Золотое сечение [Математический язык красоты] (Мир математики. т.1.)

Глава 1 Золотое сечение

Что общего имеют такие, казалось бы, не связанные друг с другом природные явления, как расположение семян подсолнечника, элегантная спираль раковины улитки и форма Млечного Пути? Какой универсальный геометрический принцип скрыт в работах великих художников и архитекторов от Витрувия до Ле Корбюзье, от Леонардо да Винчи до Сальвадора Дали? Как бы это невероятно ни звучало, ответом на эти вопросы является просто число, известное на протяжении многих веков, которое постоянно появляется в различных творениях природы и искусства. В результате этому числу были даны такие имена, как «божественное сечение», «золотое сечение» и «золотое число». Записать это число практически невозможно, не потому, что оно слишком большое, — оно чуть больше единицы — а потому, что оно состоит из бесконечного ряда цифр, которые никогда не образуют повторяющуюся группу. Поэтому нам придется использовать математическую формулу для записи золотого сечения:

(1 + √5)/2 =~ 1,6180339887

Далее в этой главе мы увидим, как это математическое выражение было получено, но стоит признать, что, по крайней мере на первый взгляд, «божественное сечение» не выглядит особенно впечатляющим. Наметанный глаз, однако, сразу заметит что-то подозрительное, раз появился квадратный корень из пяти. Этот корень обладает рядом свойств, которые дали этому числу, как и многим другим подобным, странное название «иррациональных». Иррациональные числа — это особые числа, на которых мы также подробно остановимся.

Давайте попытаемся подойти к золотому сечению геометрически, чтобы найти его предполагаемое божественное свойство. Для этого построим прямоугольник, одна сторона которого в 1,618 раз длиннее другой; получится прямоугольник, в котором соотношение сторон представляет собой золотое сечение (точнее, его приблизительное значение). Вот что у нас получится:

Прямоугольник с таким соотношением сторон называется «золотым». На первый взгляд он может показаться нам обычным прямоугольником. Тем не менее давайте проделаем простой эксперимент с двумя кредитными картами. Положим одну из них горизонтально, а другую вертикально так, чтобы их нижние стороны находились на одной линии:

Если в горизонтальной карте мы проведем диагональную линию и продолжим ее, то увидим, что она пройдет в точности через правый верхний угол вертикальной карты — приятная неожиданность. Проделав этот эксперимент с двумя книгами одинакового размера, а именно с учебниками или книгами карманного формата, мы получим, вполне вероятно, тот же результат. Это свойство является характерным для двух «золотых» прямоугольников одинакового размера. Многие повседневные прямоугольные объекты созданы с таким соотношением размеров. Случайность? Может быть. Или, возможно, такие прямоугольники и другие геометрические формы, использующие золотое сечение, по каким-то причинам особенно приятны глазу. Согласившись с этим предположением, мы разделим мнение величайших художников и архитекторов. Об этом мы подробнее расскажем в четвертой главе. Не случайно в математике золотое сечение принято обозначать греческой буквой фи (Ф), первой буквой имени Фидия, знаменитого древнегреческого архитектора.

Много написано об этой самой загадочной улыбке в истории искусства, но мы попробуем предложить математическое решение этой загадки. Давайте посмотрим, что произойдет, если наложить несколько «золотых» прямоугольников на изображение лица прекрасной Моны Лизы:

Думал ли Леонардо да Винчи о золотом сечении, работая над своим шедевром? Это кажется маловероятным. Однако мы можем быть вполне уверены, что флорентийский гений придавал большое значение связи между эстетикой и математикой.

Мы еще вернемся к этому вопросу, а пока только заметим, что Леонардо делал иллюстрации к математической книге De Divina Proportione («О божественной пропорции»), написанной его хорошим другом Лукой Пачоли.

Леонардо, конечно, не единственный художник, в чьих работах встречается золотое сечение как в виде отношения двух сторон прямоугольника, так и в более сложных геометрических формах. Этот принцип в своих работах использовали многие художники последующих поколений, в том числе постимпрессионист Жорж Сёра и прерафаэлит Эдвард Бёрн-Джонс. В экстраординарной работе «Тайная вечеря» Сальвадора Дали золотое сечение также играет важную роль. Мало того, что полотно картины имеет размеры 268 на 167 сантиметров (почти идеальный «золотой» прямоугольник), так еще в центре картины изображен монументальный додекаэдр. Эта фигура является одним из правильных многогранников, которые можно вписать в сферу, и тесно связана с золотым сечением. Мы расскажем об этом в третьей главе.

Картина Жоржа Сёра «Купальщики в Аньере» (1884) представляет собой «золотой» прямоугольник. Некоторые из элементов картины также могут быть вписаны в «золотые» прямоугольники.

Давайте теперь обратимся к архитектуре, вершине прикладного искусства. Если золотое сечение и вправду создает некую гармонию во всех ее проявлениях, то, возможно, мы увидим это в геометрических формах самых известных в мире зданий. Хотя немного рискованно настаивать на таком заявлении. Золотое сечение действительно появляется во многих замечательных архитектурных творениях на протяжении всей истории человечества, таких как Великая пирамида или некоторые знаменитые готические соборы, но очень часто его присутствие практически незаметно. Тем не менее в некоторых случаях это вполне очевидно. Например, различные элементы фасада Парфенона, всемирно известного шедевра Фидия, представляют собой «золотые» прямоугольники.

Связь золотого сечения с красотой — вопрос не только человеческого восприятия. Похоже, сама природа выделила Ф особую роль, когда дело касается предпочтения одних форм другим. Чтобы понять это, нам придется углубиться в свойства золотого сечения. Возьмем уже знакомый «золотой» прямоугольник и впишем в него квадрат, стороны которого равны ширине нашего прямоугольника. В результате мы получим новый «золотой» прямоугольник. Повторим эту процедуру несколько раз, как показано на следующем рисунке:

Теперь в каждом из квадратов мы проведем дугу, как показано на рисунке ниже. Радиус каждой дуги равен длине стороны соответствующего квадрата. В результате наш рисунок будет выглядеть следующим образом:

Эта элегантная кривая называется логарифмической спиралью. Она вовсе не является математическим курьезом наоборот, эта замечательная линия часто встречается в физическом мире: от раковины наутилуса…

до рукавов галактик.

… и в элегантной спирали лепестков распустившейся розы.

На примере королевы цветов мы вступаем в другую область, где тоже господствует золотое сечение: мир растений. Присутствие золотого сечения здесь неочевидно и требует введения нового математического понятия: последовательности Фибоначчи. Эта последовательность чисел, описанная итальянским математиком в XIII веке, начинается с двух единиц, а каждое следующее число равно сумме двух предыдущих. Вот первые пятнадцать чисел этой бесконечной последовательности:

1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610.

Частное от деления любого числа последовательности на предшествующее ему число будет стремиться к Ф, давая все более точное значение для каждого следующего числа последовательности. Покажем это:

1/1 = 1

2/1 = 2

3/2 = 1,5

5/3 = 1,666…

8/5 = 1,6

13/8 = 1,625

21/13 = 1,615348…

34/21 = 1,61904…

55/34 = 1,61764…

89/55 = 1,61818…

144/89 = 1,61797…

...

Ф = 1,6180339887…

Для сорокового числа последовательности частное совпадает с «золотым» числом с точностью до четырнадцатого десятичного знака. Связи между золотым сечением и числами Фибоначчи многочисленны и неожиданны, позже мы рассмотрим их более подробно. Достаточно отметить, насколько невероятна эта связь между абстрактным царством чисел и физической реальностью.

Чтобы показать это, мы рассмотрим еще один цветок, внешне сильно отличающийся от розы, — подсолнечник с семенами:

Первое, что мы видим, — семена расположены по спиралям двух видов: по часовой стрелке и против часовой стрелки. Если мы посчитаем спирали по часовой стрелке и против часовой стрелки, то получим два, казалось бы, обычных числа: 21 и 34. Но эти два числа нам уже встречались.

В структуре цветка появились два идущих друг за другом числа из последовательности Фибоначчи. Если мы проведем такой же эксперимент с другим цветком подсолнечника, вполне вероятно, что мы получим другую пару чисел из этой последовательности, например, 55 и 89. Но это не единственный пример, когда мы можем увидеть золотое сечение в структуре растений. Другими примерами являются расположение веток деревьев, количество лепестков на многих цветах и даже форма листьев. Большая часть пятой главы будет посвящена изучению этой, казалось бы, магической связи между числами и органическими формами.

Иррациональные числа и числовые последовательности, Фидий и Леонардо, розы и подсолнечник — все это образует «золотой мир», построенный на удивительном числе Ф.

Каким бы стал мир, если бы однажды вечером мы легли спать, а ночью все числа исчезли бы вместе с математикой? На следующий день мы проснулись бы в мире без компьютеров, без радио и телевидения, без мобильных телефонов. Не было бы даже чайника, чтобы заварить чашку чая… А что творилось бы на улице! Человеческое общество не может существовать без чисел. Их значение невозможно переоценить, причем не только в современном обществе, основанном на цифровых технологиях. Так было всегда. Числа отражали и направляли человеческую деятельность с доисторических времен, и, пожалуй, они являются самым фундаментальным инструментом цивилизации.

Все цивилизации создавали свои системы счисления, и в каждой культуре это происходило по-разному. Тем не менее, все числа имели одни и те же функции: счет, упорядочивание, измерение и кодирование.

Первые две функции наиболее очевидны. Чтобы уметь считать, мы должны присвоить предметам численные значения, другими словами, дать им номер. Имея ряд пронумерованных объектов, мы займемся следующей естественной задачей: размещением их по порядку. Другие две функции появились значительно позже, так как они связаны с задачами большей сложности. Для измерения необходимы стандарты — набор единиц измерения — чтобы иметь возможность эффективно сравнивать разные результаты измерений. Позже остальных появилась еще одна функция чисел: кодирование. Хоть она и возникла самой последней, но без кодирования, более известного в наши дни как шифрование, невозможно представить современное общество.

Этот иероглиф майя первого века до нашей эры — первое документальное подтверждение использования числа ноль. Однако цивилизация майя использовала непозиционную систему счисления: единица обозначалась точкой, число 5 — линией, число 14 — четырьмя точками и двумя линиями и так далее.

Первые числа, которые использовали люди, называются натуральными (1, 2, 3, 4, 5…). Согласно учению пифагорейцев, самой влиятельной теории в древнегреческой математике, имеющей основополагающее значение и для современной науки, с помощью натуральных чисел можно описать окружающий нас мир. Натуральные числа (а также ноль и целые отрицательные числа) и построенные с их помощью дроби математики называют рациональными числами. Этот термин становится более понятен, если мы заметим, что слово «рациональный» имеет тот же корень, что и слово «ration», которое, в свою очередь, связано со словом «ratio» («отношение»), а именно соотношение двух величин. Число называется рациональным, поскольку является результатом отношения, деления, а не потому, что оно «разумное» — в другом смысле слова «рациональный».

Пифагор и его последователи более 20 веков назад знали, что корень из двух (√2) не является рациональным числом. Это число нельзя выразить в виде отношения двух натуральных чисел — как результат деления одного числа на другое. Пифагорейцы думали, что числа являются священными сущностями. Они верили, что все в мире может быть измерено, что все имеет численную природу. Поэтому идея невыразимого числа противоречила самой основе их философии.

Числа, которые не являются рациональными, называются иррациональными. Это довольно обманчивое название просто означает, что такие числа не могут быть выражены в виде отношения двух натуральных чисел. Представим только замешательство пифагорейцев, когда они обнаружили действительно иррациональные величины, которые невозможно точно измерить, например, обычную диагональ в квадрате со стороной, равной единице (это и будет число √2). Неудивительно, что они попытались утаить такое неприятное открытие.

Существует много математических отличий между рациональными и иррациональными числами, но, пожалуй, одно из самых замечательных и интуитивно понятных — так называемая «музыкальность». Это хотя и не строго математическое отличие имеет математическую причину, а именно: различие в десятичной записи рациональных и иррациональных чисел.

Десятичные знаки рациональных чисел образуют повторяющуюся последовательность, называемую «периодической», в то время как десятичные знаки иррациональных чисел не повторяются ни с какой закономерностью, они появляются один за другим в непредсказуемом порядке. Однако если каждой цифре мы поставим в соответствие ноту и «сыграем» десятичные знаки рационального числа, мы услышим повторяющуюся мелодию, похожую на мотив песни. С другой стороны, музыка иррациональных чисел представляет собой неприятную какофонию.

Золотое сечение является иррациональным числом, которое мы будем обозначать греческой буквой фи (Ф). Оно было открыто древними греками, и его документированная история начинается с одной из самых известных и много раз переиздаваемых книг всех времен и народов «Начал» Евклида, написанной около 300 г. до н. э.

Шедевр Евклида является первым научным бестселлером в истории. Ученый преследовал две цели, когда писал эту работу. С одной стороны, он хотел собрать все математические результаты того времени и составить энциклопедию, которая служила бы учебником. С другой стороны, он хотел разработать определенную методологию доказательств и построить новую математическую теорию, основанную на аксиомах (утверждениях, принимаемых без доказательств) и законах дедукции.

Успех «Начал» бесспорен, эта книга оказала значительное влияние на развитие всех областей математики. Известный математик и педагог XX века Лусио Ломбардо Радис писал: «После Библии и работ Ленина [«Начала»] является самой публикуемой и переводимой книгой. Еще несколько десятилетий назад она служила учебником геометрии для средней школы». Поскольку математика является обязательным предметом всех систем образования во всех странах мира, каждый человек на Земле, ходивший в школу, так или иначе познакомился с «Началами» через тексты учебников математики.

Фрагмент фрески «Афинская школа» работы Рафаэля. Художник изобразил Евклида с лицом архитектора Браманте и с циркулем в руке.

«Начала» состоят из 13 книг. Первые шесть посвящены элементарной геометрии, книги с седьмой по десятую — вопросам чисел, а с одиннадцатой по тринадцатую — стереометрии. Шестая книга содержит текст, с которого началась история золотого сечения:

«Разделить прямую линию в крайнем и среднем отношении значит разделить ее на два таких отрезка, чтобы отношение всей линии к большему отрезку равнялось отношению большего отрезка к меньшему».

Или, выражаясь более кратко: «Целое относится к большей части, как большая часть к меньшей». (Первый английский перевод работ Евклида был сделан в 1570 г. Генри Биллингсли, ставшим вскоре лорд-мэром Лондона.)

Крайнее и среднее отношение, которое прозвучало так ненавязчиво, что его нетрудно упустить из вида, является тем самым числом, которое впоследствии стало известно как золотое сечение и которому в 1509 г. Лука Пачоли посвятил целый трактат под названием «О божественной пропорции». Современное обозначение золотого сечения фи, Ф, появилось значительно позже, в начале XX века, когда американец Марк Барр предложил использовать первую букву имени Фидий, архитектора Парфенона в Афинах.

Теперь, когда мы рассказали историю золотого сечения и определили его как иррациональное число, мы можем наконец начать изучение его математических свойств. Прежде всего, посчитаем значение числа Ф.

Разделим отрезок на две части, тогда он будет разделен в крайнем и среднем отношении в терминах Евклида, иначе говоря, в «золотом» отношении, если x/1 = (1/x-1)

Если дроби равны, то равны и соответствующие произведения по правилу «крест-накрест»: a/b = c/d <=> a∙b = b∙c. Это приводит нас к квадратному уравнению:

x∙(x -1) = 1∙1 — > x² — x = 1

которое эквивалентно уравнению х² — х — 1 = 0. (1)

У этого уравнения есть два решения. Нас интересует лишь положительное:

x = (1 + √5)/2 =~ 1,618

Это и есть искомое число, которое мы обозначим Ф:

Ф = (1 + √5)/2 =~ 1,618

Так как решение уравнения (1) является отношением между длинами частей отрезка, оно не зависит от длины самого отрезка. Другими словами, значение золотого сечения не зависит от первоначальной длины.

Так как выражение содержит квадратный корень, число Ф будет иррациональным числом. Это значит, что мы не можем записать его в виде конечного десятичного числа. Более того, бесконечная строка десятичных знаков не содержит периодически повторяющихся групп цифр. Число Ф, таким образом, является непериодическим десятичным числом, которое невозможно вычислить до конца. Более точное вычисление числа Ф не имеет смысла, потому что оно особенно важно в геометрическом виде, а не в числовом. Достаточно сказать, что Ф = 1,618033988749894, потому что 15 знаков после запятой вполне достаточно для любых возможных расчетов.

Теперь возьмем калькулятор и сделаем несколько простых расчетов, взяв приближенное значение Ф с точностью до пяти десятичных знаков: Ф = 1,61803.

Сначала разделим единицу на Ф. Что мы получим? Число 0,61803; те же самые десятичные знаки после запятой. Оказывается, что 1/Ф = Ф — 1.

Теперь давайте возведем наше число в квадрат (Ф²). С учетом приближенного значения получаем, что Ф² = Ф + 1. Является ли это просто случайностью? Мы сейчас покажем, что это вовсе не совпадение.

Для начала вспомним, что Ф является решением уравнения:

х² — х — 1 = 0. (1)

Мы только что проверили это с приближенным значением, показав, что

Ф² — Ф — 1 = () => Ф² = Ф + 1. (2)

Начиная с уравнения (2), несколько раз умножим обе части на Ф и получим:

Ф³ = Ф² + Ф

Ф⁴ = Ф³ + Ф²

Ф⁵ = Ф⁴ + Ф³

….

Мы видим, что любая степень Ф равна сумме двух предыдущих степеней. В результате, имея значения Ф и Ф², нам не нужно выполнять операции умножения для получения других степеней Ф, достаточно сложить две последовательных степени, чтобы получить следующую.

Аналогично, используя выражения (2) и (3), мы можем найти другие соотношения между степенями Ф, которые содержат только само значение Ф и натуральные числа.

Ф³ = Ф² + Ф = Ф + 1 + Ф = 2Ф + 1

Ф⁴ = Ф³ + Ф² =(2Ф + 1) + (Ф + 1) = 3Ф + 2

Ф⁵ = Ф⁴ + Ф³ = (3Ф + 2) + (2Ф +1) = 5Ф + 3

Ф⁶ = Ф⁵ + Ф⁴ = 8Ф + 5

Ф⁷ = Ф⁶ + Ф⁵ = 13Ф + 8

Ф⁸= Ф⁷ + Ф⁶ = 21Ф +13

(4)

Мы видим, что для получения любой степени Ф достаточно умножить число Ф на сумму двух натуральных чисел из выражения для предыдущей степени Ф, а затем добавить коэффициент при Ф из предыдущего выражения. (Коэффициент — это множитель в математическом выражении.) Например, в выражении для Ф⁶ число 8, коэффициент при Ф, является суммой 5 и 3, которые содержатся в выражении для Ф⁵, а слагаемое 5 является коэффициентом при Ф для той же степени Ф⁵.

Запомним эти свойства, выражаемые формулами (3) и (4), они нам потребуются, когда мы будем использовать последовательность Фибоначчи для получения приближенного значения Ф. Но более подробно об этом будет рассказано позже. Левая часть выражения (3) также показывает, что мы можем построить геометрическую прогрессию из Ф, складывая его две последовательных степени.

Вычислим теперь значение 1/Ф, чтобы проверить, случаен ли был результат, который мы получили с приближенным значением Ф. Начнем с выражения (2), определяющего Ф:

Ф² = Ф + 1

Ф² — Ф = 1.

Разделим все члены этого уравнения на Ф:

(Ф² — Ф)/Ф = 1/Ф

Ф — 1 = 1/Ф

Это удивительное свойство открывает нам новые возможности. С помощью этого простого упражнения мы видим, что число Ф, несмотря на свое скромное определение, ведет нас к замечательным открытиям. Оно появляется в самых различных областях математики, а также имеет далеко идущие свойства.

Проиллюстрируем это, найдя значение следующей последовательности квадратных корней:

Добавляя по одному корню из единицы, мы получим последовательность приближенных значений числа А.

Далее, даже при добавлении дополнительных членов, результаты будут колебаться около значения 1,618, что, по сути, является значением Ф. Снова мы совершенно неожиданно нашли новый способ получения приближенного значения Ф. Хотя мы должны это доказать.

Возводя выражение (5) в квадрат, получим:

Это равносильно уравнению А² — А — 1 = 0

Это же самое уравнение определяет Ф. Следовательно, мы нашли еще один способ выразить значение золотого сечения:

Используя цепные дроби для нахождения приближенного значения Ф, мы получим следующее выражение:

Мы знаем, что это верно, потому что мы можем записать (6) в виде:

Таким образом, мы нашли еще два способа выражения Ф(5) и (6). В настоящее время простота компьютерных расчетов снизила важность этих способов, но на протяжении долгого времени эти подходы всегда упоминались в классической литературе. Даже сегодня эти методы хороши для умственной разминки и требуют лишь карманного калькулятора.

История математики полна неожиданностей. Одна из них касается золотого сечения, известного еще с древних времен и тесно связанного с геометрией. Однако спустя столетия это соотношение было найдено в ряде дробей, возникших из чисто арифметической последовательности. Гением, нашедшим эту связь между геометрией и арифметикой, был один из самых выдающихся математиков средневековья Леонардо Пизанский, более известный как Фибоначчи.

Фибоначчи написал труды по геометрии, алгебре и теории чисел, но его самая знаменитая книга посвящена вычислениям. Liber Abaci («Книга абака»), опубликованная в 1202 г., имеет обманчивое название (буквальное значение слова «абак» — «счетная доска»), возможно, намеренно ироничное, потому что в действительности она пытается продемонстрировать преимущества арабских цифр для вычислений перед методами, основанными на применении счётов и римских цифр, которые доминировали в то время в Италии. Книга Фибоначчи положила конец этой практике, но это произошло не сразу. Несмотря на то, что с помощью десятичных чисел проще было делать расчеты, новый метод распространялся не так быстро. Необходимо было преодолеть всякого рода сопротивление, прежде всего со стороны абацистов, счетоводов, которые на протяжении веков использовали счеты. Тем не менее, в конце концов алгористы, сторонники арабских цифр, победили.

Гравюра 1504 г. из энциклопедии Margarita Philosophies Грегора Рейша иллюстрирует спор между абацистами (справа) и алгористами (слева). Из рисунка видно, что даже через три века после Фибоначчи спор о системах счисления был все еще в разгаре.

Наряду с введением новых символов и методов расчета «Книга абака» была посвящена теории чисел (например, разложению на простые множители и правилам делимости) и содержала первоклассные алгебраические задачи. Конечно, она содержала главы о ведении счетов, о распределении прибыли и убытков, а также об обмене денег. Но самым известным разделом книги является знаменитая задача о размножении кроликов, решение которой известно сегодня как последовательность Фибоначчи.

Задача формулируется следующим образом: «Сколько пар кроликов будет у нас через год, если в январе у нас была одна пара, которая каждый месяц производит на свет другую пару, начиная с марта пара, в свою очередь, производит собственное потомство каждый месяц, начиная со второго месяца».

Для решения этой задачи Фибоначчи, как истинный бизнесмен, составил таблицу. В ней он записал рост популяции кроликов и подсчитал в столбце «Итого» число пар в конце каждого месяца. Беглый взгляд на этот столбец показывает странную закономерность в последовательности: каждое число является суммой двух предыдущих.

Числа в столбце «Итого» образуют так называемую последовательность Фибоначчи, согласно рекуррентному соотношению:

а₁ = 1; а₂ = 1; а_n = а_n-1 + а_n-2(n >= 2).

Теперь посмотрим на связь между этой последовательностью и золотым сечением. Вспомним выражения (4) для степеней Ф на стр. 26, запишем их здесь в окончательной форме:

Ф³ = 2Ф +1

Ф⁴ = 3Ф + 2

Ф⁵ = 5Ф + 3

ф⁶ = 8Ф + 5

Ф⁷ = 13Ф + 8

Ф⁸ = 21Ф + 13

Если мы обратим внимание на коэффициенты в правых частях этих выражений, то увидим, что они являются последовательными членами последовательности Фибоначчи. Мы используем это для выражения n-й степени золотого сечения, где а_n является n-м членом последовательности Фибоначчи:

Ф_n = а_n∙Ф + а_n-1

Теперь рассмотрим некоторые другие связи между этими двумя понятиями. Воспользуемся калькулятором, чтобы найти отношения соседних чисел в последовательности Фибоначчи: а_n/а_n-1. Первые несколько результатов имеют мало общего с Ф, но мы продолжим вычисления. Что мы видим? Ответы вдруг начинают приближаться к значению Ф. В следующей таблице видно, что, начиная с десятого члена, каждое частное отличается от предыдущего менее чем на 0,001.

Таким образом, для нахождения приближенного значения Ф нет необходимости извлекать квадратные корни, достаточно просто делить друг на друга члены последовательности Фибоначчи.

Как всегда в случае с золотым сечением, все эти доказательства указывают на определенный общий результат: предел отношений членов последовательности Фибоначчи равен Ф.

Докажем это. Допустим сначала, что предел отношений членов последовательности Фибоначчи, а именно предел последовательности а_n+1/а_n равен некоторому числу L. Запишем это следующим образом:

(Напомним, что а_n+1 = a_n + a_n-1.)

Число L описывается тем же уравнением, что и Ф, поэтому L и Ф должны иметь одинаковое значение. Таким образом, золотое сечение является пределом последовательности отношений чисел Фибоначчи.

Последовательность Фибоначчи начинается с двух единиц. Если вместо этого мы начнем последовательность с любых других равных чисел и построим остальные члены по тому же правилу (каждое число является суммой двух предыдущих), то предел отношений членов такой последовательности всегда будет равен Ф. Заметим, что в приведенном выше доказательстве мы использовали только это условие:

а_n+1 = a_n + a_n-1

Удивительные числа

Как мы видели, последовательность Фибоначчи позволяет найти приближенное значение числа Ф с любой точностью, вычисляя отношения ее членов. Однако последовательность имеет гораздо больше применений, чем предсказание роста численности популяции кроликов, и она неожиданно появляется в работах других математических гениев. Давайте рассмотрим некоторые из замечательных свойств последовательности Фибоначчи.

Сумма членов последовательности Фибоначчи

Если выбрать любые 10 соседних чисел из последовательности Фибоначчи и сложить их вместе, всегда получится число, кратное 11. Например, общая сумма первых 10 членов равна:

1 + 1 + 2 + 3 + 5 + 8 + 13 + 21 + 34 + 55 = 143 = 11∙13.

То же самое справедливо и для:

21 + 34 + 55 + 89 + 144 + 233 + 377 + 610 + 987 + 1597 = 4 147 = 11∙377.

Но это еще не все. Каждая сумма равна числу И, умноженному на седьмой член взятой подпоследовательности: 13 в первом случае и 377 во втором.

А вот еще один сюрприз. Для любого n сумма первых n членов последовательности всегда будет равна разности (n + 2)-го и первого члена последовательности. Мы видим это в случае первых десяти членов, сумма которых равна 143. Это и есть разность двенадцатого члена (144) и первого (1). В случае первых 17 членов общая сумма составляет 4180, что равно девятнадцатому члену а₁₉ (4181) минус 1.

Этот факт выражается следующей формулой:

1 + 1 + 2 + 3 + 5 + … а_n = а_n+2 — 1.

Мы можем использовать этот факт для нахождения суммы любого количества последовательных членов, что для непосвященных выглядит как магия. Например, выберем любые два числа, скажем, 25 и 40, и подставим их в нашу формулу вместо n:

1 + 1 + 2 + 3 + 5 + … а₄₀ = а₄₂ — 1.

1 + 1 + 2 + 3 + 5 + … а₂₅ = а₂₇ — 1.

Чтобы посчитать сумму всех членов между а₂₅ и а₄₀ (от а₂₆ до а₄₀ включительно), мы просто найдем разность между этими двумя выражениями:

a₂₆ + … + a₄₀ = a₄₂ — a₂₇.

Теперь в нашем распоряжении имеется следующий трюк: чтобы найти сумму всех членов последовательности между двумя данными членами (не включая первый, но включая второй член), достаточно найти разность соответствующих (n + 2)-х членов.

Работу Марио Мерца, изображающую последовательность Фибоначчи в виде спирали, можно увидеть на станции метро города Неаполя.

Существует бесконечное число пифагоровых троек, однако их нелегко найти. Но, как вы уже догадались, последовательность Фибоначчи позволяет найти пифагоровы тройки. Мы расскажем об этом в данном параграфе, но сначала покажем, какая существует связь между Фибоначчи, Пифагором и золотым сечением.

Самым известным свидетельством математического гения человечества является теорема Пифагора: в любом прямоугольном треугольнике квадрат длины большей стороны (гипотенузы) равен сумме квадратов длин двух других сторон (называемых катетами).

а² = Ь² + с².

С геометрической точки зрения мы можем рассматривать все стороны прямоугольного треугольника как стороны трех построенных на них квадратов. Площадь квадрата равна квадрату длины его стороны (квадрат имеет равные стороны). Теорема Пифагора просто говорит, что общая площадь квадратов, построенных на катетах прямоугольного треугольника (сумма площадей двух квадратов), равна площади квадрата, построенного на гипотенузе.

Эта формула позволяет нам определить тип треугольника, не измеряя его углов. Все, что нам нужно сделать, — это найти квадраты длин трех сторон и сравнить квадрат длины большей стороны с суммой квадратов длин двух других сторон. В случае равенства мы имеем прямоугольный треугольник. Если квадрат длины большей стороны больше, то треугольник является тупоугольным (наибольший угол больше 90°). Если сумма квадратов больше, то треугольник является остроугольным (все три угла меньше 90°).

Если мы построим квадрат на каждой стороне прямоугольного треугольника, то количество бумаги, необходимое для того, чтобы покрыть больший квадрат, будет таким же, как и количество бумаги, необходимое для покрытия двух меньших квадратов.

Если длины сторон прямоугольного треугольника являются целыми числами, то они образуют группу из трех чисел, называемых пифагоровыми тройками. Другими словами, пифагорова тройка — это три целых числа (а, b, с), удовлетворяющих условию:

a² = b² + c².

Теперь мы продемонстрируем метод нахождения пифагоровых троек с помощью последовательности Фибоначчи. Возьмем любые четыре последовательных числа из последовательности, например, 2, 3, 5 и 8, и построим еще три числа следующим образом:

1. Произведение двух крайних чисел: 2∙8 = 16;

2. Удвоенное произведение двух чисел в середине: 2∙(3∙5) = 30;

3. Сумма квадратов двух чисел в середине: З² + 5² = 34.

Мы можем легко убедиться, что эти три числа (34, 30, 16) образуют пифагорову тройку:

16² = 256; 30² = 900; 34² = 1156 => 256 + 900 = 1156.

Этот метод работает в любом случае для любых четырех последовательных чисел из последовательности Фибоначчи.

Три последовательных числа в последовательности Фибоначчи ведут себя предсказуемым образом. Выберем три любых последовательных числа и перемножим два крайних. Затем сравним результат с квадратом среднего числа. Разница всегда будет одинаковая, на единицу больше или меньше в зависимости от выбора чисел. Например, для чисел 3, 5 и 8 имеем 3∙8 = 5² — 1, а для чисел 5, 8 и 13 получим 5∙13 = 8² + 1.

В общем случае это соотношение между числами в последовательности Фибоначчи записывается так:

а_n² - а_n-1∙а_n+1 = (-1)^n-1

Если мы применим это свойство геометрически, мы обнаружим нечто странное. Нарисуем квадратную решетку 8 на 8 (она будет содержать 8² = 64 маленьких квадрата). Затем разделим большой квадрат на четыре части, как показано на рисунке на следующей странице. Далее мы переставим части, словно детали головоломки, и построим из них прямоугольник со сторонами 5 и 13. Но тогда он будет содержать 13∙5 = 65 маленьких квадратов! Откуда взялся дополнительный квадрат? Чтобы разобраться в этой загадке, мы должны посмотреть на углы, образуемые линиями, которыми мы разделили наш квадрат. Они не совсем равны, и когда мы строим из кусочков новую фигуру, они не образуют идеальный прямоугольник, оставляя крошечные зазоры. Эти небольшие зазоры в сумме дают дополнительную единицу площади, которая, казалось бы, появилась ниоткуда.

Общий член последовательности Фибоначчи

Фибоначчи определил свою последовательность с помощью рекуррентного соотношения. Формула общего члена последовательности была обнаружена в 1843 г. французским математиком Жаком Бине:

Эта формула показывает, что предел отношений соседних членов последовательности Фибоначчи равен золотому сечению.

Треугольник Паскаля и последовательность Фибоначчи

Треугольник Паскаля является одним из самых известных численных правил. Паскаль использовал его для разложения бинома Ньютона, но это правило уже было известно китайским ученым, а также персидскому математику XII в. Омару Хайяму.

Треугольник Паскаля строится следующим образом: в первом ряду (в нулевой строке) стоит цифра 1. Каждая следующая строка имеет на одно число больше, чем предыдущая, каждое новое число получается путем сложения двух чисел слева и справа над ним (там, где слева или справа числа нет, используется значение 0). Это определение подчеркивает связь треугольника Паскаля с последовательностью Фибоначчи, которая определяется аналогичным образом. С такими аналогичными определениями следует ожидать прямые численные соотношения между треугольником Паскаля и последовательностью Фибоначчи. И вот эта связь: надо только написать строки треугольника Паскаля одну под другой, а затем складывать элементы

по диагонали (см. диаграмму ниже), чтобы получить последовательность Фибоначчи (1, 1, 2, 3, 5, 8 и т. д.).

Простые числа в последовательности Фибоначчи

Последовательность Фибоначчи наполнена удивительными свойствами. Например, члены последовательности, которые являются простыми числами, могут занимать место, номер которого также является простым числом. Однако обратное не всегда верно. Например, на месте с номером n = 19 (простое число) стоит число а_n = 4181 = 37∙113 (т. е. не являющееся простым).

Продолжая тему простых чисел в последовательности Фибоначчи, мы можем высказать предположение, которое до сих пор не доказано: последовательность Фибоначчи содержит бесконечное количество простых чисел. В настоящее время неизвестно, является это предположение истинным или ложным.