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斐波那契數(shù)列的現(xiàn)實存在的例子,你知道的有哪些?

 蘇醒的貝殼 2019-12-01

斐波那契數(shù)列是一種遞歸序列,序列中每一個數(shù)字都是通過將前兩個數(shù)字相加而產(chǎn)生的。0、1、1、2、3、5、8、13、21、34、55、89、144、233、377, 610、987 ...黃金分割率和斐波那契數(shù)列的數(shù)學聯(lián)系緊密。

斐波那契數(shù)列的發(fā)現(xiàn)

斐波那契數(shù)列是由一位13世紀的意大利比薩的數(shù)學家列奧納多·斐波那契發(fā)現(xiàn)的,他的功績還包括在整個歐洲大部分地區(qū)推廣了印度-阿拉伯數(shù)字系統(tǒng)。

斐波那契的書《Liber abaci》(1202年)還解決了許多有的數(shù)學問題。這些問題之一就論及兔子的繁殖速度相關(guān)的問題:

假設整個過程中沒有兔子死亡,并且雌兔總是繁殖出一對仔兔且雌雄各一。兔子可以在一個月大的時候繁殖,所以在第二個月月底,雌性仔兔可以生下另一對兔子。每個月初兔子的總數(shù)遵循以下模式:1、1、2、3、5、8、13、21、34、55、89、144,依此類推。每個數(shù)字都是前兩個數(shù)字的和,數(shù)字很快變大,并且序列是無限的。

直到很久以后,法國數(shù)學家愛德華·盧卡斯(Edouard Lucas)在研究自己的相似數(shù)字序列并對斐波那契的描述進行更詳細的研究之后,才明白了這些數(shù)字的意義,因此他給斐波那契數(shù)列定了名。繼盧卡斯的研究之后,在自然界中越來越多地觀察到這些數(shù)字所描述的規(guī)律,從松果的螺旋片狀結(jié)構(gòu)、花椰菜上的小花到向日葵上的種子排列的方式。實際上該序列描述的東西比兔子的繁殖模式復雜得多。

自然增長模式

斐波那契數(shù)列似乎總是與自然界的增長規(guī)律有關(guān)。 這種規(guī)律適用于所有生物的生長,從單個植物細胞到蜜蜂的繁殖;大自然依靠簡單的規(guī)律來構(gòu)建極其復雜,而且通常很漂亮的構(gòu)造,斐波那契數(shù)列正反映了這一點。直到1993年,斐波那契數(shù)才被科學證明存在于自然界中。

黃金比例

與斐波納契數(shù)列密切相關(guān)的是黃金比例。黃金比例似乎是人類潛意識進行審美過程中識別出的一種模式,這意味著人腦中對于黃金比例非常敏感,復合黃金比例的視覺模式可以激發(fā)人類的審美情緒(某種神經(jīng)和諧狀態(tài))。

黃金比例可以通過在唯一點處劃分線段來得出,在該唯一點處,整條線與最大段的比例與大段與小段的比例相同。如下圖所示。

上圖:黃金比例(a+b):a=a:b。

黃金比率的值約為1.618034。

黃金分割率的基本原理是其數(shù)學特性。它是一個無理數(shù),表示它不能被表示為分數(shù)(例如:0.25是1/4,0.5是1/2,依此類推)。生物生長必須允許無窮細分下去,無理數(shù)是天然的選擇,而為什么選擇黃金比率,則仍然是一個謎,或許是因為這種比例的規(guī)則非常簡單。其它無理數(shù)則很難用一個簡單的規(guī)則來表達。

以向日葵的種子為例。小種子在花的中心產(chǎn)生,然后向外推擠。為了有效地填充空間,每個新種子都以與前一個種子具有一定的偏移角度。隨著這個過程的不斷重復,自然會形成螺旋形的排列。但如果采用一個簡單的分數(shù),那么則種子最終就會成排堆積,在彼此之間留下空隙。或許正是如此植物“使用了”或者說“自然形成”了黃金比例的排列方式。

黃金數(shù)字

如果將斐波納契數(shù)列中的每個數(shù)除以前一個數(shù),則新數(shù)列將收斂于黃金分割率。

  • 1/1 = 1,

  • 2/1 = 2,

  • 3/2 = 1.5,

  • 5/3 = 1.66,

  • 8/5 = 1.6,

  • 13/8 = 1.625,

  • 21/13 = 1.615,

  • 34/21 = 1.619,

  • 55/34 = 1.618

斐波那契數(shù)是黃金比例的整數(shù)近似值,這是它們在自然界如此頻繁出現(xiàn)的原因之一。例如,松果有兩組螺旋鱗片,一個方向上8個,另一個方向上13個,這是兩組連續(xù)的斐波那契數(shù)列。

上圖:黃金矩形

自然界中的斐波那契數(shù)列

植物的葉子的排列方式就是典型的例子:植物的新葉子在莖的頂端旋轉(zhuǎn)生長,各層葉片的數(shù)量就是復合斐波那契數(shù)列規(guī)律的,因為這樣可以確保每片葉子接受最多的陽光并盡可能多捕獲降雨。隨著每片新葉的生長,其角度與下方老葉的角度有所偏移。連續(xù)葉片之間最常見的角度是137.5°,這各角度被稱為黃金角度,它將完整360°度分割為1.618034的黃金比例。

據(jù)估計,所有植物中有90%的葉子排列方式涉及斐波那契數(shù)列。尤其是它們的花朵。

通常的花有三、五或八枚花瓣——全部為斐波那契數(shù)。再如萬壽菊有13枚花瓣,有些紫苑有21枚花瓣;雛菊可以發(fā)現(xiàn)34、55甚至89枚花瓣。

上圖:向日葵內(nèi)部的斐波那契數(shù)列模式。

雖然某些植物花瓣的數(shù)量非常準確,但許多物種花瓣的數(shù)量卻可以變化,但平均值為斐波那契數(shù)列中的數(shù)字。雙斐波那契數(shù)也出現(xiàn)在花朵中;例如六瓣水仙花。當然,該規(guī)則也有例外,例如具有七個花瓣的巖景天。當然,花瓣會隨著植物的生長而脫落,我們討論的是實際生長的情況,不討論脫落后的情況。


自然界中斐波那契數(shù)列的例子


雞蛋

雞蛋的橢圓線條的一大部分就非常契合斐波那契數(shù)列所構(gòu)造的。

羅馬西蘭花

羅馬西蘭花是斐波那契的一個極其完美且明顯例子。每個結(jié)節(jié)都是獨立的斐波那契螺旋。

蘆薈類植物

螺旋蘆薈呈現(xiàn)出非常規(guī)則的斐波那契螺旋。從圖中可以看到每片葉子如何向外螺旋旋轉(zhuǎn)展開。

向日葵

這張照片中的斐波那契螺旋線稍微有些微妙,但你還是能看到螺旋線的模式(人肉智能的模式識別能力是很強的)。

石雛菊

——能識別出螺旋線嗎?

松果

所有松果都呈現(xiàn)出斐波那契數(shù)列的規(guī)律。當從中心向外觀察時,松果上凸出的松子會逐漸變大,顯示出斐波那契螺旋。

豹紋變色龍

豹紋變色龍的尾巴自然卷曲成斐波那契螺旋。(臉我們就不用看了……)

美洲巨人千足蟲

美國巨型千足蟲。斐波那契所構(gòu)成的比例被認為是阻力最小的設計。

穿山甲

斐波那契盔甲=非常安全。穿山甲能夠通過形成斐波那契螺旋來保護其柔軟的腹部。但這么萌這么完美的動物居然被拔掉鱗片做成中藥!無語!中國的穿山甲估計已經(jīng)絕種了!

蕨芽

多數(shù)蕨類植物的芽都有類似的形式,非常清新的螺旋。

蝸牛和指紋

兩者都有明顯的斐波那契螺旋。

人口

有人發(fā)現(xiàn)在非洲,大多數(shù)人口稠密的城市落在或接近螺旋線的軌跡上。(不過個人覺得這像是一個巧合。)

化石

具有斐波那契數(shù)列規(guī)律的菊石化石。您可以看到,隨著殼的增大,斐波那契螺旋形成了,而且這種形狀非常漂亮。

最后,一幅日本名畫也被拿來做斐波那契數(shù)列模式分析。

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