斐波那契数列在自然界是如何表达的?

由:罗伯特·兰姆Jesslyn盾牌|

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斐波那契数列漂浮在大西洋海岸线上,在我们的家乡银河系下方,向南移动。shaunl /盖蒂图片社

宇宙是否存在一个神奇的方程式?可能不是,但有一些非常常见的,我们在自然界中发现了一次又一次。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。

人类可能已经知道这个数字序列上千年了——可以在古梵语文本中找到——但在现代,我们把它与一个中世纪人的痴迷联系在一起兔子

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1202年,意大利数学家Leonardo Pisano(又名斐波那契(意思是“Bonacci之子”)思考了一个问题:在最优条件下,一对兔子一年能生产多少对兔子?这个思想实验表明,雌性兔子总是生产成对的兔子,每对兔子由一个雄性和一个雌性组成[来源:Ghose用].

想想看:两只刚出生的兔子被放在一个用篱笆围起来的院子里,让它们像兔子一样繁殖。兔子至少要到一个月大才能繁殖,所以第一个月只剩下一对。第二个月结束时,母兔生下了孩子,留下了两对兔子。当第三个月到来时,原来的一对兔子又生出了一对新生儿,而它们早期的后代则长大成人。这样就剩下三对兔子,其中的两对在下个月产下另外两对。

顺序是这样的1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89 144,直到无穷。描述它的方程是这样的:Xn+2= Xn+1 + Xn,基本上,数字是前两者的和。这一系列的数字被称为斐波纳契数或者是斐波那契序列.斐波那契数列(1.6180339887498948482…)中数之间的比率经常被称为黄金比例金数

想知道这些迷人的数字在自然界是如何表达的吗?不需要去当地的宠物店;你要做的就是环顾四周。

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自然中的黄金比例

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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。Tuomas 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。仅仅因为一系列数字可以应用到一个物体上,并不一定意味着数字和现实之间有任何关联。就像数字命理迷信一样三个名人一组死去有时候,巧合就是巧合。

但是,尽管有人会说斐波那契数列在自然界的流行程度被夸大了,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。你通常可以通过研究不同植物的生长方式来发现这些。以下是一些例子:

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种子穗、松果、水果和蔬菜:看看向日葵中心的种子阵列,你会注意到看起来像是左右弯曲的螺旋图案。令人惊讶的是,如果你数这些螺旋,总数将是一个斐波那契数。把这些螺旋分成左右两个尖,你会得到两个连续的斐波那契数。你可以用这种方式解读松果、菠萝和花椰菜中的螺旋图案,它们也反映了斐波那契数列[来源:诺特].

鲜花和分支:有些植物在其体内表达斐波那契序列增长点也就是树枝形成或分叉的地方。一个树干一直长到产生一个分枝,形成两个生长点。主干产生另一个分支,形成三个生长点。然后树干和第一个树枝又产生两个生长点,使总生长点达到五个。这个模式继续,跟随斐波那契数列。此外,如果你数一朵花的花瓣数,你通常会发现总数是斐波那契数列中的一个数字。例如,百合和蝴蝶花有三个花瓣,毛茛和野玫瑰有五个花瓣,飞燕草有八个花瓣,等等。

蜜蜂:一个蜜蜂蚁群由一只蚁后、几只雄蜂和许多工蜂组成。雌蜂(蜂后和工蜂)都有两个父母,雄蜂和蜂后。另一方面,雄蜂是从未受精卵孵化出来的。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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黄金比例是用螺旋贝壳表示的。在上面的插图中,贝壳的生长区域用正方形标出。如果两个最小的正方形的宽和高是1,那么下面的方框的尺寸是2。其他的盒子分别是3,5,8,13,21等等。
José Miguel Hernández/Getty Images

风暴飓风和龙卷风等风暴系统通常遵循斐波那契数列。下次当你在天气雷达上看到飓风盘旋时,请查看屏幕上云层螺旋的准确无误的斐波那契比例。

人类的身体:好好看看镜子里的自己。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,两个眼睛每只手有五个手指。人体的比例和尺寸也可以用黄金比例来划分。DNA分子遵循这个顺序,双螺旋的每一个完整周期长34埃,宽21埃。

为什么有这么多的自然模式反映斐波那契数列?几个世纪以来,科学家们一直在思考这个问题。在某些情况下,这种相关性可能只是巧合。在其他情况下,这个比率之所以存在,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的种子排列。

而斐波那契数列是否在艺术和建筑中表达,则不太一致。虽然有些书说大金字塔和帕台农神庙(以及列奥纳多·达·芬奇的一些画作)是用黄金比例设计的,但经过测试,发现这不是真的[来源:Markowsky].

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最初发布日期:2008年6月24日

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  • 安德森,马特等。“斐波纳契数列”。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。”前二十。(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。《隐藏结构与斐波那契数学》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。“对黄金分割的误解。”《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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