为什么斐波那契数列在自然界中如此普遍?

由:罗伯特·兰姆Jesslyn盾牌|
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斐波那契数列漂浮在我们的螺旋星系——银河系下面的大西洋海岸线上。shaunl /盖蒂图片社

宇宙中是否存在一个神奇的方程式?也许不是,但有一些我们在自然界中反复发现的非常常见的。以斐波那契数列为例,斐波那契数列是一系列数字和相应的比率,反映了自然界中发现的各种模式,从松果种子的漩涡到鹦鹉螺壳的曲线,再到飓风的扭曲。

人类可能在几千年前就知道这个数字序列了——它可以在古梵文文本中找到——但在现代,我们把它与一个中世纪男人对兔子的痴迷联系在一起。

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1202年,意大利数学家莱昂纳多·皮萨诺(又名莱昂纳多·皮萨诺)斐波那契(意为“波纳奇之子”)想知道一组父母能生出多少只兔子。18新利最新登入更具体地说,他提出了一个问题:在最佳条件下,一对兔子在一年内可以繁殖出多少对兔子?18新利最新登入这个思想实验表明,雌性兔子总是生一对,每一对由一只雄性和一只雌性组成[来源:Ghose用]。

想想看:两只刚出生的兔子被放在一个有围栏的院子里,让它们像兔子一样繁殖。兔子至少要到1个月大的时候才能生育后代,所以在第一个月里,只剩下一对。在第二个月的月底,雌性生下一对新的,总共留下两对。当第三个月到来时,原来的一对兔子又生了一对新生儿,而它们早期的后代则长大成人。这样就剩下三对兔子,其中两对将在下个月再生两对,总共是五对兔子。

第一个斐波那契数是这样的:0、1、1、2、3、5、8、13、21、34、55、89、144,一直到无穷大。描述它的方程是这样的:Xn+2= Xn+1 + Xn。基本上,每个整数都是前两个数字的和。这个无穷和的集合被称为斐波纳契数列或者是斐波那契序列.斐波那契数列中数字之间的比值(1.6180339887498948482…)通常被称为斐波那契数列黄金比例金数.连续斐波那契数的比率接近黄金比例,因为数字接近无穷大。

想看看这些迷人的数字在自18新利最新登入然界中是如何表达的吗?不需要去当地的宠物店;你所要做的就是看看你周围。

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自然界的黄金比例

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好好看看这个罗马花椰菜。它的螺旋遵循斐波那契数列。图omas A. Lehtinen/盖蒂图片社

虽然一些植物的种子、花瓣和树枝等遵循斐波那契数列,但它肯定不能反映自然界中所有事物的生长方式。18新利最新登入仅仅因为一系列数字可以应用于各种各样的物体,这并不一定意味着数字和现实之间有任何关联。就像数字迷信一样名人三人一组死去有时候,巧合只是巧合。

但是,尽管有些人会说尽管斐波那契数列在自然界中的普遍程度被夸大了,但它们出现的频率足以证明它们反映了一些自然发生的模式。你可以通过研究各种植物的生长方式来发现它们。下面是一些例子:

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种子头,松果,水果和蔬菜:看看向日葵中间排列的种子,你会注意到它们左右弯曲的螺旋图案。令人惊讶的是,如果你计算这些螺旋,你的总数将是一个斐波那契数。将螺旋分为那些指向左边和右边,你会得到两个连续的斐波那契数。你可以破译松果、菠萝和花椰菜的螺旋图案,这些图案也反映了斐波那契数列[来源:诺特]。

花和树枝:有些植物在它们的结构中表达斐波那契数列增长点也就是树枝形成或分叉的地方。一根树干会长出分支,产生两个生长点。主干然后产生另一个分支,从而产生三个生长点。然后树干和第一个分支又产生两个生长点,使总数达到五个。这种模式继续,遵循斐波那契数。此外,如果你数一朵花上的花瓣数量,你经常会发现总数是斐波那契数列中的一个数字。例如,百合和鸢尾花有三个花瓣,毛茛和野玫瑰有五个花瓣,飞燕草有八个花瓣,等等。

蜜蜂:一个蜜蜂蜂群由一只蜂王,几只雄蜂和许多工蜂组成。雌蜂(蜂王和工蜂)有两个父母:雄蜂和蜂王。另一方面,雄蜂是从未受精卵中孵化出来的。这意味着它们只有一个父母。因此,斐波那契数列表达了一个无人机的家谱,他有一个父母,两个祖父母,三个曾祖父母等等[来源:诺特]。

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斐波那契螺旋,也被称为黄金螺旋,是黄金比例的视觉表达。在上面的插图中,壳的生长区域以一种有趣的正方形模式绘制出来,只使用斐波那契数。如果最小的两个正方形的宽和高为1,那么下面的方框的尺寸为2。其他方框表示斐波那契数列中的平方数
José米格尔Hernández/盖蒂图片

风暴:风暴系统飓风龙卷风通常遵循斐波那契数列。下次你在天气雷达上看到飓风盘旋时,看看屏幕上云螺旋的斐波那契比例。

人体请看一下镜子里的自己。你会注意到你身体的大部分部位都遵循数字1、2、3和5。你有一个鼻子,两个眼睛每条四肢各有3节,每只手有5根手指。人体的比例和尺寸也可以根据黄金比例进行划分。DNA分子按照这个顺序排列,每一个完整的双螺旋循环长度为34埃,宽度为21埃。

为什么如此多的自然模式反映斐波那契数列?科学家们已经思考这个问题几个世纪了。在某些情况下,这种相关性可能只是巧合。在其他情况下,这个比例之所以存在,是因为这种特定的增长模式是最有效的。在植物中,这可能意味着最大限度的暴露饥饿的叶子或最大限度的种子排列。

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关于斐波那契数列的误解

虽然专家们一致认为斐波那契数列在自然界中很常见,但对于斐波那契数列是否在艺术和建筑中表达却没有那么一致的意见。虽然有些书说大金字塔和帕台农神庙(以及一些列奥纳多·达·芬奇的画作)是用黄金比例设计的,但经过测试后,发现事实并非如此[来源:Markowsky]。

数学家George Markowsky指出帕台农神庙和大金字塔都有不符合黄金分割比例的部分,这些部分被那些决心证明黄金分割比例存在于万物的人遗漏了。“中庸之道”一词在古代被用来指避免朝任何方向接近的东西,有些人把中庸之道与黄金分割率混为一谈,黄金分割率是一个出现在19世纪的较新的术语。

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最初发表于2008年6月24日

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  • 安德森,马特等人。“斐波那契数列。”1999.(2008年6月14日)http://library.thinkquest.org/27890/mainIndex.html
  • “斐波那契数。”《大英百科全书》2008。(2008年6月14日)http://www.britannica.com/eb/article-9034168/Fibonacci-numbers
  • 《自然界中的斐波那契数》世界未解之谜。(2008年6月14日)http://www.world-mysteries.com/sci_17.htm
  • 考德威尔,克里斯。“斐波那契数。”前20名。(2008年6月14日)http://primes.utm.edu/top20/page.php?id=39
  • Ghose用,Tia。“斐波那契数列是什么?”2018年10月24日(2021年8月31日)https://www.livescience.com/37470-fibonacci-sequence.html
  • 谷物,斯坦。"隐藏结构和斐波那契数学"StanGrist.com。2001.(2008年6月14日)http://www.stangrist.com/fibonacci.htm
  • 诺特,罗恩。《自然界中的斐波那契数》罗恩·诺特的数学网页。2008年3月28日。(2008年6月14日)http://www.mcs.surrey.ac.uk/Personal/R.Knott/Fibonacci/fibnat.html
  • Markowsky,乔治。“关于黄金比例的误解。”《大学数学学报》第23卷第1期。1992年1月,。(2021年8月31日)https://www.goldennumber.net/wp-content/uploads/George-Markowsky-Golden-Ratio-Misconceptions-MAA.pdf
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