模度研究|斐波那契的小白兔数列

模度研究手稿


800年前斐波那契发现了美的数列。

兔子数列即斐波那契数列,它的发明者是意大利数学家列昂纳多•斐波那契(Leonardo Fibonacci,1170—1250)。

1202年,他撰写了《算盘全书》(《Liber Abaci》)一书,该书是一部较全面的初等数学著作。书中系统地介绍了印度—阿拉伯数码及其演算法则,介绍了中国的“盈不足术”;引入了负数,并研究了一些简单的一次同余式组。

斐波那契数列如下:

1,1,2,3,5,8,13,21,34,…

递归式表达式:

斐波那契的小白兔数列的惊人发现:

斐波那契螺旋:科学家经研究在植物的叶、枝、茎等排列中发现了斐波那契数!例如,在树木的枝干上选一片叶子,记其为数1,然后依序点数叶子(假定没有折损),直到到达与那片叶子正对的位置,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。多数植物的叶序比呈现为斐波那契数的比,例如,蓟的头部具有13条顺时针旋转和21条逆时针旋转的斐波那契螺旋,向日葵的种子的圈数与子数、菠萝的外部排列同样有着这样的特性,如图所示:

植物花瓣: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,可以发现它们的花瓣数目为斐波那契数:3,5,8,13,21,…。如图所示:

树木在生长过程中往往需要一段“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”。

惊人发现: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的。这似乎是植物排列种子的“优化方式”,它能使所有种子具有相近的大小却又疏密得当,不至于在圆心处挤太多的种子而在圆周处却又很稀疏。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°,这个角度称为“黄金角度”,因为它和整个圆周360°之比是黄金分割数0.618的倒数,而这种生长方式就导致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。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的规律长出花瓣。

有趣的是:这样一个完全是自然数的数列,通项公式却是用无理数来表达的。而且当n趋向于无穷大时,斐波那契数列前一项与后一项的比值越来越逼近黄金分割比0.618:1÷1 = 1,1÷2 = 0.5,2÷3 = 0.666,…,3÷5 = 0.6,5÷8 = 0.625,…,55÷89 = 0.617977,…,144÷233 = 0.618025,…,46368÷75025 = 0.6180339886……

越到后面,这些比值越接近黄金分割比:

总结斐波那契数列之美:斐波那契数列起源于兔子数列,这个现实中的例子让我们真切地感到数学源于生活,斐波那契通过兔子繁殖来告诉我们这种数学问题的本质,随着数列项的增加,前一项与后一项之比越来越逼近黄金分割的数值0.618时,我彻底被震惊到了,因为数学可以表达美,这是令我们叹为观止的地方。当数学创造了更多的奇迹时,我们会发现数学本质上是可以回归到自然的,这样的事例让我们感受到数学的美,就像黄金分割、斐波那契数列,如同大自然中的一朵朵小花,散发着智慧的芳香…… 





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