斐波那契数在自然界中如何表达?

经过:罗伯特·兰姆(Robert Lamb)杰斯林盾牌|

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斐波那契序列在我们的家庭螺旋星系(银河系)下漂浮在大西洋海岸线上。Shaunl/Getty图像

宇宙有魔术方程吗?可能不是,但是我们在自然世界中一遍又一遍地发现了一些非常普遍的事物。以斐波那契数字为例 - 一系列数字和相应的比率,反映了自然界中各种模式,从松果的种子的漩涡到甲基壳的曲线到飓风的扭曲。

人类可能已经知道了数千年的这个数字序列 - 可以在古代梵文中找到 - 但是在现代,我们已经与一个中世纪的人对兔子

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在1202年,意大利数学家莱昂纳多·皮萨诺(Leonardo Pisano)(也称为斐波那契,意思是“ Bonacci的儿子”)提出了一个问题:在最佳条件下,一年可以从一对兔子中产生多少对兔子?这个思想实验表明,雌性兔子总是成对的,每对由一个男性和一个女性组成[来源:戈斯]。

想一想:两只新生兔子放在围栏的院子里,然后像兔子一样繁殖。兔子在至少1个月大之前才能繁殖,因此在第一个月,只剩下一对。在第二个月末,雌性分娩,留下两双兔子。当三个月来临时,原来的兔子又产生了另一对新生儿,而他们的后代则成年。这留下了三对兔子,其中两对将在下个月再生两对。

该顺序如下:1、1、2、3、5、8、13、21、34、55、89、144,然后到达无穷大。描述其看起来像这样的方程式:xn+2 = xn+1+xn。基本上,数字是前两个的总和。该系列数字称为斐波那契数或者斐波那契序列。斐波那契序列中的数字(1.618033987498948482 ...)之间的比率经常被称为黄金比率或者黄金数

想看看这些迷人的数字在自然界中是如何表达的吗?无需参观您当地的宠物商店;您要做的就是环顾四周。

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大自然的黄金比率

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好看这个罗马花椰菜。它的螺旋遵循斐波那契序列。Tuomas A. Lehtinen/Getty图像

虽然有些植物种子,花瓣和树枝等遵循斐波那契序列,但它肯定不会反映出自然世界中所有事物的生长方式。仅仅因为一系列数字可以应用于一个对象,这并不一定意味着数字与现实之间存在任何相关性。与诸如命理性迷信一样著名的人死于三组,有时巧合只是一个巧合。

但是有些人会争论自然界中斐波那契数的普遍性被夸大了,它们似乎往往足以证明它们反映了一些自然发生的模式。您通常可以通过研究各种植物生长的方式来发现这些。这里有一些例子:

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种子头,松果,水果和蔬菜:看看向日葵中心的种子阵列,您会注意到螺旋形图案的左右弯曲。令人惊讶的是,如果您计算这些螺旋形,您的总数将是斐波那契号。将螺旋形分为左右指向的那些,您将连续两个斐波那契数。您可以在Pinecone,菠萝和花椰菜中解密螺旋模式,这些螺旋模式也以这种方式反映了斐波那契序列[来源:诺特]。

花和树枝:一些植物在其中表达斐波那契序列增长点,树枝形成或分裂的地方。一个树干生长直到产生一个分支,导致两个增长点。然后,主干就产生了另一个分支,从而产生了三个增长点。然后,树干和第一分支产生了两个增长点,使总数达到五。按照斐波那契数的数字,这种模式继续进行。此外,如果您计算花朵上花瓣的数量,您通常会发现总数是斐波那契序列中的数字之一。例如,百合花和虹膜有三个花瓣,毛杯和野玫瑰有五个,delphiniums有八个花瓣,等等。

蜜蜂:一个蜜蜂殖民地由女王,几个无人机和许多工人组成。雌性蜜蜂(皇后和工人)都有两个父母,一个无人机和女王。另一方面,无人机从未施用的鸡蛋中孵化。这意味着他们只有一个父母。因此,斐波那契数字表达了一棵无人机的家谱,因为他有一个父母,两个祖父母,三个曾祖父母等[来源:诺特]。

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黄金比在螺旋壳中表达。在上面的插图中,壳的生长区域以正方形为单位。如果两个最小的正方形的宽度和高度为1,则下面的盒子的尺寸为2。其他盒子测量3、5、8、13、21等。
JoséMiguelHernández/Getty Images

风暴:诸如飓风和龙卷风之类的风暴系统经常遵循斐波那契序列。下次您看到飓风在天气雷达上螺旋式呈螺旋,请查看屏幕上云螺旋的明显的斐波那契比例。

人类的身体:很好地看着镜子。您会注意到,大部分身体部件都遵循第一,二,三和五的数字。你有一个鼻子,两个眼睛,每个肢体的三个部分和每只手的五个手指。人体的比例和测量值也可以根据黄金比率进行分配。DNA分子遵循此序列,对于双螺旋的每个完整循环,长34埃埃斯特罗姆长,宽21埃。

为什么如此多的自然模式反映了斐波那契序列?几个世纪以来,科学家一直在思考这个问题。在某些情况下,相关性可能只是巧合。在其他情况下,比率存在,因为这种特殊的生长模式发展为最有效的。在植物中,这可能意味着最大的暴露- 刺叶或最大种子排列。

较少共识的地方是斐波那契序列是否在艺术和建筑中表达。尽管一些书籍说,伟大的金字塔和帕台农村(以及莱昂纳多·达·芬奇的一些画)是使用黄金比例设计的,但是在对此进行测试时,发现这不是真的[来源:Markowsky]。

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最初出版:2008年6月24日

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  • 安德森,马特等。“斐波那契系列。”1999.(2008年6月14日)http://library.thinkquest.org/27890/mainindex.html
  • “斐波那契数。”大不列颠在线百科全书。2008年。(2008年6月14日)http://www.britannica.com/eb/article-9034168/fibonacci-numbers
  • “自然界中的斐波那契数。”世界之谜。(2008年6月14日)http://www.world-mysteries.com/sci_17.htm
  • 克里斯的考德威尔。“斐波那契数。”前二十个。(2008年6月14日)http://primes.utm.edu/top20/page.php?id=39
  • Ghose,Tia。“斐波那契序列是什么?”2018年10月24日(2021年8月31日)
  • 格里斯特,斯坦。“隐藏的结构和斐波那契数学。”stangrist.com。2001.(2008年6月14日)http://www.stangrist.com/fibonacci.htm
  • 诺特,罗恩。“自然界中的斐波那契数。”罗恩·诺特(Ron Knott)在数学上的网页。2008年3月28日。(2008年6月14日)http://www.mcs.surrey.ac.uk/personal/r.knott/fibonacci/fibnacci/fibnat.html
  • Markowsky,乔治。“对黄金比率的误解。”大学数学杂志,第1卷。23,第1期。1992年1月。(2021年8月31日)https://www.goldennumber.net/wp-content/uploads/george-markowsky-golden-golden-golden-ratio-miscoctions-maa.pdf

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