科学粽子系列海报中的斐波那契数列

作者: 大琳砸

来源: 果壳少年

发布日期: 2018-06-16

文章讨论了科学粽子系列海报中的错误,并深入介绍了斐波那契数列及其在数学、自然界和美学中的应用。

昨天我们发布了“科学粽子系列海报”,大家都开开心心领了自己的专属粽子回家过节了,本该是件喜大普奔的事。还没领的快去后台领吧!但是万万没想到,几分钟以后就有火眼金睛的读者找出了bug。桥豆麻袋?好像真的画错了?那正确的粽子应该是什么样子呢?要回答这个问题,我们还要从斐波那契数列说起。看了下面的文章,你就知道该怎么画了。

史上最著名的一道兔子数学题是这样的:上帝从伊甸园抓起一把土捏成兔子亚当,又抽他一根肋骨变作兔子夏娃。他们都有不死之躯,自由自在终日玩耍。由于太贪玩,二人从第二月开始每月生下兄妹一双。兄妹本着肥水不流外人田的精神,同样自二月大时生小兄妹一双并以每月2只的进度继续下去,小兄妹继续小小兄妹,然后小小生小小小,小小小再小小小小……这是一道天堂里的题,一切情况理想化,所以夫妻从来没有外遇。

一年之后伊甸园里统共有几对兔子呢?算法是,新一月兔子总数=上月总数+上上月总数(因为每个月只有辈份最小的兄妹不生育,年长的则两只生两只,数量翻倍)。于是按月排列,兔子对的数量是:0,1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89……后一项总是前两项之和。

如果我说的不明白,当然也可以画图求解:图片来源:cdstm.cn。这道题目的出题者,就是“中世纪最天才的数学家”斐波那契(Fibonacci)。虽为天才,但惧怕老爸,该本性成为他的标签永世流传(Fibonacci意为Bonacci的儿子);“兔子问题”正是身为商人的老爸留给他的一道作业。

“0,1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144,233,377,610,987……”被称为斐波那契数列,这个数列从第3项开始,每一项都等于前两项之和。

这位数学家更通俗的一项成就是将阿拉伯数字引入欧洲,于是当中国人写下“叁万捌仟肆佰陆拾壹加玖千贰佰伍拾柒等于肆万柒仟柒佰壹拾捌”时,欧洲人已将晕头转向的“xxxvMMMCDLX+MxCCLVII=xlvMMDCCXVIII”打入冷宫,转以“38461+9257=47718”代之。

言归正传,只有数学家才会因为一串产地伊甸园、毫无生产力价值的数兴奋不已。

若真如此简单,斐波那契数列也不能纠缠世人800年。让我们先看动物界“疑难杂症”最多的小蜜蜂家族。除了一只蜂皇,所有劳动人民都是雌性,为双亲所生;雄蜂却是孤雌生殖的产物,是没有爹的短命仔。如下图所示,我们用拿一柄矛的“战神”表示雄性,用梳妆镜符号表示雌性,顺藤摸瓜地把二者祖宗八代都列出来。

雄性的上辈、上上辈、上上上辈、上上上上辈祖宗数目分别为1个,2个,3,5,8,13;雌性的则为2,3,5,8,13……于是斐波那契数列显灵了。

如果连蜜蜂一例你都嫌太过“数学”,下边的例子保准属于美学范畴。

首先让我们以“斐波那契数”为边长画出一组正方形(下图右上),由于数列中每个数都是前二项之和,所以不论你停止在哪个斐波纳契数,这些正方形都恰能转着圈地码成一个严丝合缝的“斐波那契矩形”;再连接每个正方形的对角画出四分之一圆周(下图右下红线)——螺壳就这样诞生了(下图左)!绝妙的是,图中这颗螺壳卷了快三圈,最后两段圆弧的半径比55/89已经非常接近黄金分割的数值0.618。

你可以除除看——实际上斐波那契数列越向远方伸展,相邻两数之比则离它越近,这道理正好像追求完美的道路“永无止境”。如果你数学再好一点,懂得勾股定理,请挑战图上两条相交的蓝线,你能看出来吗,这两条蓝线之比也总为黄金分割0.618。这颗螺,比划比划衣壳上的线段,它无法参透自己为什么在这一刻被斐波那契数列灵魂附体,也不明白自己怎么长出这么多黄金分割,但它仍然美得不行。

随处可见的斐波那契螺旋线。

如果你细心观察,斐波那契螺旋线其实在生活中随处可见。一头向日葵,中心的瓜子一律排成两组螺旋(如白色所示)。虽然螺旋的数目会因头大头小而变换多少,但它们总是连续的两个斐波那契数。这里的两个螺旋数目分别为34和55,它们也是相邻的两个斐波那契数。可惜小时候从向日葵上扣瓜子的经历,既没有变作大脑里的数学,也没有变成眼里的美,倒是化作了门牙上那个豁口。

用同样方式体现斐波那契数列的还有如下“菜市场系列”,你总是能在这些圆鼓鼓的表面上发现顺反两组螺旋。所以,每当进入菜市场,你其实已经卷入了一场斐波那契狂舞。井井有条的习惯固然不可多得,但是人乱七八糟同样可以活得很好;至于植物何以固执地摒弃无序、通过上万年突变的积累进化出一张完美的数学脸,我只能叹一句“神奇”作为回应。

编辑:大琳砸。一个知错就改的AI:所以我们的海报已经更正了,快去果壳少年后台回复“粽子”,看看斐波那契螺线粽长啥样吧!

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