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自然界美丽的主宰者
——斐波那契数列与黄金分割
上海大学数学实践工作站
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≈0.618
公元前4世纪,古希腊数学家欧多克索斯
公元前3世纪古希腊数学家欧几里得
现在我们中学里学的几何学,本质上还是以《几何原本》为蓝本的.《几何原本》的手稿今已失传,现在看到的各种版本都是根据后人的修改本、注释本或翻译本重新整理出来的,但和《红楼梦》只传下来大半部手稿的情形不同,基本上仍保留了原来的内容和状态。
《几何原本》共十三卷,多处涉及到黄金分割的内容。
在第六卷中讲比例时,给出了如下的定义:
分一线段为二线段,当整体线段比大线段等于大线段比小线段时,则称此线段被分为中外比。中外比(extreme and mean ratio )后称为黄金分割。
在第二卷(讲面积)、第四卷(讲五边形)中也有所应用。
在同一卷中,给出了分已知线段为中外比的方法及有关的一些性质。
第八卷整卷在讲正十二面体、正二十面体的构成时,反复地利用了黄金分割及有关的性质(中译本计39页)。
2500年前古希腊数学家毕达哥拉斯
考虑到欧几里德只是系统总结了当时几何学已有的成就,有关黄金分割的概念和知识很可能在2500年前就已经有了。
但这样古老的数学内容不仅没有被历史的演变和科学的进步所淘汰,相反,却永葆青春,并越来越引起人们的注意和重视。
古希腊的数学家不必说了,中世纪的意大利数学家裴波那契(Fibonacci, 约1170—1240), 文艺复兴时代的德国天文学家开普勒(Kepler, 1571—1630),以及当代的一些著名科学家都对它十分关注,并投入了大量的精力。
意大利的数学家列昂那多·斐波那契在1202年提出这样一个问题
斐波那契(Leonardo Pisano F ibonacci ; 1170 ? 1250 )
设一对大兔子每月生一对小兔子,每对新生兔在出生一个月后又下崽,假若兔子都不死亡. 问:一对兔子,一年能繁殖成多少对兔子?
(取自斐波那契的《算盘书》(1202年))
1 月 1 对
2 月 1对
1 月 1对
2 月 1对
3 月 2对
1 月 1对
2 月 1对
3 月 2对
4 月 3对
1 月 1对
2 月 1对
3 月 2对
4 月 3对
5 月 5对
1 月 1对
2 月 1对
3 月 2对
4 月 3对
5 月 5对
6 月 8对
1 月 1对
2 月 1对
3 月 2对
4 月 3对
5 月 5对
6 月 8对
7 月 13对
月数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
小兔子对数
1
0
1
1
2
3
5
8
13
21
34
55
大兔子对数
0
1
1
2
3
5
8
13
21
34
55
89
总数
1
1
2
3
5
8
13
21
34
55
89
144
一年后兔子总数为144对
第n个月兔子数
第一个月兔子数
第二个月兔子数
第三个月兔子数
随着时间不断流逝。。。。。。
从第三项起每一项都等于前两项之和。19世纪法国数学家路卡斯给这个数列起了一个颇适合的名字:“斐波那契数列”,数列中的每一个数称为斐波那契数.
按照递推公式计算,得到
1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144,? ? ?
数学家们已经发现了许多关于斐波那契数列的特性。例如:
1 , 1 , 2 , 3 , 5 , 8 , 13 , 21 , 34 , 55 , 89 , 144 , …
第3、第6、第9、第12项的数字,能夠被 2整除
从第二项开始,每个奇数项的平方都比前后两项之积多1,每个偶数项的平方都比前后两项之积少1
1 , 1 , 2 , 3 , 5 , 8 , 13 , 21 , 34 , 55 , 89 , 144 , …
第4、第8、第12项的数字,能夠被3整除
第 5、第10项的数字,能夠被5整除
其余的,如此类推……
现在我们来找数列的通项
斐波那契数列满足
我们将斐波那契数列分解为两个等比数列之和,
再将两个等比数列的第n 项相加得到斐波那契数列的通项公式
等比数列的通项公式
代入条件
得
解之得两个根
找到两个等比数列
还要满足
得
从而斐波那契数列的通项为
随着数列项数的增加,前一项与后一项之比越逼近
0.6180339887……
———黄金分割数
黄金分割的精确表示
————黄金分割数
黄金分割和斐波那契
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