小朋友問飛蛾為什麼會撲火,其實與數學中等角螺線有關係

2021-01-13 數學工作者張宏衛

在畢達哥拉斯發現了黃金分割比的1000年以後,義大利數學家斐波那契也創造了一個神奇的東西。這個東西,現在我們把它叫做「斐波那契數列」。

斐波那契在他的《算盤書》裡提出這樣一個問題:

如果一開始有一對兔子,它們每月生育一對兔子,小兔在出生後一個月又開始生育且繁殖情況與最初的那對兔子一樣,那麼一年後有多少對兔子?

問題的答案實際上排了一個數列:1、2、3、5、8、13……這個數列揭開了大自然隱秘世界的一角。這個數列不是隨便寫的,它是有規則的,從第二個數字開端,2是1加1,是第一個數字的倍數:3是1加2,是第一個和第二個數字的合;5是2加3;8是3加5……也便是每一個數字都是它前面兩個數字之和,一直往下排,由此得到的這個數列就叫斐波那契數列。

很多人可能沒有注意到,這個數列有兩個非常顯著的特點:

(1)第一個是整數數列的通項,居然含有無理數;

(2)第二個是前一項與後一項的比,當n越來越大時,比值越來越接近黃金分割比。

所以在有些時候,人們也會把2:3,3:5,5:8這樣的比例稱為黃金比例。

斐波那契數列在美學上有一個重要的應用,叫做斐波那契螺線,也叫黃金螺線。將兩個邊長為1的正方形上下並列,在它們的一側在畫一個邊長為2的正方形。然後按照這個一定的順序,比如逆時針順序,再畫一個與他們相鄰的邊長為3的正方形…以此類推。然後在每一個正方形裡面,以邊長為半徑,以相對的兩個頂點為起始點做圓弧。

這些圓弧首尾相接,就形成了斐波那契螺旋。

這個螺旋曲線是不是有點似曾相識的感覺?我們來看幾張圖片。

黃金螺線因為暗含了黃金比例,所以天然地營造出了一種和諧的美感。也因此黃金螺線被大量的應用在了攝影作品和影視作品。比如2014年有一部熱播劇叫《琅琊榜》,裡面的很多鏡頭都使用了這種手法。再比如很多獲獎的照片,也都是用這種方法來搭配景物之間的位置關係。黃金螺線因為實在是太漂亮了,所以還引來了不少人來惡搞。

最後一張圖片的玩法也很流行,廣大的男士有機會不妨也拍這麼一張照片發到朋友圈,絕對漲粉絲。

黃金螺線為什麼在自然界中這麼普遍呢?這也是一個眾說紛紜的問題。今天我們來介紹一種比較站得住腳的說法。那就要說到黃金螺線的另外一個重要性質——等角性。

從黃金螺線的中心隨意引出射線,這些射線與螺線的夾角都是相等的。

因為黃金螺線具有等角性,受環境影響,很多直線運動會轉變為等角螺線運動。

我們以飛蛾撲火為例

億萬年來,夜晚活動的蛾子等昆蟲都是靠月光和星光來導航,因為天體距離很遠,這些光都是平行光,可以作為參照來做直線飛行。如下圖所示,注意蛾子只要按照固定夾角飛行,就可以飛成直線,這樣飛才最節省能量。

但是,假設一隻飛蛾被一支蠟燭,或者一個燈泡這樣的一個點光源吸引。由於本能的驅動,飛蛾按照等角形的規律飛行,就會不知不覺的越來越接近螺旋線的中心,最終被火光所吞滅。所以飛蛾補火,本質上不是偉大的愛情,而是飛蛾旅行中的悲劇。

好了,講到這裡基本上也差不多了。我們之前還說過圓周率π、自然對數的底數e和黃金分割比(包括黃金螺旋)。他們之間有什麼關係沒有呢?

我們知道指數函數在直角坐標系中的圖像是一個逐漸上升的曲線。如果把我們指數函數的圖像畫在一個極坐標中,猜猜我們會看到什麼?

在極坐標中劃出指數函數e^x的圖像

在極坐標系中畫出指數函數e^x的圖像,產生了對數螺線(黃金螺線),因為這個螺線與斐波那契螺線高度相似,所以也有人把斐波那契螺線稱作黃金螺線。

太美了,再放幾張圖

17世紀Johannes Vermeer的畫作
著名的《蒙娜麗莎》
《神探夏洛特》劇照
耍賴的喵星人

是不是都很美?了解點數學,以後去博物館、美術館、或者陪愛人看劇,不僅能欣賞劇情,還能說出裡面的數學原理,絕對拉風。

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