书城教材教辅中学理科课程资源-漫话数学故事
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第41章 兔子繁殖

大约很少有人在欣赏一株枝叶茂盛、婀娜多姿的树木时,会关心到枝丫的分布。但生物家和数学家都注意到了这一点。由于新生的枝条,往往需要一段“休息”时间,供自身生长,而后才能萌发新枝。所以他们设想:一株树苗在一年以后长出一条新枝;第二年新枝休息,老枝依旧萌发;此后,老枝与休息过一年的枝同时萌发,当年生的新枝则次年休息。这个规律在生物学上称为“鲁德维格定律”。

根据鲁德维格定律,一株树木各个年份的枝丫数,依次为以下一列数:

(1),1,2,3,5,8,13,21,34,……

上面的数列渊源非常悠久。公元1202年,商人出身的意大利数学家斐波那契(Fibonacci,1170—1250),完成了一部伟大的论著《算法之书》。这部中世纪的名著,把当时发达的阿拉伯和印度的数学方法,经过整理和发展之后介绍到欧洲。

在斐波那契的书中,曾提出以下有趣的问题:

假定一对刚出生的小兔一个月后就能长成大兔,再经过一个月便能生下一对小兔,并且此后每个月都生一对小兔。一年内没有发生死亡。问一对刚出生的兔子,一年内繁殖成多少对兔子?

逐年推算,我们可以得到前面提过的数列:1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144,233。这个数列后来便以斐波那契的名字命名。数列中的每一项,则称为“斐波那契数”。第十三位的斐波那契数,即为一对刚出生的小兔,一年内所能繁殖成的兔子的对数,这个数字为233。

从斐波那契数的构造明显看出:斐波那契数列从第三项起,每项都等于前面两项的和。假定第n项斐波那契数为un,于是我们有:u1=u2=1un+1=un+un-1(n≥2)。

通过以上的递推关系式,我们可以算出任何的un,不过,当n很大时递推是很费事的,我们必须找到更为科学的计算方法!为此,我们先观察以下较为简单的例子。

在《大数的奥林匹克》一节,我们讲过一个关于“梵天预言”的故事。现在我们假定按“梵天不渝”的法则,完成n叶金片的搬动要进行un次动作。那么,要完成n+1叶金片的搬动,可以通过以下的途径达到:先把左针上的n叶金片,通过un次动作搬到中间针;再把左针上的第n+1叶金片搬到右针上去;最后再通过un次动作,把中间针上的n金片搬到右针上去。这样,实际上已将n+1叶金片从左针搬到右针,从而上述的动作总数等于un+1。这就是说,我们有:

u1=1un+1=2un+1(n≥1)

下面我们通过上述递推关系来直接推导un。

注意到un+1+1=2(un+1)

令vn=un+1

则v1=2vn+1=2vn(n≥1)

数列{vn}是一个首项为2,公比也为2的等比数列。易知:

vn=2·2n-1=2n从而un=vn-1=2n-1

由此可知,梵天要求搬完64叶金片需要做的动作为(264-1)次。如果完成每个动作需要一秒钟的话,则需大约5800亿年!这个数字大大超过了整个太阳系存在的时间,所以梵天的预言真可谓“不幸而言中”!不过,我们完全不必“杞人忧天”,整个人类的文明社会至今也不过几千年,人类还远没有到达需要考虑这个问题的时候!

现在我们回到斐波那契数列上来。受“梵天预言”例子的启发,我们试图从等比数列1,q,q2,q3,…,qn-1,…中寻求满足递推关系un+1=un+un-1的解答。

令qn=qn-1+qn-2(n≥2)因q≠0,解得:

q1=1+52q2=1-52

现令un=aq1n-1+βq2n-1u1=u2=1

立知α+β=1α1+52+β1-52=1解得α=151+52β=-151-52从而un=151+52n-1-52n

以上公式是法国数学家比内首先证明的,通称比内公式。令人惊奇的是,比内公式中的un是以无理数的幂表示的,然而它所得的结果完全是整数。不信,读者可以找几个n的值代进去试试看!

斐波那契数列有许多奇妙的性质,其中有一个性质是这样的:

u2n-un+1·un-1=(-1)n+1(n>1)其实,读者只需看看下式便会明白。

u2n-un+1·un-1=u2un-(un+un-1)·un-1=-u2n-1+u2n-un·un-1=-u2n-1-un(un-un-1)=-u2n-1-un·un-2)=……=(-1)n(u22-u3·u1)=(-1)n+1

斐波那契数列上的上述性质,常被用来构造一些极为有趣的智力游戏。美国《科学美国人》杂志就曾刊载过一则故事:

一位魔术师拿着一块边长为13英尺的正方形地毯,对他的地毯匠朋友说:“请您把这块地毯分成四小块,再把它们缝成一块长21英尺,宽8英尺的长方形地毯。”这位匠师对魔术师算术之差,深感惊异。因为两者之间面积相差达一平方英尺哩!可是魔术师竟让匠师用左图和下图的办法,达到了他的目的!这真是不可思议!亲爱的读者,你猜猜那神奇的一平方英尺跑到那儿去呢?

需要告诉读者的是,类似的智力问题还可以构造出很多很多,这只要把上题中的长方形边长和正方形边长,换成连续的三个斐波那契数就行!道理就是前面提到过的那个式子。

有关斐波那契数列的趣题实在不少,下面“蜜蜂爬格”的游戏,便是一道难得的妙题:

蜜蜂蜂房的第0号位置爬向第10号位置。规定只能从序号小的往序号大的爬。问共有多少种爬行路线?

可不要小看这道题,它好难哩!大概需要费你不少的脑筋。有兴趣的读者不妨试试看!