斐波那契数列 Microsoft Word 文档

玛丽莲梦兔
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2021年02月17日 16:28
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2021年2月17日发(作者:妹妹大胆往前走)


斐波那契数列


编辑



斐 波那契数列


,又称


黄金


分割数列,指的 是这样一个数列:


1



1



2



3

< br>、


5



8



13



21


、……在数学上,斐波纳契数列以如下被以递归的方法定义:


F0=0



F1=1



Fn=F(n- 1)+F(n-2)



n>=2



n



N*


)在现代 物理、准晶体结构、化学等


领域,


斐波纳契数列都有直接的应用 ,


为此,


美国数学会从


1963


起出版了以


《斐


波纳契数列季刊》为名的一份 数学杂志,用于专门刊载这方面的研究成果。



中文名



斐波那契数列



外文名



Fibonacci Sequence






黄金分割数列



所属学科



数论



目录



1


定义



2


通项公式





递推公式





通项公式





通项公式的推导



3


与黄金分割





关系





证明



4


特性





平方与前后项





与集合子集





奇数项求和





偶数项求和





平方求和





隔项关系





两倍项关系





其他公式



5


应用





生活中斐波那契





黄金分割





杨辉三角





质数数量





尾数循环





自然界中巧合





数字谜题



6


推广





斐波那契—卢卡斯数列





广义斐波那契数列



7


相关数学





排列组合





兔子繁殖问题





数列与矩阵



8


斐波那契弧线



1


定义


编辑



斐波那契数列指的是这样一个


数列



0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144,


233



377< /p>



610



98 7



1597



2584



4181



6765



10946


,< /p>


17711



28657



46368


特别指出:第


0


项是


0


,第


1


项是第一个


1



这个数列从第二项开始,每一项都等于前两项之和。


< /p>


斐波那契


数列


的发明者,是


意大利


数学家


列昂纳多〃斐波那契

< br>(


Leonardo


Fibonacci


),




自然中的斐波那契数列


< p>
生于公元


1170


年,


卒 于


1250


年,籍贯是


比萨

< p>
。他被人称作“比萨的


列昂纳


< br>”。


1202


年,他


撰写


了《算盘全书》(


Liber Abacci


)一书。他是第一个研究



印度



阿拉伯


数学理论的


欧洲

人。


他的


父亲


< br>比萨


的一家商业团体聘任为外交


领事,

< br>派驻地点相当于今日的


阿尔及利亚


地区,


列昂纳多因此得以在一个


阿拉伯


老师的指导下研究数学 。他还曾在


埃及



叙利亚



希腊



西西里

< p>


普罗旺斯


等地


研究


数学




2


通项公式


编辑



递推公式



斐波那契数列:


0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, ...


[1]



如果设


F(n



为该数列的第


n




n



N*


),那么这句话可以写成如下形式:


[1]




显然这 是一个


线性


递推数列。


[1]




通项公式



(


如上,又称为“比内公式”,是用


无理数< /p>


表示


有理数


的一个范例。


)


注:此时


a1=1



a2=1



an=a(n-1)+a(n- 2)



n>=3,n



N*




通项公式的推导



[2]



方法一:利用特征方程(


线性代数


解法)



线性


递推数列



特征方程


为:





X^2=X+1




解得





X1=(1+



5)/2, X2=(1-



5)/2.





F(n)=C1*X1^n + C2*X2^n





F(1)=F(2)=1





C1*X1 + C2*X2=C1*X1^2 + C2*X2^2=1






解得


C1 =1/



5



C2=-1/



5





F(n)=(1/



5)*{[(1+



5)/ 2]^n - [(1-



5)/2]^n}

< br>【√


5


表示根号


5




方法二:


待定系数法< /p>


构造


等比数列


1


(初等代数解法)



设常数


r



s




使得


F(n)-r*F(n-1)=s*[F(n-1)-r*F(n-2) ]





r+ s=1




-rs=1




n



3


时,有。


F(n)-r*F(n-1)=s*[F(n-1)-r*F(n-2)]




F(n-1)-r*F(n-2)=s* [F(n-2)-r*F(n-3)]



F(n-2)-r*F(n-3)=s*[F(n-3)-r*F(n-4)]


。< /p>



……



F



-r*F



=s *[F



-r*F


< br>]




联立以上


n-2


个式子,得:



F(n )-r*F(n-1)=[s^(n-2)]*[F



-r*F



]





s=1-r



F



=F



=1




上式可化简得:



F(n)=s^(n -1)+r*F(n-1


)。



那么:



F(n)=s^(n-1)+ r*F(n-1


)。



= s^(n-1) + r*s^(n-2) + r^2*F(n-2


)。



= s^(n-1) + r*s^(n-2) + r^2*s^(n-3) + r^3*F(n-3


)。



……



= s^(n-1) + r*s^(n-2) + r^2*s^(n-3) +


……


+ r^(n-2)*s + r^(n-1)*F


⑴。



= s^(n-1) + r*s^(n-2) + r^2*s^(n-3) +


……


+ r^(n-2)*s + r^(n-1


)。



(这是一个以


s^(n-1


)为首项、以


r^(n-1< /p>


)为末项、


r/s


为公比的


等比数列


的各项的和)。



=[s^(n-1)-r^(n-1)*r/s]/(1-r/s


)。

< br>


=(s^n - r^n)/(s-r


)。



r+s=1




-rs=1


的一解为



s=(1+



5)/2



r=(1-



5)/2




F(n)=


(√


5/5)*{[(1+



5)/2]^n - [(1-



5)/2]^n}

< p>



方法三:


待定系数法


构造


等比数列


2


(初等代数解法)



已知


a1=1, a2=1,an=a(n-1)+a(n-2)(n>=3


),求数列

< br>{an}


的通项公式。





:设


an -


α


a(n-1)=


β(


a(n-1)-


α


a(n-2


))。



得α


+

β


=1




αβ


=-1




构造方程


x^2-x-1=0



解得α


=(1-



5 )/2



β


=(1+

< br>√


5)/2


或α


=(1+



5)/2



β


=(1-



5)/2




所以。



an-(1-



5)/2*a(n-1)=(1+

< p>


5)/2*(a(n-1)-(1-



5)/2*a(n-2))=[(1+



5)/ 2]^(n-2)*(a2-(1-



5)/2*a1)``` ``````1




an-(1+



5)/2*a(n-1)=(1-



5)/2*(a(n-1)-(1+



5) /2*a(n-2))=[(1-



5)/2]^(n-2)* (a2-(1+



5)/2*a1)`````````2




由式


1


,式


2


,可得。


< /p>


an=[(1+



5)/2]^(n-2 )*(a2-(1-



5)/2*a1)`````````` ````3




an=[(1-



5)/2]^(n-2)*(a2-(1+



5)/2*a1)``````````````4




将式


3*(1+



5)/2-



4*(1-



5)/2



化简得


an=(1/



5)*{[(1+

< p>


5)/2]^n - [(1-



5)/2]^n}




方法四:母函数法。



对于

< p>
斐波那契数列


{a(n)}


,有

< br>a(1)=a(2)=1,a(n)=a(n-1)+a(n-2)(n>2


时< /p>


)



S(x)=a(1)x+a(2) x^2+


……


+a(n)x^n+


…… 。



那么有


S(x)*(1-x-x^ 2)=a(1)x+[a(2)-a(1)]x^2+


……


+[ a(n)-a(n-1)-a(n-2)]x^n+


……


=x


.


因此


S(x)=x/(1-x-x^ 2).


不难证明


1-x-x^2=-[x+(1+

< p>


5)/2][x+(1-


5)/2]=[1-(1-



5)/2*x][1-(1+



5)/2*x].


因此

< p>
S(x)=(1/



5)*{x/[1-(1+< /p>



5)/2*x]-x/[1-(1-



5)/2*x]}.


再利用展开式


1 /(1-x)=1+x+x^2+x^3+


……


+x^n+


……



于是就可以得


S(x)=b(1)x+b(2)x^2+


……


+b(n)x ^n+


……



其中

b(n)=(1/



5)*{[(1+


5)/2]^n - [(1-



5)/2]^n}.


因此 可以得到


a(n)=b(n)==(1/


5)*{[(1+



5)/2]^n - [(1-



5)/2]^n}


3


与黄金分割


编辑



关系



有趣的是:

这样一个完全是


自然数


的数列,


通 项公式却是用


无理数


来表达的。


而且当


n


趋向于无穷大时,后一项与前一项的比值越来越逼近


黄金分割


0.618.


(或者说后一项与前一项 的比值小数部分越来越逼近


黄金分割


0.618


、前一项与


后一项的比值越来越逼近


黄金分割


0.618




1


÷


1=1



1


÷


2=0.5



2


÷


3=0.666...


< p>
3


÷


5=0.6



5


÷


8=0.625


,…………,


55


÷


89=0.617 977


…,…………


144


÷


233=0.618025



46368


÷


75025=0.6180339886



...


越到后面,这些比值越接近黄金比


.


证明



a[n+2]=a[n+1]+ a[n]




两边同时除以

< p>
a[n+1]


得到:



a [n+2]/a[n+1]=1+a[n]/a[n+1]





a[n+1]/a[n]


的极限存在 ,设其极限为


x



< br>则


lim[n->


;;∞


](a [n+2]/a[n+1])=lim[n->


;;∞


](a[ n+1]/a[n])=x




所以< /p>


x=1+1/x




x²=x+1




所以极限是黄金分割比


..


4


特性


编辑



平方与前后项



从第二项开始,每个< /p>


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




如:第二项


1


的平方比它的前一项


1


和它的后一项

< p>
2


的积


2



1


,第三项


2


的平方比它的 前一项


1


和它的后一项


3


的积


3



1




(注:


奇数项和偶数项是 指项数的奇偶



而并不是


指数


列的


数字


本身的奇偶,


比如从数列第二项


1


开始数,



4



5


是奇数,


但它是偶数项,


如果认为


5


是奇


数项,那就误解题意,怎么都说不通)



证明


经计算可得:


[f(n)]^2-f(n- 1)f(n+1)=(-1)^(n-1)


与集合子集



斐波那契数列的第


n+2


项同时也代表了< /p>


集合


{1,2,...,n}


中所有不< /p>


包含


相邻正


整数



子集


个数。



奇数项求和




偶数项求和




平方求和




隔项关系



f(2n-2m-2)[f (2n)+f(2n+2)]=f(2m+2)+f(4n-2m) [ n



m



-1


,且


n



1]


两倍项关系



f(2n)/f(n)=f(n-1)+f(n+1)


其他公式





5


应用


编辑



生活中斐波那契



斐波那契数列中的斐 波那契数会经常出现在我们的眼前——


比如


松果、凤

< p>
梨、


树叶的排列、


某些花朵的花瓣数


(典型的有向日葵花瓣)



蜂巢,

< br>蜻蜓翅膀,


超越数


e


(可以推出 更多),黄金矩形、黄金分割、等角螺线,十二平均律等。



斐波那契数与植物花瓣



3


………………………百合和蝴蝶花



5


………………………蓝花耧斗菜、


金 凤花


、飞燕草、毛茛花



8


………………………翠雀花



13


………………………金盏




和玫瑰



21


………………………紫宛



34



55



89


……………雏菊



斐波那契数还可以在植物的叶、枝、茎等排列中发现。例如,在树木的枝干


上选一片叶 子,记其为数


0


,然后依序点数叶子(假定没有折损),直到到 达与


那些叶子正对的位置,


则其间的叶子数多半是斐波那契数。


叶子从一个位置到达


下一个正对的位置称为一个循回。叶子在一 个循回中


旋转


的圈数也是斐波那契


数。


在一个循回中叶子数与叶子旋转圈数的比称为


叶序


(源自


希腊


词,


意即叶子< /p>


的排列)比。多数的


叶序


比呈现为斐波那 契数的比。



黄金分割



随着数列项数的增加,前一项与后一项之比越来越逼近


黄金分割


的数值


0.6180339887..


< p>


杨辉三角




杨辉三角


左对齐,


成如图所示排列,

< p>
将同一斜行的数加起来,


即得一数列


1

< p>


1



2



3



5


8


、……




公式表示如下:


< br>f



=C(0,0)=1




f



=C(1, 0)=1




f



=C(2,0)+C(1,1)=1+1=2


< p>


f



=C(3,0)+ C(2,1)=1+2=3




f



=C(4,0)+C(3,1)+C(2,2)=1+3+1=5




f



=C(5,0)+C(4,1)+C(3,2)=1+4+3=8




F



=C( 6,0)+C(5,1)+C(4,2)+C(3,3)=1+5+6+1=13



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