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斐波那契数列——数学中的一颗璀璨明珠

斐波那契数列美的欣赏

斐波那契数列中的斐波那契数会经常出现在我们的眼前——比如松果、凤梨、树叶的排列、某些花朵的花瓣数(典型的有向日葵花瓣),蜂巢,蜻蜓翅膀,超越数e(可以推出更多),黄金矩形、黄金分割、等角螺线,十二平均律等。

斐波那契数还可以在植物的叶、枝、茎等排列中发现。例如,在树木的枝干上选一片叶子,记其为数0,然后依序点数叶子(假定没有折损),直到到达与那些叶子正对的位置,则其间的叶子数多半是斐波那契数。叶子从一个位置到达下一个正对的位置称为一个循回。叶子在一个循回中旋转的圈数也是斐波那契数。在一个循回中叶子数与叶子旋转圈数的比称为叶序(源自希腊词,意即叶子的排列)比。多数的叶序比呈现为斐波那契数的比。

黄金分割

随着数列项数的增加,前一项与后一项之比越来越逼近黄金分割的数值0.6180339887..

杨辉三角

将杨辉三角左对齐,成如图所示排列,将同一斜行的数加起来,即得一数列1、1、2、3、5、8、……

矩形面积

斐波那契数列与矩形面积的生成相关,由此可以导出一个斐波那契数列的一个性质。

斐波那契数列前几项的平方和可以看做不同大小的正方形,由于斐波那契的递推公式,它们可以拼成一个大的矩形。这样所有小正方形的面积之和等于大矩形的面积。

自然界中巧合

斐波那契数列在自然科学的其他分支,有许多应用。例如,树木的生长,由于新生的枝条,往往需要一段休息时间,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;。

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。

其中百合花花瓣数目为3,梅花5瓣,飞燕草8瓣,万寿菊13瓣,向日葵21或34瓣,雏菊有34,55和89三个数目的花瓣。

斐波那契螺旋:具有13条顺时针旋转和21条逆时针旋转的螺旋的蓟的头部

这些植物懂得斐波那契数列吗?应该并非如此,它们只是按照自然的规律才进化成这样。这似乎是植物排列种子的优化方式,它能使所有种子具有差不多的大小却又疏密得当,不至于在圆心处挤了太多的种子而在圆周处却又稀稀拉拉。叶子的生长方式也是如此,对于许多植物来说,每片叶子从中轴附近生长出来,为了在生长的过程中一直都能最佳地利用空间(要考虑到叶子是一片一片逐渐地生长出来,而不是一下子同时出现的),每片叶子和前一片叶子之间的角度应该是222.5度,这个角度称为黄金角度,因为它和整个圆周360度之比是黄金分割数0.618033989;的倒数,而这种生长方式就决定了斐波那契螺旋的产生。向日葵的种子排列形成的斐波那契螺旋有时能达到89,甚至144条。1992年,两位法国科学家通过对花瓣形成过程的计算机仿真实验,证实了在系统保持最低能量的状态下,花朵会以斐波那契数列长出花瓣。

影视作品中的斐波那契数列

斐波那契数列在欧美可谓是尽人皆知,于是在电影这种通俗艺术中也时常出现,比如在风靡一时的《达芬奇密码》里它就作为一个重要的符号和情节线索出现,在《魔法玩具城》里又是在店主招聘会计时随口问的问题。可见此数列就像黄金分割一样流行。可是虽说叫得上名,多数人也就背过前几个数,并没有深入理解研究。在电视剧中也出现斐波那契数列,比如:日剧《考试之神》第五回,义嗣做全国模拟考试题中的最后一道数学题~在FOX热播美剧《Fringe》中更是无数次引用,甚至作为全剧宣传海报的设计元素之一。

推广

斐波那契

斐波纳契数列,又称黄金分割数列、因数学家列昂纳多斐波那契(Leonardoda Fibonacci)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:1、1、2、3、5、8、13、21、34、……在数学上,斐波纳契数列以如下被以递归的方法定义: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。

斐波那契数列指的是这样一个数列 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233,377,610,987,1597,2584,4181,6765,10946,17711,28657,46368........

这个数列从第3项开始,每一项都等于前两项之和。

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(Leonardo Fibonacci),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》(Liber Abacci)一书。他是第一个研究了印度和阿拉伯数学理论的欧洲人。他的父亲被比萨的一家商业团体聘任为外交领事,派驻地点相当于今日的阿尔及利亚地区,列昂纳多因此得以在一个阿拉伯老师的指导下研究数学。他还曾在埃及、叙利亚、希腊、西西里和普罗旺斯等地研究数学。

递推公式

斐波那契数列:1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, ...

如果设F(n)为该数列的第n项(n∈N*),那么这句话可以写成如下形式::F(n)=F(n-1)+F(n-2)

显然这是一个线性递推数列。

通项公式

59 条评论
评论
  • 木易木3 2天前

    科普时,请不要先入为主,自然规律在先,理论在后。是理论符合自然规律。他们观察了自然或总结了规律。

    回复 48 
  • 上中学时,数学老师很幽默,把微分比作切黄瓜片,把积分比作把切好的黄瓜片按照讨论的区间再复原。微,就是把大物体按规则拆分;积,就是把一堆小物体按规则堆积(加)起来。形象生动。

    回复  ⋅ 4条回复 35 
  • 热烈欢迎这样的科普文章[赞]

    回复 65 
  • 愚蠢!自然界所有的规律,现象都是基于最省力,最舒适,最简洁,最自然!只不过人将它们量化而已。

    回复  ⋅ 4条回复 18 
  • 很喜欢这种教学方法,生动有趣![赞][赞][赞]

    回复 23 
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