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科學(xué)也跨界，它總以意想不到的方式，無處不在。 看似呆板的數(shù)列中能呈現(xiàn)出炫彩的科學(xué)美感。不信？那就和中國科學(xué)院物理研究所曹則賢老師一起來了解下斐波那契數(shù)列的神奇幻化吧！  自然數(shù)是無窮多的。如果把一些數(shù)字按規(guī)律排成一排，就構(gòu)成了一個數(shù)列。用函數(shù)表示就是數(shù)列 {an}。 如：偶數(shù) ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2，4，6，8…… 奇數(shù) ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1，3，5，7…… 三角數(shù) ? ? ? ? ? ? 1，3，6，10，15…… 素數(shù)（原子） ? ? ? ? ? ?2，3，5，7，11，13，17…… 將數(shù)列的項依次用加號連接起來的函數(shù)就是級數(shù)。由傅里葉級數(shù) （Fourier series）發(fā)展的傅里葉分析技術(shù)是最有力的數(shù)學(xué)、物理工具。別不相信，展開成本征函數(shù)級數(shù)就是量子力學(xué)的基本操作。  人類歷史中，意大利數(shù)學(xué)家斐波那契（Leonardo Fibonacci）是一個天才，年少時隨著父親在北非做生意，學(xué)習(xí)了阿拉伯?dāng)?shù)字。1202年，他撰寫了《Liber Abaci（算書）》一書，向西方傳播印度-阿拉伯的數(shù)字系統(tǒng)。 阿拉伯?dāng)?shù)字體系讓數(shù)學(xué)、物理學(xué)成為可能。數(shù)學(xué)、物理是就用阿拉伯?dāng)?shù)組、拉丁+希臘字母表示的，這是所有想要從事科學(xué)研究的人都必須掌握的一套話語體系！ 在《Liber Abaci（算書）》一書中，斐波那契提出了一個有趣的問題：有一對成年兔子，每隔一個月就生一對小兔子，而小兔子一個月后也成年了加入生小兔子的行列，如果每對兔子都經(jīng)歷這樣的出生、成熟、生育的過程，并且永遠(yuǎn)不死，問N個月后有多少對兔子？我們不妨用樹狀圖展示一下：  用數(shù)列表示為：1， 1， 2， 3， 5， 8， 13， 21， 34， 55， 89， 144…，數(shù)列中的每一項都被稱為斐波那契數(shù)，用符號Fn表示。F（0）=1，F(xiàn)（1）=1， F（n）=F（n - 1）+F（n - 2）（n ≥ 2，n ∈ N）。 這就是著名的斐波那契數(shù)列（Fibonacci數(shù)列），也叫做“兔子數(shù)列”。 雖然很有意思，但是，就這？斐波那契數(shù)列對人類發(fā)展有什么意義？ 每一個數(shù)學(xué)、物理對象后面都有太多我們不知道、或者知道了也理解不了的內(nèi)容。我們理解不了，科學(xué)家們卻能理解。 在數(shù)學(xué)中，楊輝三角形是出現(xiàn)在概率論、組合學(xué)和代數(shù)中的二項式系數(shù)的三角形數(shù)組。斐波那契數(shù)列與楊輝三角形（即，帕斯卡三角形）有關(guān)聯(lián)：楊輝三角形中的對角線之和，是斐波那契數(shù)，如圖所示。  1611年，著名天文學(xué)家開普勒在《Strena seu de Nive Sexangula （六角雪花） 》一書中指出：斐波那契數(shù)列收斂于黃金分割數(shù)：  當(dāng)數(shù)列趨于無窮大時，斐波那契數(shù)列中的數(shù)字之比無限接近黃金分割比，即1.618033987498948482…。 黃金分割數(shù)暗藏玄機。無論是數(shù)學(xué)計算或者物理研究，總會不知道哪里就冷不丁冒出來黃金分割數(shù)。 按斐波那契數(shù)列，取邊長分別為1、1、2、3、5、8、13、21。。。。。。的正方形，以各正方形的一個頂點為圓心畫出四分之一的曲線，再連接所有曲線，最后形成的螺旋線就是下圖所示的“斐波那契螺旋線”。  黃金分割數(shù)是美學(xué)的重要基礎(chǔ)。人們根據(jù)黃金分割數(shù)進行建筑設(shè)計、藝術(shù)雕塑。從古至今，許多神秘建筑都遵循著黃金分割的規(guī)律，比如金字塔的斜面三角形高與底面半邊長之比。美神維納斯雕塑就是黃金分割數(shù)的完美展示。藝術(shù)家不用太懂?dāng)?shù)學(xué)，但不懂黃金分割數(shù)就成不了合格的藝術(shù)家。  人們在各個領(lǐng)域都發(fā)現(xiàn)了斐波那契數(shù)列。生活中最典型的斐波那契數(shù)列應(yīng)用是在植物學(xué)中。人類在觀察大自然時發(fā)現(xiàn)：樹木生長的過程中會長出分枝，如果我們從下到上去數(shù)分枝的個數(shù)，就會發(fā)現(xiàn)依次是1、1、2、3、5、8、13…，剛好是斐波那契數(shù)列。大自然的花朵各有各的美麗，但幾乎每朵花瓣的總數(shù)都會選擇斐波那契數(shù)列的數(shù)字：3，5，8，13…… 植物學(xué)中的葉序也完全符合斐波那契數(shù)列。葉序?qū)W就是一門研究植物上的植物學(xué)單元（器官）排列的學(xué)問。植物的葉子排列呈螺旋式向上，不同植物的葉序周均呈現(xiàn)斐波那契數(shù)列的排列規(guī)律。  植物學(xué)中，斐波那契斜列螺旋也十分常見。斐波那契斜列螺旋既可以看作一組逆時針螺旋，也可以看作是一組順時針螺線，這兩種情形下的螺旋數(shù)目是斐波那契數(shù)列中的相鄰兩數(shù)。我們熟悉的向日葵花盤、松果種子、菠蘿上的鱗片都完美符合這一特性。 有科學(xué)家推測，斐波那契斜列螺旋是圓錐面上全同單元的密堆積，這樣有利于植物種子堆積、繁衍后代。所以，大自然中蘊含著無窮的奧秘，要學(xué)會用數(shù)學(xué)、物理的眼光去看她。洞察自然的奧秘，是人類對自然的禮贊。  800多年過去了，神奇的斐波那契數(shù)列不斷被人類驗證，更被廣泛運用到了計算機、物理、化學(xué)等領(lǐng)域，讓這個古老的數(shù)列煥發(fā)了新的青春。 計算機編程中，在很多C語言教科書中講到遞歸函數(shù)的時候，都會用斐波那契數(shù)列作為例子。斐波那契數(shù)列還被納入到了從小學(xué)到大學(xué)各個階段的數(shù)學(xué)課程。 現(xiàn)代物理學(xué)中，依據(jù)斐波那契數(shù)列，可以計算出黃金分割數(shù)、白銀分割數(shù)、白金分割數(shù)的三維物理空間的準(zhǔn)周期。量子力學(xué)中，兩粒子糾纏態(tài)、量子臨界點研究也離不開斐波那契數(shù)列。 化學(xué)領(lǐng)域，無機材料用應(yīng)力工程再現(xiàn)了斐波那契數(shù)列斜列螺旋的奧妙。斐波那契數(shù)列還被廣泛運用到了股市中，用以揭示股票漲落的奧秘…… 由中國下一代教育基金會，深圳市平安公益基金會，科技日報社聯(lián)合策劃出品的“神奇的Fibonacci數(shù)列”系列科普視頻，旨在引導(dǎo)青少年于大自然中探尋數(shù)學(xué)之美，于學(xué)科知識中培養(yǎng)科學(xué)精神，激發(fā)青少年的科學(xué)探究意識和創(chuàng)新精神。 |
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