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蜜蜂與數學 (第 3 頁)

蔡聰明

 

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.原載於科學月刊第二十七卷第七期
.作者當時任教於台大數學系
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雄蜂的譜系及費氏數列

我們提到過,雄蜂是由未受精的卵孵化出來的,故只有母親而沒有父親。進一步,我們考慮雄蜂的譜系,如圖六,我們發現一隻雄蜂歷代祖先的個數,形成一個費氏數列 (Fibonacci sequence):

\begin{displaymath}1,1,2,3,5,8,13,\cdots\end{displaymath}

即由首兩項 1, 1 出發,任何一個後項都是前兩項之和。更有趣的是,若各代祖先適當排列的話,第七代的13位祖先恰好可以排成鋼琴八度音之間的13個半音階(8個白鍵,5個黑鍵)。



圖六

除了雄蜂譜系之外,費氏數學在植物世界偶爾也可以觀察到。有些花草或樹木,其枝幹的分枝成長符合費氏數列的模式,如圖七所示。



圖七

你以後到野外郊遊或登山時,可以留意觀察或找尋看看有沒有符合費氏數列的樹木。筆者曾在登七星山的途中,發現一棵非常「費氏數列」的樹木。懷著一個問題或目標走入大自然,我們才能真正觀察到東西,生活也會更積極主動。

事實上,費氏數列最先是考慮兔子的繁殖引起的。中世紀歐洲最偉大的數學家 Fibonacci(1180∼1250)在1202年出版《算盤之書》(Liber Abaci),其中有一個問題如下:

假設任何一對新出生的兔子,兩個月後開始生一對新兔,以後每隔一個月都生一對新兔。已知年初有一對新兔,在不發生死亡的情況下,問年底總共有幾對兔子?
假設第 n 個月底兔子總共有 an 對,則按題意知
\begin{displaymath}
a_1=1 \; , \; a_2=1
\end{displaymath} (2)

並且

an+2=an+1+an (3)

(3)式是一個二階差分方程式,(2)式是初期條件。求解(2)與(3)就是要找出通項 an 的公式,這有種種辦法。最早是在1718年由 De Moivre 求得,後來在1843年又由 Binet 重新發現(兩位都是法國數學家),答案是
\begin{displaymath}
a_n=\frac{1}{\sqrt{5}}[(\frac{1+\sqrt{5}}{2})^n-(\frac{1-\sqrt{5}}{2})^n]
\end{displaymath} (4)

此式今日叫做 Binet 公式,它含有兩個驚奇:其一是涉及黃金分割的比值 $\frac{1+\sqrt{5}}{2}$,其二是整數數列 (an) 居然可用一些無理數的組合來表達。上述兔子問題的答案是 a12=144

費氏數列具有很豐富的數學內涵,適合於高中生作獨立地探索。它又是開展抽象線性代數的一個具體而重要的胚芽。

   

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編輯:黃信元 最後修改日期:2/27/2002