Ряд Фибоначчи
в которой каждое последующее число равно сумме двух предыдущих чисел. Название по имени средневекового математика Леонардо Пизанского (или Фибоначчи) [1] .
в которой каждое последующее число равно сумме двух предыдущих чисел. Название по имени средневекового математика Леонардо Пизанского (или Фибоначчи) [1] .
Иногда числа Фибоначчи рассматривают и для неположительных номеров n как двусторонне бесконечную последовательность, удовлетворяющую основному соотношению. Члены с такими номерами легко получить с помощью эквивалентной формулы «назад»: Fn = Fn + 2 − Fn + 1 :
n | −10 | −9 | −8 | −7 | −6 | −5 | −4 | −3 | −2 | −1 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Fn | −55 | 34 | −21 | 13 | −8 | 5 | −3 | 2 | −1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 2 | 3 | 5 | 8 | 13 | 21 | 34 | 55 |
Легко видеть, что F − n = ( − 1) n + 1 Fn . Для чисел Фибоначчи с отрицательными индексами остаются верными большинство нижеприведённых свойств.
Последовательность Фибоначчи была хорошо известна в древней Индии, где она применялась в метрических науках (просодии, другими словами — стихосложении), намного раньше, чем она стала известна в Европе.
Образец длиной n может быть построен путём добавления S к образцу длиной n-1, либо L к образцу длиной n-2; и просодицисты показали, что число образцов длиною n является суммой двух предыдущих чисел в последовательности. Дональд Кнут рассматривает этот эффект в книге «Искусство программирования».
На Западе эта последовательность была исследована Леонардо Пизанским, известным как Фибоначчи, в его труде «Liber Abaci» (1202). Он рассматривает развитие идеализированной (биологически нереальной) популяции кроликов, предполагая что:
Закономерным является тот факт, что каждая пара кроликов порождает ещё две пары на протяжении жизни, а затем погибает.
Пусть популяция за месяц n будет равна F(n). В это время, только кролики которые жили в месяце n-2 являются способными к размножению и производят потомков, тогда F(n-2) пар прибавится к текущей популяции F(n-1). Таким образом общее количество пар будет равно F(n) = F(n — 1) + F(n — 2).
Формула Бине выражает в явном виде значение Fn как функцию от n :
и
.
Из формулы Бине следует, что для всех , Fn есть ближайшее к
, а также
, где матрицы имеют размер
, i — мнимая единица.
Числа Фибоначчи (строка Фибоначчи) — числовая последовательность, первые два числа которой являются 0 и 1, а каждое последующее за ними число является суммой двух предыдущих. Представляет собой частный пример линейной рекуррентной последовательности (рекурсии).
Освойте профессию «Data Scientist»
Эту последовательность впервые описал итальянский математик Леонардо Пизанский в его работе «Жизнь абака» в 1202 году. Закономерность, описываемая числами Фибоначчи, приобрела популярность в эпоху Возрождения и особенно Нового времени, где повлияла на самые разные стороны жизни — от фундаментальной и прикладной математики до искусства и архитектуры.
Науки о данных
Сам Леонардо Пизанский (Фибоначчи — его прозвище) предложил знаменитую последовательность в виде «задачи о кроликах», где описал кроличью популяцию со следующими условиями:
Задача состояла в том, чтобы рассчитать, сколько кроликов в популяции будет через год. Математически ее решение описывается формулой:
Fn = Fn–2 + Fn–1, где F0=0, F1=1, а n — больше или равно 2 и является целым числом.
Рассчитанная по этой формуле последовательность выглядит так:
0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, … .
Читайте также Востребованные IT-профессии 2023 года: на кого учиться онлайн
Сам Фибоначчи рассматривал эту последовательность просто как одно из математических упражнений среди прочих задач, указанных в его книге «Жизнь абака». Пример с кроликами был идеальной моделью, в которой кролики размножались строго каждый месяц, производили только двух крольчат разного пола и при этом сами не умирали. Однако некоторые современные исследователи называют ее первой в истории популяционной моделью.
Сама последовательность была известна еще с древних времен — в частности, она использовалась в древнеиндийском стихосложении, в том или ином виде ее знали древнегреческие и арабские математики. Заслуга именно Фибоначчи была в том, что он популяризировал ее в западноевропейской математике, а также ввел в европейскую науку позиционную систему счисления (известную народам Востока), которая имела краеугольное значение в последующем развитии математических наук.
Визуальным воплощением этой последовательности является золотая спираль. Она представляет собой дуги окружностей, вписанных в квадраты, размеры которых соотносятся друг с другом как числа в строке Фибоначчи. В основе этой фигуры лежит золотое сечение — идеальная пропорция, равная 0,61803. Золотая спираль стала одним из распространенных принципов математического пропорционирования, который широко используется в искусстве, архитектуре, начиная с эпохи Возрождения и по сегодняшний день.
Последовательность Фибоначчи — один из классических примеров рекурсии в математике. Рекурсией называется функция, определяющая свое значение через обращение к самой себе. Рекурсивные алгоритмы используются в программировании для упрощения вычислений. Умение обращаться с ними является одним из базовых навыков программиста. Поэтому расчет числа Фибоначчи (достаточно простой рекуррентной функции) часто является тестовым заданием, которое дается соискателю на вакансию программиста для проверки его навыков или применяется в обучении будущих кодеров.
Станьте дата-сайентистом и решайте амбициозные задачи с помощью нейросетей
Например, так выглядит рекурсивный поиск чисел Фибоначчи на языке Python:
def fibonacci(n):
if n in (1, 2):
return 1
return fibonacci(n — 1) + fibonacci(n — 2)
print (fibonacci(10))
Проблема рекурсивного нахождения чисел Фибоначчи в том, что после определенного предела процесс сильно замедляется. Причина — в самой природе рекурсии: основанная на ней программа постоянно обращается сама к себе. Если число n (номер искомого элемента ряда) большое, обычный компьютер просто не справится или процесс займет слишком много времени.
Поэтому для нахождения чисел Фибоначчи применяются и другие способы — например, обычный цикл (язык Python):
fib1 = fib2 = 1
n = input («Номер элемента ряда Фибоначчи: «)
n = int(n) — 2
while n > 0:
fib1, fib2 = fib2, fib1 + fib2
n -= 1
print («Значение этого элемента: «, fib2)
Случайными называются числа, полученные в результате случайного события. Простейший пример — подбрасывание монетки или игральной кости. Такие числовые последовательности широко используются в современной науке, например для описания различных природных, социальных, экономических и других процессов с влиянием большого количества различных факторов, делающих результаты трудно- или непредсказуемыми.
Проблема в том, что получить настоящие случайные числа очень сложно. Классические примеры с монеткой, игральными костями и колодой карт дают лишь небольшие величины, чего недостаточно для современной науки и технологий. Теоретически случайные числа можно получить из космического излучения или радиации, из дробового шума в электрических цепях. Однако на практике использовать такие источники невыгодно по следующим причинам:
Практическим решением проблемы получения случайных чисел стали псевдослучайные числа, то есть такие, которые обладают некоторыми их свойствами, но генерируются по заранее заданному алгоритму. Для их получения используются специальные вычислительные программы — генераторы псевдослучайных чисел. Особенность их работы заключается в том, что через определенный период времени генерируемые последовательности начинают повторяться. В некоторых областях информатики, таких как криптография (шифрование), это имеет критическое значение. Поэтому еще в 50-х годах XX века был предложен способ генерации псевдослучайных чисел на основе строки Фибоначчи (метод Фибоначчи с запаздыванием), который позволил повысить степень случайности в числовых последовательностях. Он успешно используется сегодня не только в криптографии, но и в имитационном моделировании различных естественных, социальных, экономических процессов, например:
Закономерность, описываемая последовательностью Леонардо Пизанского, получила неожиданное применение в биржевой торговле. В 30-х годах прошлого века американский инженер и менеджер Ральф Нельсон Эллиотт провел масштабное исследование фондов и заметил, что их колебания происходят в определенном ритме, в котором прослеживалось все то же золотое сечение — 0,61803. Сам исследователь делал все вычисления и прогнозы вручную, однако сегодня существуют специальные биржевые программы (терминалы), предлагающие несколько инструментов на основе закономерности Фибоначчи: уровни, дуги, веера и т.д.
Следует отметить, что использование этой закономерности в трейдинге носит спорный характер. Хотя цикличность рынка и фондовых показателей действительно существует, на нее влияет множество факторов, которые невозможно предугадать строгими математическими законами. Тем не менее в ситуации минимального внешнего влияния использование биржевых инструментов, построенных на строках Фибоначчи, действительно позволяет с определенной эффективностью прогнозировать поведение цен, индексов акций.
Золотая спираль, основанная на последовательности чисел Фибоначчи, является одним из универсальных принципов построения пропорций. Лежащее в ее основе золотое сечение было известно еще в государствах Древнего Востока, но особую популярность оно приобрело в эпоху Возрождения. Великие скульпторы и живописцы того времени начали применять золотую спираль для построения художественной композиции, пропорций различных объектов, в том числе человеческого тела. Золотое сечение сегодня используется как одна из моделей для гармоничного распределения объектов в кадре (в фото- и киноискусстве), элементов плакатов и т.д.
В компьютерную эру золотое сечение (золотая спираль) и числа Фибоначчи также нашли свое применение в визуальном искусстве, в частности, 2D/3D-моделировании и веб-дизайне:
Благодаря современной поп-культуре с этой числовой последовательностью связано множество популярных мифов:
Вместе с тем нельзя отрицать большую роль фибоначчиевых чисел в развитии фундаментальной и прикладной математики, информатики и смежных с ними наук. Разработанные на основе золотой спирали методы и технологии широко применяются в разных областях человеческой жизни, от сугубо научных до прикладных, таких как компьютерная графика, криптография, программирование, обработка данных и т.д.
Выберите IT-профессию, которая вам нравится, а мы поможем научиться:
Data Scientist
Дата-сайентисты решают поистине амбициозные задачи. Научитесь создавать искусственный интеллект, обучать нейронные сети, менять мир и при этом хорошо зарабатывать. Программа рассчитана на новичков и плавно введет вас в Data Science.
Леонардо Пизанский (ок. 1170 — ок. 1250) был математиком. Он жил в Италии, а в 1190-х годах переехал в Алжир, где узнал об арабских и индийских приемах вычисления. В 1200 году Леонардо вернулся в Пизу, а в 1202 дописал свой первый труд по математике — «Книгу абака» (абаком он называл арифметику). Именно в этой работе была описана последовательность чисел, которую впоследствии назвали последовательностью Фибоначчи.
Фибоначчи — это прозвище Леонардо Пизанского, которое появилось только в XVI веке. Оно происходит от слов filius Bonacci, которые стояли на обложке «Книги абака». Их можно перевести как «сын Боначчо» (или «Боначчи», если трактовать это слово как фамилию, а не как имя). По другой версии, Bonacci нужно тоже понимать как прозвище — в итальянском это слово означает «удача».
Последовательность Фибоначчи впервые была рассмотрена на примере вымышленной популяции кроликов. Математик сформулировал задачу: в загоне есть пара кроликов, которая каждый месяц производит на свет новую пару. Сколько всего кроликов будет через год? При этом надо учесть несколько условий:
При решении этой задачи возник ряд чисел, который выглядит так:
1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233 — в конце года будет 233 пары кроликов.
Это и есть последовательность Фибоначчи, которую можно продолжать бесконечно.
Если последовательно делить одно число ряда Фибоначчи на предыдущее, в конце концов (с деления 89 на 55) мы начнем получать число 1,618. Именно этот коэффициент принято называть золотым сечением, или золотой пропорцией. А если мы попробуем изобразить это графически, то получим золотой прямоугольник — длины его сторон будут относиться друг к другу как 1,618 : 1.
С помощью золотого прямоугольника можно построить спираль Фибоначчи.
И золотая пропорция, и спираль Фибоначчи интересны тем, что они часто встречаются в природе. Например, семена в центре подсолнечника организованы в спираль и идут по и против часовой стрелки. Если анализировать каждую спираль отдельно, окажется, что это и есть спирали Фибоначчи. То же самое касается раковин некоторых улиток и даже строения человеческого уха. А если посчитать, как соотносится расстояние от точки пупа до коленей и от коленей до ступней в нашем теле, мы получим золотую пропорцию — 1 : 1,618.
Золотое сечение и спираль Фибоначчи часто используются в живописи или архитектуре. Пожалуй, самый известный пример — это работы Леонардо да Винчи. Композиция «Моны Лизы» построена на основе спирали Фибоначчи, а «Витрувианский человек» буквально изображает связь пропорций тела и золотого сечения.
С использованием золотой пропорции построены, например, египетские пирамиды Гизы, Собор Парижской Богоматери и Храм Василия Блаженного. А в 2005 году в Корнуолле (Великобритания) появился образовательный комплекс The Core («Ядро»). Его архитекторы вдохновлялись формой цветка подсолнечника. В итоге получилось здание, построенное по принципу спирали Фибоначчи.
Считается, что золотое сечение используется также в музыке и поэзии. В некоторых произведениях, например поэме Лермонтова «Бородино» или этюдах Шопена, кульминационные моменты разделяют композицию на части, соотношение которых близко к золотой пропорции.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ФИБОНАЧЧИ, математическая ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ, каждый член которой является суммой двух предыдущих. Таким образом, если энный член последовательности обозначается хn, то для всей последовательности справедливым будет уравнение: хn+2=хn+хn+1, первыми двумя членами которого будут x1=l и x2=1. Порядок последовательности при этом таков: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21. следующим числом будет 34, т. к. сумма 13 и 21 равна 34 и т.д. Когда число n становится очень большим, отношение соответствующих членов устремляется к величине (Ц5+l) /2. Это соотношение называется золотым. В природе последовательность Фибоначчи можно проследить на примерах спирального развития сегментов раковины и лепестков подсолнуха, расходящихся лучами из одной точки в центре цветка. см. также ЗОЛОТОЕ СЕЧЕНИЕ .
Последовательность Фибоначчи. Если смотреть на листья растения сверху, можно заметить, что они распускаются по спирали. Углы между соседними листьями образуют правильный математический ряд, известный под названием последовательности Фибоначчи. Благодаря этому каждый отдельно взятый лист, растущий на дереве, получает максимально доступное количество тепла и света.
Научно-технический энциклопедический словарь .