Квант
Разное

Филлотаксис и последовательность Фибоначчи

Березин В. Н.

53

Филотаксис и последовательность Фибоначчи

Рисунок на первой странице обложки можно рассмотреть как упрощенное изображение соцветия подсолнуха, семечки в котором вышены через одно, в шахматном порядке. Реальные соцветия подсолнуха (см. рисунок на этой странице) также содержат два семейства логарифмических спиралей (об этих спиралях читайте «Квант», 1977, № 4, с. 42). Спирали одного семейства закручиваются к центру против хода часовой стрелки, другого — по ходу. В богатие также сочетание двух семейств спиралей называют филотаксисом (в переведе с гречского слова это означает «устройство листа»).

Оказывается, числа спиралей в соцветиях подсолнечника приближенно равны двум соседним членам так называемой последовательности Фибоначчи: 34 и 55 или 89 и 144.

Филотаксис подсолнечника — одна из многоих неожиданных встреч с последовательностью Фибоначчи. Впервые с ней столкнулся в прошлом столетин французский математик Эдуард Люка. Читая книгу «Искусство абака» знаменитого интайянского математика эпохи Возрождения Леонардо Пизанского, известного больше по произвшему Фибоначчи, и решая одну из задач Леонардо, Люка составил последовательность 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, …, в которой

an=an−1+an−2.a_n = a_{n-1} + a_{n-2}.

Неожиданная встреча с этой последовательностью состоит с сеяцас и у нас. Предположим, что α2=1−α\alpha^2 = 1 - \alpha.

Выразим значения степени α3,α4,α5,...\alpha^3, \alpha^4, \alpha^5, ... через 1=α01 = \alpha^0 и α\alpha:

α3=α⋅α2=2α−1,\alpha^3 = \alpha \cdot \alpha^2 = 2\alpha - 1,

α4=2−3α,\alpha^4 = 2 - 3\alpha,

α5=5α−3,…\alpha^5 = 5\alpha - 3, \dots

Вы узнали в коэффициентах последовательность Фибоначчи, начная с члена a1a_1? По-виндимому, и для любого nn можно записать формулу

αn=(−1)n(an−1−anα),\alpha^n = (-1)^n (a_{n-1} - a_n \alpha),

где an−1a_{n-1} и ana_n — члены последовательности Фибоначчи. Докажем это методом математической индукции:

αn+1=(−1)n(an−1α−anα2)=(−1)n(−an+(an−1+an)α)=(−1)n+1(an−an+1α).\alpha^{n+1} = (-1)^n (a_{n-1} \alpha - a_n \alpha^2) = (-1)^n (-a_n + (a_{n-1} + a_n) \alpha) = (-1)^{n+1}(a_n - a_{n+1} \alpha).

У уравнения α2=1−α\alpha^2 = 1 - \alpha два корня — положительные α1=−1+52\alpha_1 = \frac{-1 + \sqrt{5}}{2} и отрицательные α2=−1+52\alpha_2 = -\frac{1 + \sqrt{5}}{2}. Как мы убедились,

{(−1)nα1=an−1−anα1(−1)nα2=an−1−anα2.\begin{cases} (-1)^n \alpha_1 = a_{n-1} - a_n \alpha_1 \\ (-1)^n \alpha_2 = a_{n-1} - a_n \alpha_2. \end{cases}

Решая эту систему относительно ana_n, получаем, что

an=15×[(1+52)n−(1−52)n].a_n = \frac{1}{\sqrt{5}} \times \left[ \left( \frac{1 + \sqrt{5}}{2} \right)^n - \left( \frac{1 - \sqrt{5}}{2} \right)^n \right].

И этот результат довольно сложен — последовательность целочисленная, а общий ее член выражается через квадратные радики.

Следующую неожиданность получим, если вычислим lim⁡n→∞anan+1=5−12\lim_{n \to \infty} \frac{a_n}{a_{n+1}} = \frac{\sqrt{5} - 1}{2}. Это значение «золотое сечение» (о нем см., например, «Квант», 1973, № 8, с. 22 и далее). Примогольный предмет с таким отношением стороны наблюдае приятен для глаз.

Существует много формул, связывающихся между собой членами последовательности Фибоначчи. Вот некоторые из них:

an+2=a0+a1+a2+⋯+an+1a_{n+2} = a_0 + a_1 + a_2 + \dots + a_n + 1

a2n+2=a1+a3+a5+⋯+a2n−1a_{2n+2} = a_1 + a_3 + a_5 + \dots + a_{2n-1}

a2n+1=1+a2+a4+⋯+a2na_{2n+1} = 1 + a_2 + a_4 + \dots + a_{2n}

a2n−2+1=a1−a2+a3−a4+⋯+a2n−1a_{2n-2} + 1 = a_1 - a_2 + a_3 - a_4 + \dots + a_{2n-1}

a2n2=a1a2+a2a3+⋯+a2n−1a2na_{2n}^2 = a_1 a_2 + a_2 a_3 + \dots + a_{2n-1} a_{2n}

a2n−1=an2+an2−1.a_{2n-1} = a_n^2 + a_n^2 - 1.

Попытайте их доказать.

О последовательности Фибоначчи вы можете прочесть в получарной и интерсесной книге Н. Н. Воробьева «Числа Фибоначчи» (М., «Hayka», 1978). О филотаксисе — в другой интерсесной книге: Г. С. М. Кокстер «Введение в геометрию» (М., «Hayka», 1966).

В. Березин