彭林
斐波那契是13世纪初欧洲最好的数学家,他生活在意大利的比萨城。那里气候温和,阳光明媚,雨水充足,附近的农牧业都很发达。
一天,斐波那契到外面散步,看到院子里有个男孩在用萝卜喂兔子。红眼睛、长耳杂的白兔很可爱,斐波那契站在那里看了好大一会儿。
几个月后,斐波那契散步又到那里,发现院子里不再是一对兔子,而是大大小小好多只兔子了。斐波那契问道:“你又买了些兔子吗?”那男孩回答:“没有,这些兔子都是原来那对兔子生的。”
“一对兔子能繁殖这么多吗?”斐波那契感到吃惊。
那男孩又说:“兔子繁殖可快了,每个月都要生一次小兔子,并且小兔子出生两个月后,就能够再生小兔子了。”
“噢,原来是这样的。”斐波那契明白了一些。
回家以后,斐波那契又想到了那些兔子,“那么,这些兔子一年之内到底能生多少呢?”他给自己出了这样一道题:
假如一对兔子每个月可以生一对小兔子,而一对小兔子生下后第二个月又开始生小兔。假定一年内没有死亡,一对兔子一年内可繁殖成几对?”
斐波那契是这样考虑的:
第一个月,买来一对刚刚出生的小兔。
第二个月,还是一对。不过要注意,小兔已经成年,下一个月它们就可以当爸爸、妈妈了。
第三个月,这对小兔长大了,生了一对小兔。这样,就有两对了。
第四个月,其中一对老兔子又生了一对小兔,还有一对成年兔,一共是3对。如图1.(○表示一对小兔,●表示成年兔,下同.)
第五个月,其中的两对各生了一对兔子。总数是5对。如图2。
第六个月,共有8对兔子。如图3.
从图中可以看出,自第三个月开始,某个月●的数恰好等于它一个月兔子的对数,○的数又恰好等于它上两个月兔子的对数。例如,第六个月,有5个●,3个○,而第五个月共5对兔子,第四个月共有3对兔子。这就是说,每个月兔子的对数,都恰恰是它前面的两个月兔子对数的和。
继续画下去,这个规律还成立吗?
是的,仍然成立。根据这个规律,可以算出以后任何一个月份共有几对兔子。
第七个月时,5+8=13,
第八个月时,8+13=21,
第九个月时,13+21=34,
……
把一年内各个月兔子的对数排成一列:
1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144……
可以知道,到第十二个月后,将会有144对兔子。
斐波那契很高兴这个有趣的发现,并把它写入《算盘书》。
依照某种规律排列着的一连串数叫做数列。人们把上面的那一列数,叫做斐波那契数列。人们还发现了这个数列的一些奇特的性质。
美国《科学美国人》杂志上曾刊登过一则有趣的故事:世界著名的魔术家兰迪先生有一块长宽都是13分米的地毯,他想把它改成8分米宽、21分米长的地毯。
他拿着这块地毯去找地毯匠奥马尔,并对他说:“我的朋友,我想请您把这块地毯分成四块,再把它们缝在一起,成为一块8分米×21分米的地毯。”奥马尔听了以后对他讲:“很遗憾,兰迪先生,您是伟大的魔术家,可是您的算术竟这样差!13×13=169,而8×21=168,这怎么能办得到呢?”兰迪说:“我亲爱的奥马尔,伟大的兰迪是从来不会错的。劳您的驾把这块地毯裁成这样的四块(图4)。”
奥马尔照他所说的那样做了。尔后,兰迪先生把这四块重新摆一下,再让奥马尔把它们缝在一起,这样就得到了一块8分米×21分米的地毯(图5)。
奥马尔想:“这怎么可能呢?地毯面积由169平方分米缩小到168平方分米,那一平方分米列哪里去了呢?”
我们仔细观察兰迪先生的两个图形,不难发现,将四个小块拼成长方形时,在对角线中段附近发生了微小的重迭。正是沿着对角线的这点迭合,导致了丢失一个单位的面积。读者不妨自己用纸试试。
上面两个图形中涉及到的四个长度数:5、8、13、21都是斐波那契数,并且132=8×21+1,82=5×13-1.多做几次上述的实验,就可以发现斐波那契数列一个有趣而重要的性质:
任何一项的平方,等于它前后两项的乘积,加上或减去1。项数是偶数时减1,项数是奇数时加1。
斐波那契数列在实际生活中有着广泛而有趣的应用。除了动物的繁殖外,植物的生长也与斐波那契数列有关。
据说,德国天文学家、数学家开普勒(1571-1630)对植物的“叶序”(叶子、花、果的排列方式)很感兴趣。他观察了很多种植物,发现对同一种植物来说,有一定的规则。
为了把问题说清楚,我们先介绍“母线”和“周期”两个概念。
我们知道,植物的茎大体上近似于圆柱形,而圆柱形可以看作是矩形ABCD绕它的一边AB(轴)旋转一周时,另一边CD所生成的曲面(如图6)。这个曲面上平行于轴AB的线段叫做圆柱的母线。
观察发现,植物的叶子在茎上都是按螺旋状周而复始地排列的。我们把从某一条母线上有生长叶子处出发,依叶子的排序,再回到这条母线上有叶子的位置(这条母线上两叶之间再没有叶子)就叫做一个周期。
如图6,在CD这条母线上,D、K处生长叶子(中间没有),而从D到K的螺旋线上还有E、F两处生长叶子。在从D到K的这个周期里,绕过的圈数称为“周期圈数”(图中为2);而这个周期里的叶子数叫周期叶数(算头不算尾)(图中为3),那么
可以反映叶子分布规律(相邻两片叶子间的角度)。
开普勒发现
把这些分数排列起来,为
不难发现,它的分子、分母各自都构成斐波那契数列。
真是天然成趣,耐人寻味!
从古希腊到现在,都认为在造型艺术中有美学价值,在现代优选法中有重要应用的“黄金率”,也和斐波那契数列有密切关系。实际上,从第3个数起,每个数与它后面那个数的比值,就很接近0.618.
由于斐波那契数列在许多方面都有重要应用,所以美国数学会出版了一本杂志叫《斐波那契季刊》,专门研究这个数列的性质和应用。
想想练练
1.请将文中的图3继续画下去,画出第9个月兔子的对数。
2.不看图,写出斐波那契数列的前20项,并任选其中三个相邻的项,验证:中间项的平方,等于前后两项的乘积,加上或减去1。
3.试设计一个能产生斐波那契数列的问题,或寻找一个能用斐波那契数列解释的现象。