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费氏数列

王朝百科·作者佚名  2010-09-03
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简介费氏数列是是由一连串的数字所组成的(假设为a 1 、a 2 、a 3 ……a n-1 、a

费氏数列

n ),而且这串数字之间具有一定的规则,就是:每一个数字必须是前两个数字的和( a n = a n-1 + a n-2 )。 每一个数字必须是前两个数字的和( a n = a n-1 + a n-2 )。

后人也发现费氏数列有一些耐人寻味的有趣性质,当费氏数列一直算到很大或无限大的时候( 也就是n值无限大时),后项除以前项的极限是黄金分割的值;而数学家也发现在大自然中,可以费氏数列来描述某些植物的生长规则,例如雏菊的花瓣的生长数目。后人也发现费氏数列有一些耐人寻味的有趣性质,例如:当费氏数列一直算到很大或无限大的时候(也就是n值无限大时),后项除以前项的极限是黄金分割的值;而数学家也发现在大自然中,可以费氏数列来描述某些植物的生长规则,例如雏菊的花瓣的生长数目。

性质性质一:

费氏数列的通项费氏数列的通项

费氏数列

性质二:

a n =a nm x a m+1 + a nm-1 x a m a n =a nm xa m+1 + a nm-1 xa m

性质三:

a n和a n-1互质 a n和a n-1互质

性质四:

若 m|n 则a m |a n若m|n则a m |a n

性质五:

若 m和n互质 则a m和a n互质若m和n互质则a m和a n互质

性质六:

当m,n有最大公因数k时, a m ,a n有最大公因数a k当m,n有最大公因数k时, a m ,a n有最大公因数a k

应用一位魔术师拿着一块边长为8英尺的正方形地毯,对他的地毯匠朋

费氏数列

友说:“请您把这块地毯分成四小块,再把它们缝成一块长13英尺、宽5英尺的长方形地毯。”这位匠师对魔术师算术之差深感惊异,因为8英尺的正方形地毯面积是64平方英尺,如何能够拼出65平方英尺的地毯?两者之间面积相差达一平方英尺呢!可是魔术师做到了。他让匠师用图2和图3的办法达到了他的目的!

真是不可思议!那神奇的1平方英尺究竟从哪里跑出来的呢?这就是费氏数列(也称作斐波那契数列)的奥妙所在。

斐波那契数列用文字来说就是,斐波那契数列由0和1开始,之后的斐波那契数(费氏数)就由之前的两数相加。头几个斐波那契数是(OEIS A000045):

0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987, 1597, 2584, 4181, 6765, 10946,………………

特别指出:0不是第一项,而是第零项。这个数列从第三项开始,每一项都等于前两项之和。它的通项公式为:(1/√5)*{[(1+√5)/2]^n - [(1-√5)/2]^n}(又叫“比内公式”,是用无理数表示有理数的一个范例。)“√5表示根号5

费氏数列

很有趣的是:这样一个完全是自然数的数列,通项公式居然是用无理数来表达的。随着数列项数的增加,前一项与后一项之比越逼近黄金分割0.6180339887……

让我们再回到上文魔术师拼地毯的游戏:为什么64=65?其实这是利用了斐波那契数列的这个性质:5、8、13正是数列中相邻的三项,事实上前后两块的面积确实差1,只不过后面那个图中有一条细长的狭缝,一般人不容易注意到!

1150年印度数学家戈帕拉(Gopala)和金月在研究箱子包装物件长宽刚好为1和2的可行方法数目时,首先描述了这个数列。在西方,最先研究这个数列的人是意大利比萨的列奥纳多·斐波那契,他描述兔子生长的数目时用上了这个数列。

第一个月有一对刚诞生的兔子

第两个月之后它们可以生育

每月每对可生育的兔子会诞生下一对新兔子

兔子永不死去

假设在n月有新生及可生育的兔子总共a对,n+1月就总共有b对。在n+2月必定总共有a+b对:因为在n+2月的时候,所有在n月就已存在的a对兔子皆已可以生育并诞下a对后代;同时在前一月(n+1月)之b对兔子中,在当月属于新诞生的兔子尚不能生育。

斐波那契数列又因数学家列昂纳多·斐波那契以兔子繁殖为例子而引入,故又称为“兔子数列”。

需要一段“休息”时间,供自身生长,而后才能萌发新枝。所以,一株树苗在一段间隔,例如一年,以后长出一条新枝;第二年新枝“休息”,老枝依旧萌发;此后,老枝与“休息”过一年的枝同时萌发,当年生的新枝则次年“休息”。这样,一株树木各个年份的枝桠数,便构成斐波那契数列。这个规律,就是生物学上著名的“鲁德维格定律”。

费氏数列

另外,观察延龄草,野玫瑰,南美血根草,大波斯菊,金凤花,耧斗菜,百合花,蝴蝶花的花瓣,可以发现它们花瓣数目具有斐波那契数:3,5,8,13,21……

自然界中到处可见费氏数列的踪迹。树技上的分枝数,多数花的瓣数都是费氏数:火鹤 1、百合 3,梅花 5,桔梗常为 8,金盏花 13,…等等。费氏数列也出现在松果上。一片片的鳞片在整粒松果上顺着两组螺线排列:一组呈顺时针旋转,另一组呈反时针。仔细瞧瞧,顺时针螺线的排列数目是 8,反时针方向则为 13,而另一组常出现的数字是“5和8”。

向日葵也是一样,常见的螺线数目为“34和55”,较大的向日葵的螺线数目则为“89和144”,更大的甚至还有“144和233”。这些全都是费氏数列中相邻两项的数值。

植物是以种子和嫩芽开始生长;种子发芽后,很多细根会长出来,并且向地底下生长,而嫩芽则是迎向阳光。

如果用显微镜观察新芽的顶端,可以看到所有植物的主要征貌的生长过程——包括叶子、花瓣、萼片、小花(floret)等等。在顶端的中央,有一个圆形的组织称为“顶尖”(apex);而在顶尖的周围,则有微小隆起物一个接一个的形成,这些隆起则称为“原基”(primordium)。

生长时,每一个原基自顶尖移开(顶尖从隆起处向外生长,新的原基则在原地);最后,这些隆起原基会长成叶子、花瓣、萼片等等。每个原基都希望生成的花、蕊、或叶片等等,之后能够获得最大的生长空间。例如叶片希望得到充足的阳光,根部则希望得到充足的水份,花瓣或花蕊则希望充份地自我展现好吸引昆虫来传粉。因此,原基与原基隔得相当开,由于较早产生的原基移开的较远,所以你可以从它与顶尖之间的距离,来推断出现的先后次序。另人惊奇的是,我们若依照原基的生成时间顺序描出原基的位置,便可画出一条卷绕得非常紧的螺线——称为“生成螺线”(generative spiral)。

前面提到的左右旋螺线,虽然能够明显到让人一眼看出(植物学家称之为“斜列线”,但那并不是植物的原基生长模式的实际表征;就某种程度而言,这些螺线只是视学上的错觉。人的眼睛之所以能分辨出斜列线,是因为斜列线是由相邻的原基所形成。

晶体学先驱布拉菲兄弟(Auguste and Louise Bravais)发现原基沿生成螺线交错排列的数学规则。他们量测相邻两原基之间的角度,发现量得的各个角度非常相近;这些角的共同值就称为“发散角”。

想象从原基的中心各画一条直线连到顶尖的中心,然后测量这两条线的夹角。他们发现发散角往往非常接近 137.5 度(或 222.5 度,如果从另一边量起),也就是 ――“黄金角”。如果我们将一个圆分成两个弧,而两个弧的长度比为黄金比例,小弧的圆心角也就是黄金角。

 
 
 
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