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2005-1-19

斐波那契数列趣谈

归档于: 基础科学, 数理科学 @ 4:28 pm

一般认为斐波那契数列的提出是基于兔子的繁殖问题:如果一开始有一对兔子,它们每月生育一对兔子,小兔在出生后一个月又开始生育且繁殖情况与最初的那对兔子一样,那么一年后有多少对兔子?

答案是,每月兔子的总数可以用以下数列表示:1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144,233…。这一数列是意大利数论家列奥纳多·斐波那契(Leonardo Fibonacci)在他13世纪初的著作Liber Abaci中最早提出的。如果取数列前两个元素为1,那么递推关系就是:

Fibonacci numbers

当然,曾经有一度数学家们将0作为斐波那契数列的首项(或第0项)。

这一数列看起来相当简单,但却隐藏着一些有趣的东西。

 

关于数列元素

关于斐波那契数列的元素,人们发现了不少有意思的事情。

质数与合数:斐波那契数列的质数元素也是该数列的质数项,唯一的例外是第4项元素3。但这个规律反过来不成立,数列的质数项元素的也可能是合数。这一“规律”可以为人们提供搜索大质数的线索。但在相当大的元素以后是不是仍有这个规律呢?目前没有人知道。

如果把用二进制表示的斐波那契数列前511个元素绘制出来,是这个样子的(Pegg 2003,摘自Wolfram Research):

Fibonacci_511

是不是有点分形的味道?

第10n项:分别是2,21,209,2090,20899,208988,2089877,20898764…。(Sloane’s A068070)也就是说,这一数字不断接近208987640249978733769…的前几项。而208987640249978733769…和这样一个数有关:

208987640249978733769...

Binet公式:这个公式不是轨道力学里的那个常用的同名公式,而是给出斐波那契数列第n项的另一个公式,是Jacques Philippe Marie Binet在1843年发现的:

Binet's equation

看到了什么?是不是括号中的两个数似乎和黄金分割有关?

 

斐波那契数列与黄金分割

苏格兰人Robert Simson证明了,当项数趋于无穷时,斐波那契数列的后项与前项之比趋近黄金分割,也就是1.61803398875…。这也许说明了斐波那契数列与黄金分割有天然的联系。

如斐波那契螺旋就是最直接的例子。如果顺逆时针螺旋的数目是斐波那契数列中相邻的2项,可称其为斐波那契螺旋,也被称作黄金螺旋。这样的螺旋能最佳利用圆周,疏密最为均匀。它的构造方法也不难,只需先用同样是与斐波那契数列有关的数构造黄金矩型(长宽之比为黄金分割),再在每个矩形中各描绘出一条1/4圆弧,让各段弧彼此连接。这样的黄金矩形也往往能一些艺术名作中找到,如达·芬奇著名的作品《蒙娜·丽莎》。

Fibonacci spirals

计算机绘制的斐波那契螺旋。

golden rectangle

斐波那契螺旋与黄金矩型。

 

自然界中的斐波那契数列

最典型的例子就是以斐波那契螺旋方式排列的花序或树叶。蓟、菊花、向日葵、松果、菠萝……都是按这种方式生长的。如此的原因很简单:这样的布局能使植物的生长疏密得当、最充分地利用阳光和空气,所以很多植物都在亿万年的进化过程中演变成了如今的模样。当然受气候或病虫害的影响,真实的植物往往没有完美的斐波那契螺旋。

Fibonacci_tree

每层树枝的数目也往往构成斐波那契数列。

曾在网上看到下面这样一组图,说的是花瓣数符合斐波那契数列各元素的各种植物,也许仅仅是巧合?

Fibonacci_flowers

另外,晶体的结构也往往与斐波那契数列有关。


BTW,数学软件Mathematica就自带有名为Fibonacci的工具包,不妨玩一玩。

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