斐波那契數列:歐洲文藝復興時期的斐波那契和他的《算經》

2020-12-17 電子通信和數學

歐洲數學在希臘文明衰落之後長期處於停滯狀態,直到12世紀才有復甦的跡象。這種復甦開始是受了翻譯,傳播希臘,阿拉伯著作的刺激。對希臘與東方古典數學成就的發掘,探討,最終導致文藝復興時期(15~16世紀)歐洲數學的高漲。

文藝復興的前哨義大利,由於其特殊地理位置與貿易聯繫而成為東西方文化的熔爐。義大利學者早在12~13世紀就可以翻譯.介紹希臘與阿拉伯數學文獻。歐洲黑暗時代以後第一位有影響到額數學家斐波那契(約1170~1250),其拉丁文代表著作《算經》,《幾何實踐》等也是根據阿拉伯文與希臘文材料編譯而成的。斐波那契,早年跟隨父親在北非從師阿拉伯人學習算術,後又遊歷地中海沿岸諸國。回義大利後寫成《算經》,《算經》最大的功績是系統介紹印度記數法,影響並改變了歐洲數學的面貌。現傳《算經》是1228年的修訂版,其中還引進了著名的「斐波那契數列」

本篇重點介紹「斐波那契數列」問題,節錄《算經》:23.3兔子問題

一年內一對兔子可以繁衍多少對?某人有一對兔子,養殖在某地完全封的圍牆內,我們希望知道在一年內能繁衍到多少對?如果事情是這樣:每對兔子每月生一對小兔子,而小兔子出生後,第二月就能生育,設第一對兔子在第1個月生了1對,兔子加倍,一個月內有2對。在這2對中,第一對第2個月又生了1對。所以在第2個月有3對,此後一個月有2對兔子懷孕,所以在第3個月內有2對兔子出生,此月有5對兔子,此後在同一個月內有3對懷孕,所以在第4個月內有8對,其中5對將生5對小兔,加上原來的8對,在第5個月內有13對。依次類推

因此你可以看到:首數與第2個數合併,因此1與2,第2與第3個,第3與第4個.....,最後我們合併第10與第11個,即144與233,

再如,20世紀初葉數學家斯泰因豪斯(1887~1972波蘭)在一次國際數學會議上,提出一個「樹木生長問題」,如果一棵樹在一年以後長出一條新枝,然後總是休息一年,再在下一年又長出一條新枝,並且每一條樹枝都按照這個規律長出新枝,那麼第一年只有主幹,第2年有2枝,第3年有3枝,第4年有5枝,然後是8枝,13枝,等等,這種分支數目在草本植物上表現的也非常明顯。

顯然,樹枝和草莖的生長也是按照斐波那契數增長,這只是小兔問題的變形而已。

但斐波那契本人並沒有給出這個數列的通項公式。

這個斐波那契數列的第n項則是:

這個公式最早記載於18世紀棣莫弗的《分析集錦》一書中,它最初的證明是由數學家比內在1843年完成的,所以又稱為比內公式,值得指出的是,這個公式的左端為正整數,右端卻由無理數表示,非常的完美。

證明:用數學歸納法

當n=1時,直接驗算可證等式成立。

設n<k時,結論成立,現在推證n=K+1時,結論成立

Uk+1=Uk+Uk-1

所以對於n=k+1時,結論成立,從而公式得證。

斐波那契數幻方:

把斐波那契數列中的第4到第12個數以大小為序按「洛書」的位置列成方針,洛書為:

斐波那契數列中的第4到第12個數,3,5,8,13,21,34,55,89,144,按洛書列成方陣:

這個幻方有以下性質:

三行元素各自乘積之和與三列元素乘積之和相等

上即是斐波那契數列的一些特性,斐波那契數列應用非常廣泛,大自然,股票市場都有它的身影,博大精深需要後繼者更深的取探討。

美國數學會從1963年起出版了以《斐波那契數列季刊》為名的一份數學雜質,專門刊登這方面的研究成果。

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