神奇的斐波那契数列
如果我们把一些数字排成一排,就构成了一个数列。这些数字之间可能是有规律的,也可能是没有规律的,可能是有限个数字构成,也可能是无限多个数字构成。
比如,5….就构成了一个数列,后一个数与前一个数的差是不变的,这种数列称为等差数列。
再比如16…也构成了一个数列。后一项和前一项的比例是不变的,称为等比数列。
在自然界中,有一个最为神奇、几百年来一直被人们热议的数列,那就是“兔子数列”,也叫做斐波那契数列。
一. 阿拉伯数字
在十二世纪之前的欧洲,由于宗教原因,科学和数学的发展非常缓慢。欧洲人还习惯于使用罗马数字计数。罗马数字一共有7个数字,分别是:Ⅰ(1)、Ⅴ(5)、Ⅹ(10)、Ⅼ(50)、Ⅽ(100)、Ⅾ(500)和Ⅿ(1000)。
它的计数规则也比较复杂,比如:把两个数字并排,如果右边的数字比左边的数字小,则表示两个数字相加;如果右边的数字比左边的数字大,表示两个数字想减。此外还有许多复杂的规矩,使用起来非常不方便。
罗马数字
十二世纪时,欧洲数学才有了复苏的迹象。这是因为与阿拉伯国家的贸易和十字军东征等原因,欧洲同阿拉伯世界发生了联系,而此时的阿拉伯正在使用1234567890这样的符号表示数字,十分方便。由于这种数字是从阿拉伯国家学习到的,所以称为阿拉伯数字。
但是实际上,在公元前三世纪,印度人就已经在使用类似的方法表示数字了,阿拉伯数字是印度人发明的。在公元7世纪时,这种数字传入阿拉伯,后来又通过欧洲传播到全世界。
二. 斐波那契数列
斐波那契(也叫做比萨的列奥纳多)是一个意大利数学家,年少时随着父亲在北非做生意,学习了阿拉伯数字。
1200年,斐波那契回到了意大利,1202年写成了著作《计算之术》,这本书对欧洲的数学界产生了很大的影响。
斐波那契
在这本书中,斐波那契提出了一个有趣的问题:
假如有一对刚出生的小兔子,只需要一个月小兔子就能长成大兔子,从第三个月开始,这对大兔子每个月都会生下一对小兔子。新出生的小兔子又会花一个月长大,再花一个月开始生兔子… 如果每对兔子都经历这样的出生、成熟、生育的过程,并且永远不死,那么每个月兔子的总数是多少呢?
我们不妨先用树状图来研究这个问题。
兔子的数量变化
第一个月只有1对兔宝宝。
第二个月只有1对大兔子。
第三个月大兔子生了一对兔宝宝,一大一小2对兔子。
第四个月大兔子继续生一对兔宝宝,小兔子变成大兔子。两大一小3对兔子。
….
于是,每个月的大兔子、小兔子和总共的兔子个数就构成了三个数列,我们把这个数列列表出来
每个月兔子的数量
我们发现会发现:无论是小兔子对数、大兔子对数还是总对数,除了最初几个数字不一样之外,后面都是按照13…变化的,这个数列就称为兔子数列。由于它是斐波那契最早提出的,所以也叫做斐波那契数列。
斐波那契数列
兔子数列最大的特点是:前两项之和等于后一项,比如1+1=1+2=2+3=3+5=5+8=13…
斐波那契数列特点
我们用an表示一个数列的第n项,那么斐波那契数列的规律“第一项和第二项是1,前两项之和等于后一项”就可以表示成:
这样的数学表达式称为递推式,从递推式的前面一项或者几项,就可以计算出后面所有的数字啦。
三. 兔子数列有什么用?
可能许多读者觉得,斐波那契数列不过是浩如烟海的数学海洋中的一滴水而已。可是,从这个数列被提出的那一天起,到现在有800年了,人们对它的兴趣一直有增无减,在许许多多的领域都发现了它的影子。
在数学上有许多求“方法数”的问题,答案经常是斐波那契数列。
比如这样一个问题:我们要走上一个N级台阶的楼梯,每次只能走小步(1格)或者走大步(2格),那么走上楼梯一共有多少种不同的走法呢?
走楼梯
我们从最简单的情况开始分析:
如果只有一级台阶,只能一步跨上去,显然只有1种走法。
如果有两级台阶,可以一步跨上去, 也可以分成两步来走,因此有2种走法。
如果有三级台阶,就有如图所示的3种走法:分成三小步、一小步一大步、和一大步一小步。
如果有更多台阶怎么办呢?这就需要递推式了。由于一步最多走连两个台阶,因此要到达第N级台阶,有两种方案:
1. 走到第N-1级台阶上,然后走一小步跨到最上方;
2. 走到第N-2级台阶上,然后走一大步跨到最上方。
我们用aN-1和aN-2分别表示走到第N-1级和第N-2级台阶的方法数,那么走到第N级台阶的方法数就是:
显然,这就是斐波那契数列的递推公式,因此走台阶问题的解刚好是斐波那契数列。
生活中最典型的斐波那契数列应用是在植物学中。
树枝中的斐波那契数列
大树在生长的过程中会长出分枝,如果我们从下到上数分枝个数,就会发现依次是13…等等,刚好是斐波那契数列。有科学家对这种现象的解释是与兔子繁殖后代相同:每过一段时间老树枝都会萌发新芽,而新芽成长为成熟的树枝后也会每隔一段时间萌发一次新芽。
另一个神奇的例子就是向日葵等植物。
向日葵中的斐波那契数列
如果我们仔细观察,就会发现向日葵盘内的种子形成两组螺旋线,一组是顺时针的,另一组是逆时针的。而这两组螺旋线的条数刚好是两个相邻的斐波那契数,小向日葵是34和55,大向日葵是144和233。松果种子、菜花表面也有类似的规律。
松果中的斐波那契数列
有科学家认为:这种排列可以使得种子的堆积最密集,最有利于植物繁衍后代。
八百年来,人们在各个领域都发现了斐波那契数列。尤其是十九世纪开始,人们发现了斐波那契数列在计算机、物理、化学等领域的应用,这个古老的数列焕发了新的青春。1963年,斐波那契协会成立,并出版了《斐波那契季刊》用以刊登与斐波那契数列相关的研究成果。
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斐波那契数列,又称黄金分割数列、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”。
在现代物理、准晶体结构、化学等领域,斐波纳契数列都有直接的应用,为此,美国数学会从1963年起出版了以《斐波纳契数列季刊》为名的一份数学杂志,用于专门刊载这方面的研究成果。
斐波那契数列的定义者,是意大利数学家列昂纳多·斐波那契,生于公元1170年,卒于1250年,籍贯是比萨。他被人称作“比萨的列昂纳多”。1202年,他撰写了《算盘全书》一书。他是第一个研究了印度和阿拉伯数学理论的欧洲人。
斐波那契数列是什么
斐波那契数列,又称黄金分割数列,因数学家莱昂纳多·斐波那契以兔子繁殖为例子而引入,故又称为“兔子数列”,指的是这样一个数列:0、123……。
在数学上,斐波那契数列以如下被以递推的方法定义:F(0)=0,F(1)=1, F(n)=F(n- 1)+F(n- 2)(n≥ 2,n∈ N*),在现代物理、准晶体结构、化学等领域,斐波纳契数列都有直接的应用。
为此,美国数学会从1963年起出版了以《斐波纳契数列季刊》为名的一份数学杂志,用于专门刊载这方面的研究成果。
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