黄金分割和斐波那契数 第2页
同样我们也有等式(k★)n+2=(k★)n+1+(k★)n。
由这二个等式,读者容易获得下面的等式:
则我们得到
而对于n≥3,我们有Fn=Fn-1+Fn-2,因此我们的数列F1,F2,F3,F4,…事实上就是斐波那契数列。我们有了斐波那契数列的一般项用黄金数的表示式:F2,F3,F4,
这个公式是在一百多年前由法国数学家敏聂(JacquesPhillipeMarieBinet1786—1856)发现,所以称为敏聂公式。这公式在研究斐波那契
数列的性质时很重要。我们现在看这公式的一些奇异现象,我们知
数表示这真是奇特。另外方面,当我们用敏聂公式来计算一些斐波那契
无理数(-k★)可以表示成一个最简单的无穷连分数:
斐波那契数又和我们以前介绍过的贾宪三角形有密切的关系。读者请参看(图四),在贾宪三角形的第n列(在这图里取n=10),然后由1为起点画一条线和水平方向成45度的角,这条线上所经过的数的和就是斐波那契数列的第n项。
例如在图四里,我们有F10=1+8+21+20+5=55
我们现在定义一个整数函数[]:R(实数集合)→Z(整数集合),对于任何实数x,[x]是最大的整数不超 数学上很有用,读者以后会再遇到它。
我们介绍这个函数的目的是要用二项式系数来表示斐波那契数,对于任意斐波那契数Fn+1我们有公式
例如读者在贾宪三角形的第五列由1为起点画一条和水平方向成45度的角的线,我们看到它经过1,3,1,刚好就是
斐波那契数列有一个很奇怪的性质,很早就引起人们注意:你拿一个固定的正整数(比如说4),然后以这数来除所有的斐波那契数,把每个斐波那契数的余数写下来,你会发现到这些余数组成的数列会有周期(Period)现象出现。(对4来除的情形,你获得1,1,2,3,1,1,1,1,2,3,1,0,1,1,2,3,…等等。)
在19世纪时法国一个数学家鲁卡斯(E.Lucas)在研究数论的素数分布问题时发现和斐波那契数有些关系,而他又发现一种新的数列:1,3,4,7,11,18,29,47,76,123,199,322,521等等。这数列和斐波那契数列有相同的性质,第二项以后的项是前面二项的和组成。数学家们称这数列为鲁卡斯数列。
鲁卡斯数和斐波那契数有密切的关系,例如对于任何的整数n,我们用Ln表示第n个鲁卡斯数,那么我们恒有Ln×Fn=F2n。而鲁卡斯数的一般项也有类似敏聂公式的公式。这里我们留下不考虑,请对数学有兴趣的读者自己试找找看。
生物学和物理学上的斐波那契数
斐波那契数列并不是单纯出现在“生兔子问题”。大自然里一些花草长出的枝条也会出现斐波那契数,有一种叫着“喷嚏麦”(Sneezewort的直译,可能会像鲁迅指出的闹“牛奶路”Mikyway的笑话,希望懂植物学的读者赐以正确的中文名)的花草,新的一枝从叶腋长出,而另外的新枝又从旧枝长出来,老枝条和新枝条的数目的和就像那兔子问题一样。(看图五)
植物学家对于植物的叶子生长分布的情形发生兴趣,他们发现对同一类植物,它们的“叶分歧”(Leafdivergence)是一样的。从一片叶看起,你看在它上面要多少叶才刚好有一片叶长在和它相对同样位置,这数目写为p,另外看这些叶子是对茎来讲转了多
植物学家发现植物的叶分歧是和斐波那契数有关系。普通的草和菩
隔,它们能得到阳光照射进行光合作用,而且呼吸的较好。这真是奇妙
在物理上斐波那契数也出现。假定我们现在有一些氢气原子,一个电子最初所处的位置是最低的能级(Groundleverofenergy),属于稳定状态。它能获得一个能量子或二个能量子(Quantaofenergy)而使它上升到第一能级或者第二能级。但是在第一级的电子如失掉一个能量子就会下降到最低能级,它如获得一个能量子就会上升到第二级来。
现在研究气体吸收和放出能量的情形,假定最初电子是处在稳定状态即零能级,然后让它吸收能量,这电子可以跳到第1能级或第2能级。然后再让这气体放射能量,这时电子在1级能级的就要下降到0能级,而在第2能级的可能下降到0能级或者第1能级的位置去。
我们在图六列出:吸收、放出、吸收、放出、吸收、放出这六个过程中电子能级可能的变化情形。读者可以看到电子所处的状态可能的情形是:1、2、3、5、8、13、21…种。这是斐波那契数列的一部份。而电子所处能级的或然率在这几种情况下又是和斐波那契数有关!