斐波那契数列斐波那契数列,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”,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推的方法定义:F(1)=1,F(2)=1, F(n)=F(n-1)+F(n-2)(n>=3,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。
定义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........自然中的斐波那契数列这个数列从第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,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,派驻地点于阿尔及利亚地区,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。
通项公式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(如上,又称为“比内公式”,是用无理数表示有理数的一个范例。
) 注:此时通项公式推导方法一:利用特征方程(线性代数解法)线性递推数列的特征方程为:x²=x+1解得,.则∵∴解得方法二:待定系数法构造等比数列1(初等代数解法)设常数r,s .使得则r+s=1,-rs=1n≥3时,有……联立以上n-2个式子,得:∵,上式可化简得:那么……(这是一个以为首项、以为末项、为公比的等比数列的各项的和)。
,的解为则方法三:待定系数法构造等比数列2(初等代数解法)设得构造方程解得,所以由(1)(2)式得化简可得方法四:母函数法。
对于斐波那契数列{a n},有a1=a2=1,a n=a n-1+a n-2(n>2时)令S(x)=a1x+a2x+…+a n x n+...那么有S(x)*(1-x-x²)=a1x+(a2-a1)x²+…+(a n-a n-1-a n-2)x n+...=x 因此S(x)=.不难证明1-x-x²=-(x+)(x+)=(1-*x)(1-*x).因此S(x)=*[x/(1-*x)-x/(1-*x)].再利用展开式1/(1-x)=1+x²+…+x n+…于是就可以得S(x)=b1x+b2x²+…+b n x n+…其中b n=*[()n - ()n].因此可以得到a n=b n=*[()- ()]与黄金分割关系有趣的是,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,前一项与后一项的比值越来越逼近黄金分割0.618(或者说后一项与前一项的比值小数部分越来越逼近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比.证明两边同时除以得到:。
若的极限存在,设其极限为x,则。
所以。
由于解得所以极限是黄金分割比。
特性平方与前后项从第二项开始,每个偶数项的平方都比前后两项之积少1,每个奇数项的平方都比前后两项之积多1。
如:第二项1的平方比它的前一项1和它的后一项2的积2少1,第三项2的平方比它的前一项1和它的后一项3的积3多1。
(注:奇数项和偶数项是指项数的奇偶,而并不是指数列的数字本身的奇偶,比如从数列第二项1开始数,第4项5是奇数,但它是偶数项,如果认为5是奇数项,那就误解题意,怎么都说不通)证明经计算可得:[f(n)]^2-f(n-1)f(n+1)=(-1)^(n-1)与集合子集斐波那契数列的第n+2项同时也代表了集合{1,2,...,n}中所有不包含相邻正整数的子集个数。
奇数项求和偶数项求和平方求和隔项关系f(2n-2m-2)[f(2n)+f(2n+2)]=f(2m+2)+f(4n-2m) [ n〉m≥-1,且n≥1]两倍项关系f(2n)/f(n)=f(n-1)+f(n+1)其他公式应用生活斐波那契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。
合并图册(2张)斐波那契数与植物花瓣3………………………百合和蝴蝶花5……………………蓝花耧斗菜、金凤花、飞燕草、毛茛花8………………………翠雀花13………………………金盏和玫瑰21……………………紫宛34、55、89……………雏菊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、……公式表示如下:f⑴=C(0,0)=1。
f⑵=C(1,0)=1。
f⑶=C(2,0)+C(1,1)=1+1=2。
f⑷=C(3,0)+C(2,1)=1+2=3。
f⑸=C(4,0)+C(3,1)+C(2,2)=1+3+1=5。
f⑹=C(5,0)+C(4,1)+C(3,2)=1+4+3=8。
f⑺=C(6,0)+C(5,1)+C(4,2)+C(3,3)=1+5+6+1=13。
……f(n)=C(n-1,0)+C(n-2,1)+…+C(n-1-m,m) (m<=n-1-m)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。
则可以得到如下的恒等式:质数数量斐波那契数列的整除性与质数生成性每3个连续的数中有且只有一个被2整除,每4个连续的数中有且只有一个被3整除,每5个连续的数中有且只有一个被5整除,每6个连续的数中有且只有一个被8整除,每7个连续的数中有且只有一个被13整除,每8个连续的数中有且只有一个被21整除,每9个连续的数中有且只有一个被34整除,.......我们看到第5、7、11、13、17、23位分别是质数:5,13,89,233,1597,28657(第19位不是)斐波那契数列的质数无限多吗?尾数循环斐波那契数列的个位数:一个60步的循环11235,83145,94370,77415,61785,38190,99875,27965,16730,33695,49325,72910…进一步,斐波那契数列的最后两位数是一个300步的循环,最后三位数是一个1500步的循环,最后四位数是一个15000步的循环,最后五位数是一个150000步的循环。
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。
数字谜题三角形的三边关系定理和斐波那契数列的一个联系:现有长为144cm的铁丝,要截成n小段(n>2),每段的长度不小于1cm,如果其中任意三小段都不能拼成三角形,则n的最大值为多少?分析:由于形成三角形的充要条件是任何两边之和大于第三边,因此不构成三角形的条件就是存在两边之和不超过另一边。
截成的铁丝最小为1,因此可以放2个1,第三条线段就是2(为了使得n最大,因此要使剩下来的铁丝尽可能长,因此每一条线段总是前面的相邻2段之和),依次为:1、1、2、3、5、8、13、21、34、55,以上各数之和为143,与144相差1,因此可以取最后一段为56,这时n达到最大为10。