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奧數(shù)網(wǎng)分享:斐波那契數(shù)列的若干表現(xiàn)

來(lái)源:大連奧數(shù)網(wǎng)整理 2011-10-26 09:44:33

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  中世紀(jì)最有才華的數(shù)學(xué)家斐波那契(1175年~1259年)出生在意大利比薩市的一個(gè)商人家庭。因父親在阿爾及利亞經(jīng)商,因此幼年在阿爾及利亞學(xué)習(xí),學(xué)到了不少當(dāng)時(shí)尚未流傳到歐洲的阿拉伯?dāng)?shù)學(xué)。成年以后,他繼承父業(yè)從事商業(yè),走遍了埃及、希臘、敘利亞、印度、法國(guó)和意大利的西西里島。

  斐波那契是一位很有才能的人,并且特別擅長(zhǎng)于數(shù)學(xué)研究。他發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)阿拉伯?dāng)?shù)學(xué)要比歐洲大陸發(fā)達(dá),有利于推動(dòng)歐洲大數(shù)學(xué)的發(fā)展。他在其他國(guó)家和地區(qū)經(jīng)商的同時(shí),特別注意搜集當(dāng)?shù)氐乃阈g(shù)、代數(shù)和幾何的資料;貒(guó)后,便將這些資料加以研究和整理,編成《算經(jīng)》(1202年,或叫《算盤(pán)書(shū)》)!端憬(jīng)》的出版,使他成為一個(gè)聞名歐洲的數(shù)學(xué)家。繼《算經(jīng)》之后,他又完成了《幾何實(shí)習(xí)》(1220年)和《四藝經(jīng)》(1225年)兩部著作。

  《算經(jīng)》在當(dāng)時(shí)的影響是相當(dāng)巨大的。這是一部由阿拉伯文和希臘文的材料編譯成拉丁文的數(shù)學(xué)著作,當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是歐洲人寫(xiě)的一部偉大的數(shù)學(xué)著作,在兩個(gè)多世紀(jì)中一直被奉為經(jīng)典著作。

  在當(dāng)時(shí)的歐洲,雖然多少知道一些阿拉伯記數(shù)法和印度算法,但僅僅局限在修道院內(nèi),一般的人還只是用羅馬數(shù)學(xué)記數(shù)法而盡量避免用“零”。斐波那契的《算經(jīng)》,介紹了阿拉伯記數(shù)法和印度人對(duì)整數(shù)、分?jǐn)?shù)、平方根、立方根的運(yùn)算方法,在歐洲大陸產(chǎn)生了極大的影響,并且改變了當(dāng)時(shí)數(shù)學(xué)的面貌。他在這本書(shū)的序言中寫(xiě)道:“我把自己的一些方法和歐幾里得幾何學(xué)中的某些微妙的技巧加到印度的方法中去,于是決定寫(xiě)現(xiàn)在這本15章的書(shū),使拉丁族人對(duì)這些東西不會(huì)那么生疏。”

  在斐波那契的《算經(jīng)》中,記載著大量的代數(shù)問(wèn)題及其解答,對(duì)于各種解法都進(jìn)行了嚴(yán)格的證明。下面是書(shū)中記載的一個(gè)有趣的問(wèn)題:

  [例1]有個(gè)人想知道,一年之內(nèi)一對(duì)兔子能繁殖多少對(duì)?于是就筑了一道圍墻把一對(duì)兔子關(guān)在里面。已知一對(duì)兔子每個(gè)月可以生一對(duì)小兔子,而一對(duì)兔子出生后在第二個(gè)月就開(kāi)始生小兔子。假如一年內(nèi)沒(méi)有發(fā)生死亡現(xiàn)象,那么,一對(duì)兔子一年內(nèi)能繁殖成多少對(duì)?

  現(xiàn)在我們先來(lái)找出兔子的繁殖規(guī)律,在第一個(gè)月,有一對(duì)成年兔子,第二個(gè)月它們生下一對(duì)小兔,因此有二對(duì)兔子,一對(duì)成年,一對(duì)未成年;到第三個(gè)月,第一對(duì)兔子生下一對(duì)小兔,第二對(duì)已成年,因此有三對(duì)兔子,二對(duì)成年,一對(duì)未成年。月月如此。

  第1個(gè)月到第6個(gè)月兔子的對(duì)數(shù)是:

  1,2,3,5,8,13。

  我們不難發(fā)現(xiàn),上面這組數(shù)有這樣一個(gè)規(guī)律:即從第3個(gè)數(shù)起,每一個(gè)數(shù)都是前面兩個(gè)數(shù)的和。若繼續(xù)按這規(guī)律寫(xiě)下去,一直寫(xiě)到第12個(gè)數(shù),就得:

  1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144,233。

  顯然,第12個(gè)數(shù)就是一年內(nèi)兔子的總對(duì)數(shù)。所以一年內(nèi)1對(duì)兔子能繁殖成233對(duì)。

  在解決這個(gè)有趣的代數(shù)問(wèn)題過(guò)程中,斐波那契得到了一個(gè)數(shù)列。人們?yōu)榧o(jì)念他這一發(fā)現(xiàn),在這個(gè)數(shù)列前面增加一項(xiàng)“1”后得到數(shù)列:

  1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,……叫做“斐波那契數(shù)列”,這個(gè)數(shù)列的任意一項(xiàng)都叫做“斐波那契數(shù)”。后來(lái),在一些小學(xué)刊物也把這個(gè)數(shù)列形象的稱(chēng)為“兔子數(shù)列”。

  在美國(guó)《科學(xué)美國(guó)人》雜志上曾刊登過(guò)一則有趣的故事:

  斐波那契數(shù)列在實(shí)際生活中有非常廣泛而有趣的應(yīng)用。除了動(dòng)物繁殖外,植物的生長(zhǎng)也與斐波那契數(shù)有關(guān)。數(shù)學(xué)家澤林斯基在一次國(guó)際性的數(shù)學(xué)會(huì)議上提出樹(shù)生長(zhǎng)的問(wèn)題:如果一棵樹(shù)苗在一年以后長(zhǎng)出一條新枝,然后休息一年。再在下一年又長(zhǎng)出一條新枝,并且每一條樹(shù)枝都按照這個(gè)規(guī)律長(zhǎng)出新枝。那么,第1年它只有主干,第2年有兩枝,第3年就有3枝,然后是5枝、8枝、13枝等等,每年的分枝數(shù)正好是斐波那契數(shù)。

  生物學(xué)中所謂的“魯?shù)戮S格定律”,也就是斐波那契數(shù)列在植物學(xué)中的應(yīng)用。

  下面這些例子,都落實(shí)到與小升初有關(guān)的考題中了。題目的面目各不相同,但最后都露出斐波那契數(shù)列的真面目。

  [例2]圖1是一個(gè)樹(shù)形圖的生長(zhǎng)過(guò)程,依據(jù)圖中所示的生長(zhǎng)規(guī)律,第16行的實(shí)心圓點(diǎn)的個(gè)數(shù)是.

  分析與解:有些題目只是表達(dá)的形式不一樣,其實(shí)只要透過(guò)現(xiàn)象抓住本質(zhì),不同的表達(dá)形式,所要揭示的問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是一樣的。

  這一題的實(shí)質(zhì)是上面提到的生長(zhǎng)樹(shù),是非常有名的斐波那契數(shù)列。

  從圖上很容易看出從第一行開(kāi)始,實(shí)心圓點(diǎn)的數(shù)量是這樣排列的:0,1,1,2,3,5……

  對(duì)于每一個(gè)空心圓點(diǎn)它到下一行只生出一個(gè)實(shí)心圓點(diǎn),而對(duì)于每一個(gè)實(shí)心圓點(diǎn)它到下一行可生出一空一實(shí)兩個(gè)點(diǎn)。到第六行時(shí)我們可看出這一行的五個(gè)實(shí)心圓點(diǎn)到下一行必定能生出5個(gè)實(shí)心圓點(diǎn)另五個(gè)是空心圓點(diǎn),另外三個(gè)空心圓點(diǎn)還能生出三個(gè)實(shí)心圓點(diǎn),因此下一行為5+3=8個(gè)實(shí)心圓點(diǎn),同理下一行的實(shí)心圓點(diǎn)數(shù)為本行的所有實(shí)心加所有空心圓點(diǎn)數(shù),為8+5=13……不用多說(shuō),這實(shí)際有一個(gè)非常明顯的規(guī)律:也就是這一列數(shù)從第三個(gè)數(shù)起任一行的實(shí)心圓點(diǎn)個(gè)數(shù)都等于它前兩行個(gè)數(shù)的和。因此結(jié)果很快可推知:0,1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144,233,377,610。第16行的實(shí)心圓點(diǎn)個(gè)數(shù)為610。

  另外空心圓點(diǎn)的數(shù)目其實(shí)也是有一定規(guī)律的,可以列出來(lái)看一下:1,0,1,1,2,3,5,8……你能發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律嗎?那么第16行空心圓點(diǎn)的個(gè)數(shù)又是多少呢?

  [例3]一個(gè)樓梯共有10級(jí)臺(tái)階,規(guī)定每步可以邁一級(jí)臺(tái)階或二級(jí)臺(tái)階,最多可以邁三級(jí)臺(tái)階。從地面到最上面一級(jí)臺(tái)階,一共可以有多少種不同的走法?(華校思維導(dǎo)引計(jì)數(shù)綜合二)

  分析與解:這道題同樣可以用找規(guī)律的方法,我們可以先看只有1級(jí)臺(tái)階的情況開(kāi)始:

  一級(jí)臺(tái)階,有:1種;

  2級(jí)臺(tái)階,有:1、1,2,共兩種;

  3級(jí)臺(tái)階,可以有:1、1、1,1、2,2、1,3,共4種走法;

  4級(jí)臺(tái)階時(shí),有:1、1、1、1,1、1、2,1、2、1,2、1、1,2、2,1、3,3、1,共7=4+2+1種;

  5級(jí)臺(tái)階時(shí),有:1、1、1、1、1,1、1、1、2,1、1、2、1,1、2、1、1,2、1、1、1,1、2、2,2、1、2,2、2、1,1、1、3,1、3、1,3、1、1,2、3,3、2,共13=7+4+2種;

  6級(jí)臺(tái)階時(shí),得到24=13+7+4種;

  即:n級(jí)臺(tái)階時(shí),所有的走法種數(shù)是它的前三種走法的和。

  由此得到,10級(jí)臺(tái)階時(shí)為274種。

  另外,還可用加法原理倒推,也比較重要。想上第10級(jí)臺(tái)階,根據(jù)題意,完成這件事情的方法可分為三類(lèi):一是從第9級(jí)臺(tái)階跨一步上去,二是從第8級(jí)臺(tái)階跨兩步上去,三是從第7級(jí)臺(tái)階跨三步上去,這三類(lèi)中每一類(lèi)方法都能完成“上第十級(jí)臺(tái)階”這一任務(wù),具有典型的加法原理特征。以此類(lèi)推,那么只要前三個(gè)臺(tái)階數(shù)的答案,后面的逐漸加上去就可以了。

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