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數(shù)學之美:花朵中的斐波那契數(shù)列

數(shù)學之美:花朵中的斐波那契數(shù)列

2015-06-24 善科網(wǎng)

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人們在欣賞大自然美麗的景色的時候,往往會被花朵的美麗的顏色和形狀吸引住,但這些花的美妙不僅于此,而且還蘊藏著美妙的數(shù)學特性——斐波那契數(shù)列。


1紫色金光菊(又稱紫錐花)


拍攝人:Mack Hall


自然界鬼斧神工:隨意的幾朵白云,溪水水中渾圓的鵝卵石,或海中白色的浪花等等。多數(shù)情況下,看似毫無規(guī)律而言-好比野地里花花草草一樣雜亂無章-但有些特卻如花頭按序排列的種子一樣有序可循。自然界和數(shù)學的完美結(jié)合,讓我們驚嘆之余不得不感慨自然界布局竟然完全符合數(shù)學領(lǐng)域嚴格的要求。

在此探討的是自然界中的斐波納契數(shù)列,借助一些花朵圖片開始研究之旅。這些看似平淡無奇的花朵如何一轉(zhuǎn)眼成為令人嘆為觀止的藝術(shù)品。


2瓢蟲毫不關(guān)心尖尖的紫錐花頭。而是被排列如此整齊的景象深深吸引


拍攝人: Daaynos


中世紀數(shù)學家比薩的萊昂納多(公元1170-1250年)發(fā)現(xiàn)了斐波納契數(shù)列(拼寫構(gòu)成為fib-on-arch-ee)?!办巢{契”是拉丁語“弗立維.波納切”的縮寫,含義是“Bonaccio之子”,其父親名為Guglielmo Bonaccio。


3令人想起斐波那契數(shù)列的花


拍攝人:Daaynos


自于意大利比薩市的萊昂納多,其父Guglielmo是一名海關(guān)官員,工作地點就是今天阿爾及利亞的貝賈亞省。北非留學期間,常常與地中海附近的商旅打交道,萊昂納多青年時就熟知算數(shù)及阿拉伯數(shù)字系統(tǒng)。他發(fā)現(xiàn)阿拉伯數(shù)字0-9遠比常用的羅馬數(shù)字(I, V, X等等)更高級、更好用。


4業(yè)余植物學家眼中普普通通的綠芯雛菊


拍攝人:Rohit Sood


斐波納契如此喜愛數(shù)字系統(tǒng),于是開始在整個歐洲推廣數(shù)字系統(tǒng),并著書立說,1202年,他的著作公開出版。其著作《算盤書》(或者叫《計算之書》)被當時的歐洲同行和后輩數(shù)學家稱作是推進”新的“十進制系統(tǒng)的開山之作。


5像牙齒一樣潔白的白菊花花瓣


拍攝人: Solidskorpion


這些歷史和這些美輪美奐的花朵圖片有什么聯(lián)系呢?請耐心一點!馬上,就給您揭曉答案。

《算盤書》第12章,斐波納契記錄了一組另后人十分著迷的數(shù)字序列。舉了一個普普通通的例子,一對兔子繁衍后代,子又生孫,孫又生子。一個月后,最早的一對兔子,兩個月后,兩對兔子 (1+1), 三個月后,3對兔子(2+1,記得嗎,最早的一對還可以生小兔子);以此類推,下一個月就有5對兔子(3+2),如此循環(huán)往復(fù)下去就是斐波納契數(shù)列。


6美麗的桔黃色麥稈菊


拍攝人:Jan Kelly 01


斐波納契可能不是這個數(shù)列的發(fā)明人:當時的他應(yīng)該更熱衷于推廣算數(shù)的演講,也許是他從其它人口中得知了"兔子問題"。但的確是他,把這問題推廣并普及,更重要的是,他用數(shù)字列出了這一系列數(shù)字序列。


7金色麥稈菊的花瓣及中心的布局都符合斐波納契數(shù)列的要求


拍攝人:Stefan Jansson


這個數(shù)列中的每個數(shù)字都是其前面相鄰兩個數(shù)字之和而得出,如(0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89), 風靡整個歐洲。但一直沒有命名,直到19世紀,法國數(shù)學家愛都華.盧卡斯為了紀念斐波納契的貢獻,將該數(shù)列命名為“斐波納契數(shù)列”。


8葵花!多數(shù)人愛它鮮艷的外表,花頭上小花的排列常被用作自然界斐波納契數(shù)列的最佳例證。


拍攝人:Luca Postpischl


葵花上的按照螺旋形狀排列的小花。這些小花的排列和外側(cè)花瓣的排列方式完全符合斐波納契數(shù)列的要求,讓人不得不驚嘆自然的神奇造化。不久前的1979年,研究人員H. Vogel 建議將該小花或葵花籽的布局作為標準數(shù)學模型。


9按照斐波納契螺旋排列的洋甘菊


拍攝人:Alvesgaspar


黃色的洋甘菊(實質(zhì)也是菊科的一種)花頭的小花排列布局也遵循斐波納契螺旋要求。21個深藍色螺旋和13個寶石綠螺旋。想起什么了?13和21也屬于斐波納契數(shù)列。有趣吧。


10美麗聚焦:葵花籽的神奇螺旋排列


拍攝人:Gopan G. Nair


回想向日葵,全部種子緊湊地排列于花盤之中,保證每個種子都按照適當?shù)慕嵌壬L且大小基本一致,卻又疏密得當。同時,螺旋的數(shù)量(和之前黃色的洋甘菊一樣)也是屬于斐波納契序列中的數(shù)字。世界真奇妙,不是嗎?卻又如此井然有序。


11有著寶石紅花心的金花菊


拍攝人:karen and mc


觀察美麗的金花菊圖片,你一定被它的勻稱的排列所吸引-這就是我們要講到的比例。我們知道,花頭內(nèi)小花的排列形式并非雜亂無章,葵花的花頭內(nèi)的小花是按照一定的數(shù)列進行排列的。此外,螺旋也遵循斐波納契數(shù)列要求,按一定比例排列。不同植物比例不同:拿葉片互生的植物為例,每個螺旋內(nèi)有兩片葉子,那么比例就是1/2。


12黃籽的紫羅蘭花


拍攝人:Stefan Jansson


另一個緊湊整齊排列的實例-便于有限空間內(nèi)放下盡可能多的種子,又疏密得當。同時紫色和黃色的搭配也是天作之合!


13勺子菊花(形象的名稱!)的花盤中心也能見到斐波納契數(shù)列的影子。


拍攝人:Duckinwales


為了不離題太遠,我們回到主題斐波納契數(shù)列上來:黃金比例。每個斐波納契內(nèi)的數(shù)字 (例如, 2/1, 3/2, 5/3, 8/5, 13/8,等等.) 都是由前兩個數(shù)字之和得出,并形成數(shù)列,以此類推,最終實現(xiàn)近似于“黃金分割率”的 1.6180339887。黃金分割率符合審美要求,廣泛應(yīng)用于藝術(shù)領(lǐng)域,音樂領(lǐng)域,人體構(gòu)造及建筑設(shè)計等方面。植物的這種生長方式?jīng)Q定了其生長角度近似于黃金角度。


14非洲美麗的花朵... ...


拍攝人:哈利伯圖片社


這種植物異常美麗且罕見,叫做藍眼菊或是非洲菊。為了生存,花心的種子極其緊湊地排列著,即使不完全符合斐波納契數(shù)列,至少也是螺旋方式排列,物理學家認為這是“減少能耗的最佳布局”。


15如此多的紫色金光菊


拍攝人:Robin Parmar


寫到此處,看官有何想法?神奇吧?哪個在先:是締造者大自然還是發(fā)現(xiàn)這個結(jié)構(gòu)的科學家呢?像雞和蛋的誰更早存在的問題。如果早期數(shù)學家能好好地觀察自然,在斐波納契之前就不至于空擋那么長時間了。

要看更多斐關(guān)于波納契數(shù)列在自然界中應(yīng)用的實例,學習更多的數(shù)學知識和后來數(shù)學家的研究成果,請點擊下面鏈接。還有,停止用無限的數(shù)學知識折磨有限的大腦吧!欣賞一下美麗的紫色金光菊(紫錐菊)多好啊!

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