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[转载]形形色色的斐波那契螺旋美欣赏

(2012-11-22 21:53:47)
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分类: 数学欣赏
形形色色的斐波那契螺旋美欣赏

 

 

 

 

  斐波那契(LeonardoFibonacci,约1175-约1240)也许是在生活在丢番图(Diophantos)之后费尔马(PierredeFermat)之前这2000年间欧洲最杰出的数论学家。我们对他的生平知道得很少。他出生在意大利那个后来因为伽里略做过落体实验而著名的斜塔所在的城市里,现在那里还有他的一座雕像。他年轻是跟随经商的父亲在北非和欧洲旅行,大概就是由此而学习到了世界各地不同的算术体系。在他最重要的著作《算盘书》(LiberAbaci,写于1202年)中,引进了印度-阿拉伯数码(包括0)及其演算法则。数论方面他在丢番图方程和同余方程方面有重要贡献。
  
  

坐落在意大利比萨的斐波那契雕像


  
  数学中有一个以他的名字命名的著名数列:1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144,233,……从第三项开始每一项都是数列中前两项之和。这个数列是斐波那契在他的《算盘书》的“兔子问题”中提出的。在问题中他假设如果一对兔子每月能生一对小兔(一雄一雌),而每对小兔在它出生后的第三个月,又能开始生小兔,如果没有死亡,由一对刚出生的小兔开始,一年后一共会有多少对兔子?将问题一般化后答案就是,第n个月时的兔子数就是斐波那契数列的第n项。斐波那契数列和黄金分割数有很密切的联系。
  
  斐波那契并没有把这个问题和这个数列看得特别重要,在《算盘书》中兔子问题只不过是书里许多问题中并不特别的其中一个罢了。但是在此后的岁月中,这个数列似乎和题中的高产兔子一样,引发了为数众多的数学论文和介绍文章(本文似乎也在步此后尘)。不过在这里我不想介绍浩如烟海的有关斐波那契数列的数学文章,只想欣赏大自然的造化。
  
  在现实的自然世界中,《算盘书》里那样的神奇兔子自然是找不到的,但是这并不妨碍大自然使用斐波那契数列。本期封面上是起绒草椭球状的花头,你可以看见那上面有许多螺旋。很容易想像,如果从上面俯视下去的话,这些螺旋从中心向外盘旋,有些是顺时针方向的,还有些是逆时针方向的。为了仔细观察这些螺旋,我们挑选另一种具有类似特点的植物——蓟,它们的头部几乎呈球状。在下面这个图里,标出了两条不同方向的螺旋。我们可以数一下,顺时针旋转的(和左边那条旋转方向相同)螺旋一共有13条,而逆时针旋转的则有21条。而下面这幅图中的顺逆方向螺旋数目则恰好相反。
  
  

具有13条顺时针旋转和21条逆时针旋转的螺旋的蓟的头部
  
  具有13条逆时针旋转和21条逆时针旋转的螺旋的蓟的头部


  
  以这样的形式排列种子、花瓣或叶子的植物还有很多(最容易让人想到的是向日葵),下面的图片是一些看起来明显的例子,事实上许多常见的植物,我们食用的蔬菜如青菜,包心,芹菜等的叶子排列也具有这个特性,只是不容易观察清楚。尽管这些顺逆螺旋的数目并不固定,但它们也并不随机,它们是斐波那契序列中的相邻数字。这样的螺旋被称为斐波那契螺旋。
  
  

自然界中各种各样的斐波那契螺旋


  
  这些植物懂得斐波那契数列吗?应该并非如此,它们只是按照自然的规律才进化成这样。这似乎是植物排列种子的“优化方式”,它能使所有种子具有差不多的大小却又疏密得当,不至于在圆心处挤了太多的种子而在圆周处却又稀稀拉拉。叶子的生长方式也是如此,对于许多植物来说,每片叶子从中轴附近生长出来,为了在生长的过程中一直都能最佳地利用空间(要考虑到叶子是一片一片逐渐地生长出来,而不是一下子同时出现的),每片叶子和前一片叶子之间的角度应该是222.5度,这个角度称为“黄金角度”,因为它和整个圆周360度之比是黄金分割数1.618033989……的倒数,而这种生长方式就决定了斐波那契螺旋的产生。向日葵的种子排列形成的斐波那契螺旋有时能达到89,甚至144条。
  
  由于是自然规律而并非抽象的数学或哲学原理决定了植物各种器官的排列图样;另外还有具体环境的影响,比如地形、气候或病害,你并不总能找到完美的斐波那契螺旋。即使是生长得很健康的植物,也难免有这样那样的缺陷。仔细观察上面的图片,你会发现螺旋的中心经常是一片混乱。所以最后还是让我们来欣赏一下由计算机绘制出来的完美的斐波那契螺旋吧。
  

计算机绘制的斐波那契螺旋

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