n 个“单位距离”,向上移动 n 个“单位距离”。
在标准的网格路径中,我们是从格子到格子来考虑的,而边不重复则更像是从顶点到顶点。
如果从左下角的顶点 (0,0) 走到右上角的顶点 (n,n),这里的 n 表示网格的边数,那么需要走 n 步向右,n 步向上,总共 2n 步。这样的标准曼哈顿路径数量是 C(2n, n)。
但是,你的描述是“n x n 网格图”,并且是从“左下角走到右上角”。通常我们理解的左下角是指网格左下角的那个“格子”,右上角是指网格右上角的那个“格子”。
如果从左下角的格子出发,到右上角的格子,并且只能走格子之间的边,并且边不重复。
考虑一个 2x2 的网格。
左下角格子是 (0,0),右上角格子是 (1,1)。
我们从左下角的格子出发,先走到左下角的顶点(这是可以理解为开始的位置)。
网格顶点坐标为 (i, j),其中 0 ≤ i ≤ n, 0 ≤ j ≤ n。
左下角格子是 (0,0) 到 (1,1) 的区域。我们可以从顶点 (0,0) 开始。
右上角格子是 (n1, n1) 到 (n, n) 的区域。我们可以到顶点 (n,n) 结束。
所以问题可以转化为:从顶点 (0,0) 走到顶点 (n,n),每次只能向右或向上移动,并且不能重复走已经走过的边。
让我们来看几个小例子:
1x1 网格:
从左下角走到右上角。实际上只有一个格子。你需要从左下角的顶点走到右上角的顶点。
只有一种方式:直接走到右上角的顶点。 0 步向右,0 步向上。 如果我们理解是从 (0,0) 到 (1,1),那就是 R 和 U 各一步,总共 C(2,1) = 2 种。但你说的 n×n 网格,通常指的是 n×n 个格子。
对于 1x1 网格,从左下角格子到右上角格子,其实就是它本身。 如果我们理解是从格子中心的某点出发,或者从格子边界的某个点出发,到达另一个点。
如果从左下角的顶点 (0,0) 到右上角的顶点 (1,1)。
路径 1: (0,0) > (1,0) > (1,1) (R, U)
路径 2: (0,0) > (0,1) > (1,1) (U, R)
这两种路径,每条边都只走了一次。所以对于 1x1 网格,答案是 2。
2x2 网格:
从左下角的格子到右上角的格子。这意味着我们要从顶点 (0,0) 走到顶点 (2,2)。
我们需要向右走 2 步,向上走 2 步。总共 4 步。
标准的曼哈顿路径是 C(4,2) = 6 种。它们是:
1. RRUU: (0,0) > (1,0) > (2,0) > (2,1) > (2,2)
2. RURU: (0,0) > (1,0) > (1,1) > (2,1) > (2,2)
3. RUUR: (0,0) > (1,0) > (1,1) > (1,2) > (2,2)
4. URRU: (0,0) > (0,1) > (1,1) > (2,1) > (2,2)
5. URUR: (0,0) > (0,1) > (1,1) > (1,2) > (2,2)
6. UURR: (0,0) > (0,1) > (0,2) > (1,2) > (2,2)
现在我们检查这些路径是否重复走了边。
在标准的曼哈顿路径中,所有边都是不重复的。因为每一步都严格地增加了 x 或 y 的坐标,并且在到达终点之前,你不会“回头”或者“绕路”导致边被重复。
所以,如果“左下角”是指左下角的顶点,而“右上角”是指右上角的顶点,并且只能向右或向上移动,那么“边不重复”的要求实际上是自动满足的。
在这种情况下,从顶点 (0,0) 到顶点 (n,n) 的网格路径问题,并且只能向右或向上走,总共有 n 步向右和 n 步向上。总共 2n 步。从这 2n 步中选择 n 步是向右的,剩下的就是向上了。
所以路径的总数是:
C(2n, n) = (2n)! / (n! n!)
这里的 C(2n, n) 也被称为“中心二项式系数”。
举例说明:
n=1 (1x1 网格):
从顶点 (0,0) 到顶点 (1,1)。需要 1 步向右,1 步向上。总共 2 步。
路径数 = C(21, 1) = C(2,1) = 2! / (1! 1!) = 2。
路径是 RU 和 UR。
n=2 (2x2 网格):
从顶点 (0,0) 到顶点 (2,2)。需要 2 步向右,2 步向上。总共 4 步。
路径数 = C(22, 2) = C(4,2) = 4! / (2! 2!) = (4 3 2 1) / ((2 1) (2 1)) = 24 / 4 = 6。
我们上面列出的 6 条路径都是符合要求的。
那么,为什么说“边不重复”这个条件在只允许向右和向上走的情况下是自动满足的呢?
让我们想象一下走过的路。每当你从一个顶点 (x,y) 走到下一个顶点,你只能选择走到 (x+1, y)(向右)或者走到 (x, y+1)(向上)。
这意味着,你每走一步,你的 x 坐标或者 y 坐标都会严格地增加。
在一个从 (0,0) 到 (n,n) 的路径中,你总共走了 n 步向右和 n 步向上。
假设你走了某条边,比如从 (x,y) 到 (x+1, y)。如果你想再次走这条边,你必须能从某个地方回到 (x,y),并且能够再次走到 (x+1, y)。
但是,如果你只能向右或向上走,你的坐标只会不断增加。你永远无法回到之前的某个点,更不用说回到一个点然后重新走同一条边了。
每一条从 (x,y) 到 (x+1, y) 的边,只会在你的 x 坐标从 x 增加到 x+1 的时候被经过一次。
每一条从 (x,y) 到 (x, y+1) 的边,只会在你的 y 坐标从 y 增加到 y+1 的时候被经过一次。
所以,在这个限制下,边自然就不会重复了。
所以,如果你理解的“左下角”是网格左下角的顶点,而“右上角”是网格右上角的顶点,并且只能向右或向上移动,那么答案就是 C(2n, n)。
一些额外的考虑和可能的误解:
“n x n 网格图”是指格子还是顶点?
通常,“n x n 网格图”是指有 n 行 n 列的格子。这意味着图有 (n+1) × (n+1) 个顶点。如果从左下角的格子走到右上角的格子,就像是从顶点 (0,0) 到顶点 (n,n) 的范围。
如果题目描述的是从格子的中心出发到另一个格子的中心,并且走的是格子之间的边界(也就是边),并且边不重复,那情况会更复杂一些,可能需要考虑路径覆盖问题,但通常情况下,这类网格路径问题都会被简化为顶点之间的移动。
是否可以向左或向下走?
如果允许向左或向下走,但要求边不重复,这个问题就变得非常困难,它会变成一个图论中的“哈密顿路径”或者“欧拉路径”的变种,计算量会非常大,而且没有简单的闭合公式。但通常情况下,这种网格路径问题都隐含了只能向着目标方向移动(即向右和向上)。
“边不重复”的强调:
在许多基础的网格路径问题中,“边不重复”可能是一个默认的条件,或者说题目就是设计成这样简单化的。如果你遇到的是更复杂的网格寻路问题,例如允许复杂移动或有障碍物,那么“边不重复”才是一个需要特别关注的约束。
总结一下:
对于一个 n × n 的网格图,从左下角的顶点 (0,0) 走到右上角的顶点 (n,n),并且每次只能向右(R)或向上(U)移动,且边不重复,这样的路径数量是:
C(2n, n) = (2n)! / (n! n!)
这个公式是基于标准的网格路径计数,而在这个特定限制(只能向右或向上)下,“边不重复”的要求被自然地满足了。
希望我解释得足够详细!这就像在规划你的最佳路线,每一步都算数,并且不能走回头路。