Правильная скобочная последовательность

Пра́вильная ско́бочная после́довательность (ПСП) — символьная последовательность, составленная в алфавите, состоящем из символов, сгруппированных в упорядоченные пары (типы скобок, графически обозначаемые "(" и «)», "[" и «]», «/*» и «*/» и т. п.), удовлетворяющая определённым правилам, обеспечивающим последовательную вложенность подпоследовательностей, обрамлённых открытой и закрытой скобкой одного типа.

Правильные скобочные последовательности образуют язык Дика и формально определяются следующим образом:

• пустая строка — правильная скобочная последовательность;
• правильная скобочная последовательность, взятая в скобки одного типа — правильная скобочная последовательность;
• правильная скобочная последовательность, к которой приписана слева или справа правильная скобочная последовательность — тоже правильная скобочная последовательность.

Число правильных скобочных последовательностей

Число правильных скобочных последовательностей из $2n$ скобок ($n$ открывающих и $n$ закрывающих) одного вида равно числу Каталана $C_n$, что можно вывести несколькими способами:

• Рекуррентное соотношение:

$C_0=1$ и $C_n=\sum _{i=0}^{n-1}{C}_i{C}_{n-1-i}$ для $n\ge 1.$

Это соотношение легко получить, заметив, что любая непустая правильная скобочная последовательность $\omega$ однозначно представима в форме $\omega =({\omega }_1){\omega }_2$, где ${\omega }_{1,2}$ — правильные скобочные последовательности.

• Выражение через биномиальные коэффициенты:

$C_n=\frac{1}{n+1}(\genfrac{}{}{0ex}{}{2n}{n})=\frac{(2n)!}{n!(n+1)!}=(\genfrac{}{}{0ex}{}{2n}{n})-(\genfrac{}{}{0ex}{}{2n}{n-1}).$

• Ещё одно рекуррентное соотношение:

$R(o,n)=\{\begin{array}{cc}1,& o=0\text{and}n=0;\\ 0,& n=0\text{or}o>n\text{or}o<0;\\ R(o+1,n-1)+R(o-1,n-1),& \text{otherwise}.\end{array}$

При этом $C_n=R(0,2n).$

Легко показать, что если в скобочной последовательности имеется $k$ типов скобок, то число возможных правильных скобочных последовательностей с $n$ открывающими скобками равно произведению $C_n$ на $k^n$. Действительно, для каждой открывающей скобки из $n$ существует $k$ различных вариантов её выбора. Выбор закрывающей скобки однозначно определён уже выбранной парной ей открывающей и не учитывается.

Генерация правильных скобочных последовательностей

Введём теперь лексикографический порядок на скобочных последовательностях. В первую очередь заметим, что открывающая скобка идёт раньше, чем закрывающая; так как скобочная последовательность, начинающаяся с закрывающей скобки, не является правильной. Теперь каждому из $k$ типов скобок присвоим свой лексикографический приоритет. Выбор этого приоритета не принципиален и ни на что не повлияет в ходе дальнейших рассуждений. Поэтому будем считать, что i^й тип скобок находится на i^й позиции в лексикографическом порядке. Очевидно, что первой последовательностью с $n$ открывающими скобками будет последовательность вида ${(}_1{(}_1...{(}_1{)}_1{)}_1...{)}_1$.

Пример рекурсивной реализации алгоритма генерации ПСП на PHP

<?php

function generateBracketsSequence(
    int $length,
    int $countOpenBrackets = 0,
    int $countCloseBrackets = 0,
    string $sequence = '',
): void {

    if (mb_strlen($sequence) < $length * 2) {

        if ($countOpenBrackets < $length) {
            generateBracketsSequence(
                $length,
                $countOpenBrackets + 1,
                $countCloseBrackets,
                $sequence . '(',
            );
        }

        if ($countCloseBrackets < $countOpenBrackets) {
            generateBracketsSequence(
                $length,
                $countOpenBrackets,
                $countCloseBrackets + 1, 
                $sequence . ')',
            );
        }

    } else {
        echo $sequence.' - '."\r\n";
    }

}

generateBracketsSequence(4);