Satz - Rekursive Formel der Catalan-Zahlen

Für die Anzahl Bn der Binärbäume mit n Knoten gilt:

B0=1

und für n>0

Bn=∑k=1nBk−1Bn−k.

Beweis

Beweis per Induktion über n.

Induktionsanfang

n=0.

Es gibt genau einen Binärbaum mit 0 Knoten.

Induktionsvoraussetzung

Wir nehmen an, dass die Aussage für alle j<n schon bewiesen ist.

Induktionsschritt

Ein Binärbaum mit n Knoten besteht aus:

Dabei gilt:

ℓ+1+r=n

also

r=n−(ℓ+1).

Weiterhin gilt:

0≤ℓ≤n−1.

Nach Induktionsvoraussetzung gibt es:

Also gilt:

Bn=∑ℓ=0n−1Bℓ⋅Bn−(ℓ+1).

Mit der Substitution

k:=ℓ+1

erhalten wir:

Bn=∑k=1nBk−1Bn−k.