斐波那契数列

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2021年02月17日 16:29
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柳岩电影-

2021年2月17日发(作者:奥黛莉赫本)


斐波那契数列



斐波那契数列

< br>,又称


黄金


分割数列,指的是这样一个数列:

< p>
1



1



2



3


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

< p>


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。



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< /p>



377



61 0



987



1597



2584



4181



6765



10946



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。



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



Leonardo Fibonacci


),




自然中的斐波那契数列



生于公元


1170


年,卒于


1250


年,籍贯是


比萨


。他被人称作



比萨的


列昂纳多


< br>。


1202


年,他


撰写


了《算盘全书》(


Liber Abacci


) 一书。他是第一个研究了


印度



阿拉伯


数学理


论的


欧洲


人。


他的


父亲


比萨


的一家商业团体聘任为外交领事,


派驻地点相当于今日 的


阿尔


及利亚


地区,

< br>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




希腊



西西里



普罗旺斯


等地研究


数学



< p>
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< /p>


项(


n



N*< /p>


),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


< p>
,是用


无理数


表示


有理数


的一个范例。


)


注:此时

< p>
a1=1



a2=1


,< /p>


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



n >=3,n



N*


< br>


通项公式的推导



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}


【< /p>


√5


表示根号


5




方法二:


待定系数法


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)]




……



F


⑶< /p>


-r*F



=s*[F

< br>⑵


-r*F



]




联立以上


n-2


个式子,得:



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



-r*F



]




∵< /p>


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





= 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、

< br>以


r^(n-1



为末项、


r/s


为公比的


等比数列

< br>的各项的和)




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


)。



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


)。



r+s=1




-rs=1


的一解为



s=(1+√5)/2



r=(1-

< br>√5)/2





F(n)=



√5/5)*{[(1+√5)/2] ^n


- [(1-


√5)/2]^n}




方法三:


待定系数法


构造

< br>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


{an}


的通项 公式。





:设


an-


αa(n


-


1)=β



a(n-1)-


α a(n


-2


))。


< br>得


α+β=1




αβ=


-1




构造方程


x^2-x-1=0


,解得< /p>


α=(1


-


√5)/2

< br>,


β=(1+√5)/2



α= (1+√5)/2



β=(1


-


√5)/2




所以。



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*a


1)`````````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*a


1)`````````2




由式


1


,式


2


,可得。



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+√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+√5)/2 ][x+(1


-


√5)/2]=[1


- (1-


√5)/2*x][1


-


(1+ √5)/2*x].



因此


S(x)= (1/√5)*{x/[1


-


(1+√5)/2*x]


-x/[1-(1-


√5)/2*x]}.


< /p>


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÷< /p>


1=1




2 =0.5




3=0.666...




5=0.6



8=0.625



…………



55÷89=0.617977…< /p>



…………144÷233=0.618025…46368÷7 5025=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


->


;;

< p>
∞](a[n+1]/a[n])=x




所以


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


奇数


项的


平方< /p>


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


2


的积

< br>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

< br>开始数,第


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


集 合


{1,2,...,n}


中所有不


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,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,

< p>
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


< br>叶序


(源自


希腊


词,意即叶子的 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..…



杨辉三角




杨辉三角


左对齐,成如图所示排列,将同一斜行的数加起来,即得一数列


1



1


2



3



5



8



……




公式表示如下:



f

< br>⑴


=C(0,0)=1




f



=C(1,0)=1

< br>。



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




……



F(n)=C(n-1,0)+ C(n-


2,1)+…+C(n


-1-m,m) (m<=n-1-m)


质数数量



斐波那契数列的整除性与素数生成性




3


个连续的数中有且只有一个被


2< /p>


整除,




4< /p>


个连续的数中有且只有一个被


3


整除,< /p>


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