斐波那契數列之美


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       有這樣一個數列:1、1、2、3、5、8、13、21、34……前兩個元素為1,其他元素均為前兩個元素和。在數學上以如下遞歸的方法定義:

 

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       這就是斐波那契數列的數學定義。那數學家是如何發現(或創造)出這個這個數列,它又有什么意義呢?莫着急,我們先從斐波那契的生平說起。

       斐波那契是一位數學家,生於公元1170年,籍貫大概是比薩,卒於1240年后。1202年,他撰寫了《珠算原理》(Liber Abaci)一書。他是第一個研究了印度和阿拉伯數學理論的歐洲人。斐波那契數列因他解決兔子繁殖的應用題而引入,故又稱為“兔子數列”。除此之外,他對歐洲數學的另一大貢獻就是引進阿拉伯數字,從而取代了復雜的羅馬計數法。

 

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       對於程序員而言,或許它是僅次於Hello World,最常見的一道編程題。簡單易懂,多數人可以很快的明白它的定義並嘗試寫出它的編碼。但這個數列就是為了考試而生?是數學家編造出來故意玩弄程序員,還是隱藏着某個宇宙的終極奧秘,它生冷的公式下面又蘊藏着哪些數學之美。

 

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       先賣一個關子,我們先看它在現實的意義,然后再分析其中的數學原理。上面這張圖是一個樹干的簡化圖。確實像一顆樹,而且樹干也是分層的。推理能力不錯,可以去當砍樹工了。如果你還能從中看出每一層樹干個數(1,2,3,5,8,13)都是斐波那契數列中的元素,只需要早產一千年,斐波那契就只能是個砍樹工了。

       也許這個例子並不充分,我們在看看大自然中最常見的美——花兒,數一數每一層花瓣的數目,是否也是斐波那契數列中的一個元素。

       首先是花瓣數目最少的百合,下面是一張百合的圖片。

 

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       可以看到百合花分為2層,每層都是3個花瓣,而3確實是該數列的第四個元素。如果你覺得百合的花瓣數太少,數的不盡興,那我們再來看看菊花的花瓣數目。慢着,菊花是什么(脫口而出:一男一女一菊花)。好吧,居然也是斐波那契的第六個元素:8。

 

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       嚴肅點,人家正在討論數學問題呢,笑什么笑。看看真正的菊花是多少個花瓣,果然還是斐波那契數列的第八個元素:21。

 

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       你開始懷疑,現實世界中也許真的有一種力量,似乎對自然的美賦予了一個看不見的數學公式:斐波那契數列。那美女呢?我只喜歡看美女。好吧,作為男人,我懂的,上妹子~

 

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       這下大家滿意了吧。腦海里面瞬間想起了王力宏那首《美》,查了一下,原來歌詞里Mei這個音重復的次數都是1,2,3,5。原來歌聲中也能發現斐波那契數列的美。可能你還納悶,美女甩頭跟斐波那契數列有什么關系?其實,在數學上,這稱為斐波那契螺旋線,比如向日葵,颶風圖,還有宇宙星雲圖中都會看到類似的軌跡,而這個軌跡中隱藏着這個數列。如下圖,脖子不要拉傷。  

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       有沒有腦洞大開的節奏,仿佛主賜予了你一雙慧眼,你頓時覺得,無論是自然界中的美,還是人類文明所造就的美,總會發現斐波那契之美的蛛絲馬跡,下面這兩幅名畫,相信每個人都看已經看過很多次了。揉揉眼睛,保持正確的解讀姿勢,開啟血輪眼模式再看一遍。如果下次看到任何美的事物而不由自主的浮現出斐波那契螺旋線時,恭喜你中毒了……

 

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       終於你相信,萬物之美,總能找到斐波那契數列的規律了,可這里面的數學原理又是什么呢?”打破砂鍋問到底”是一個好的態度。你有沒有發現,美女那么多,看多了會審美疲勞,會覺得都是一個模子出來的。而丑的話卻各有千秋?這TMD也是數學管的?恩,你可能知道我要說什么了——黃金分割。

       早在古希臘,就有人發現了黃金分割,似乎在1.618這個比例是最美的,建築物的比例,雕塑的比例,然后再到美女的比例,都在這個值的區間內。這也就解釋美女為什么看上去都差不多的原因。實際上,黃金分割和斐波那契數列本質上是一種概念的兩種外在形式。下圖是七位數的斐波那契數列,我們讓相鄰的兩個分別相除,則會發現,數字越大,這個值越接近黃金分割值。

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       下面通過簡單數學公式,證明斐波那契數列和黃金分割之間的內在關聯。在極限的情況下,我們認為相鄰兩個元素的商等於黃金分割值,我們假設值為△,則有如下等式:  

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       而該數列又滿足X(n) = X(n-1) + X(n-2),我們替換X(n)后,等式轉換為:

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       是不是一切都明了了,我們把X(n-1)/X(n-2)記為△,則X(n-2)/X(n-1)則是它的倒數1/△,這樣,該等式就是△(黃金分割值)的一元二次方程1 + 1/△ = △:

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       套用二次方程公式,我們可以得到△ =(1 + √5)/2,約等於1.618。終於,我們用數學,證明了這個美的存在和公式下的數學之美。

 

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       其實,這不是斐波那契數列的全部,數學家並不甘於到此為止,而是進一步的發現了更本質的規律,只要數列滿足X(n) = X(n-1) + X(n-2),無論前兩個值是多少,都滿足黃金分割的條件,這就是Brady Number。而斐波那契數列是最簡單的特例:前兩個元素均為1

       再后來,數學家還發現了費馬大定理和這個數列的關系(費馬大定理的證明歷時三百五十年),並應用到諸多領域(比如加密)。你會發現,學習數學並不只是為了考試,而在於讓你擁有一雙純粹的,永恆的眼睛,讓你看到看不見的美。


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