问题

如何严格证明斐波那契数列的这两个性质?

回答
要深入理解和证明斐波那契数列的两个重要性质,我们需要回归到数列的定义本身,并运用严谨的数学推理。斐波那契数列 $F_n$ 的定义是:

$F_0 = 0$
$F_1 = 1$
$F_n = F_{n1} + F_{n2} quad ext{对于 } n ge 2$

我们来逐个证明这两个性质。



性质一: 两个相邻斐波那契数的和等于下一个斐波那契数

这个性质其实就是斐波那契数列的定义本身。但是,如果我们理解得更深一层,这个性质也蕴含着一种“局部构成全局”的思想。

证明思路:

这个性质是最直观的,因为它是斐波那契数列的生成规则。我们只需要根据定义来描述即可。

详细证明:

斐波那契数列的定义明确规定了:对于任何一个大于或等于 2 的整数 $n$,数列的第 $n$ 项 $F_n$ 是由它前两项(即第 $n1$ 项 $F_{n1}$ 和第 $n2$ 项 $F_{n2}$)相加得到的。

用数学语言来说,这就是:

$$F_n = F_{n1} + F_{n2} quad ext{对于所有整数 } n ge 2$$

我们来举几个例子来直观感受一下:

当 $n=2$ 时:根据定义,$F_2 = F_1 + F_0 = 1 + 0 = 1$。
当 $n=3$ 时:根据定义,$F_3 = F_2 + F_1 = 1 + 1 = 2$。
当 $n=4$ 时:根据定义,$F_4 = F_3 + F_2 = 2 + 1 = 3$。
当 $n=5$ 时:根据定义,$F_5 = F_4 + F_3 = 3 + 2 = 5$。

数列的前几项是 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, ...

这个性质简洁而强大,它是斐波那契数列所有其他有趣性质的基石。它表明了数列的每一个新项都依赖于前两个项,形成了一种链式反应。



性质二: 斐波那契数列的任意两项之积的差等于一个与其索引差相关的斐波那契数(Cassini’s Identity 的一种变体或相关性质)

这里我猜测您可能想问的是两个非常著名的斐波那契数列恒等式,它们都涉及数列项的乘积。一个是 Cassini's Identity ($F_{n1}F_{n+1} F_n^2 = (1)^n$),另一个是 d'Ocagne's Identity ($F_{m+n} = F_{m1}F_n + F_m F_{n+1}$)。

考虑到您说的是“两个相邻斐波那契数的和等于下一个斐波那契数”之后要讲的第二个性质,最有可能的意图是 Cassini's Identity,因为它直接描述了相邻项乘积的差值。我们来严格证明它。

Cassini's Identity: $F_{n1}F_{n+1} F_n^2 = (1)^n$

这个恒等式以法国天文学家 JeanDominique Cassini 的名字命名,它揭示了斐波那契数列项之间一种深刻的、与交替符号相关的乘积关系。

证明思路:

证明这个恒等式有几种方法,其中一种常见且严谨的方法是使用数学归纳法。我们将证明这个公式对于所有 $n ge 1$ 都成立。

详细证明 (使用数学归纳法):

我们需要证明对于所有整数 $n ge 1$,都有 $F_{n1}F_{n+1} F_n^2 = (1)^n$。

第一步:证明基本情况 (Base Case)

我们选择 $n=1$ 作为基本情况。根据定义:
$F_0 = 0$
$F_1 = 1$
$F_2 = F_1 + F_0 = 1 + 0 = 1$

将这些值代入恒等式左侧:
$F_{11}F_{1+1} F_1^2 = F_0 F_2 F_1^2$
$= (0)(1) (1)^2$
$= 0 1$
$= 1$

恒等式右侧是 $(1)^1 = 1$。

由于左侧等于右侧,所以恒等式在 $n=1$ 时成立。

第二步:假设归纳 (Inductive Hypothesis)

假设对于某个大于或等于 1 的整数 $k$,Cassini's Identity 成立。也就是说,我们假设:

$$F_{k1}F_{k+1} F_k^2 = (1)^k quad ()$$

第三步:证明归纳步骤 (Inductive Step)

我们现在需要证明当 $n = k+1$ 时,恒等式也成立。也就是说,我们需要证明:

$$F_{(k+1)1}F_{(k+1)+1} F_{k+1}^2 = (1)^{k+1}$$

简化一下,我们要证明:

$$F_k F_{k+2} F_{k+1}^2 = (1)^{k+1}$$

让我们从恒等式的左侧开始,并尝试将其化简成右侧的形式:

左侧 $= F_k F_{k+2} F_{k+1}^2$

根据斐波那契数列的定义,我们知道 $F_{k+2} = F_{k+1} + F_k$。我们将这个代入左侧:

$= F_k (F_{k+1} + F_k) F_{k+1}^2$

展开括号:

$= F_k F_{k+1} + F_k^2 F_{k+1}^2$

现在,我们的目标是利用归纳假设 $()$,它涉及 $F_{k1}F_{k+1} F_k^2$。为了将现在的表达式变形以包含这个形式,我们可以考虑将 $F_k$ 表示成与 $F_{k1}$ 和 $F_{k+1}$ 有关的形式。

一种更直接的方法是:我们可以尝试将表达式中的项进行重新组合。我们想要得到一个类似 $()$ 的形式。

考虑我们目前的表达式:$F_k F_{k+1} + F_k^2 F_{k+1}^2$

我们可以这样做:从 $F_k^2$ 中“借”一项给 $F_k F_{k+1}$,或者将 $F_{k+1}^2$ 拆开。

让我们尝试将 $F_k F_{k+1}$ 变形:
$F_k F_{k+1} = F_k (F_k + F_{k1}) = F_k^2 + F_k F_{k1}$ (使用定义 $F_{k+1} = F_k + F_{k1}$)

代入原式:
左侧 $= (F_k^2 + F_k F_{k1}) + F_k^2 F_{k+1}^2$
$= 2F_k^2 + F_k F_{k1} F_{k+1}^2$

这个方向似乎有点复杂。让我们换一个思路,尝试直接操纵与归纳假设 $()$ 最接近的项。

我们有左侧 $= F_k F_{k+2} F_{k+1}^2$。

将 $F_{k+2}$ 替换为 $F_{k+1} + F_k$:
$= F_k (F_{k+1} + F_k) F_{k+1}^2$
$= F_k F_{k+1} + F_k^2 F_{k+1}^2$

现在,我们知道归纳假设是 $F_{k1}F_{k+1} F_k^2 = (1)^k$。
整理一下,得到 $F_k^2 = F_{k1}F_{k+1} (1)^k$。

将 $F_k^2$ 代入我们当前的表达式:
$= F_k F_{k+1} + (F_{k1}F_{k+1} (1)^k) F_{k+1}^2$
$= F_k F_{k+1} + F_{k1}F_{k+1} F_{k+1}^2 (1)^k$

现在,我们可以尝试提取公因子 $F_{k+1}$:
$= F_{k+1} (F_k + F_{k1}) F_{k+1}^2 (1)^k$

根据定义,$F_k + F_{k1} = F_{k+1}$。代入:
$= F_{k+1} (F_{k+1}) F_{k+1}^2 (1)^k$
$= F_{k+1}^2 F_{k+1}^2 (1)^k$
$= 0 (1)^k$
$= (1)^k$

我们知道 $(1)^k = (1) cdot (1)^k = (1)^{k+1}$。

所以,左侧 $= (1)^{k+1}$。

这正是我们在第三步中需要证明的目标。因此,如果恒等式在 $n=k$ 时成立,那么它在 $n=k+1$ 时也成立。

结论:

通过数学归纳法,我们证明了 Cassini's Identity ($F_{n1}F_{n+1} F_n^2 = (1)^n$) 对于所有整数 $n ge 1$ 都成立。



另一种证明方法 (利用矩阵表示):

Cassini's Identity 还有一个非常优雅的证明方法,它利用了斐波那契数列与矩阵的联系。

我们定义一个矩阵 $Q$ 如下:
$$Q = egin{pmatrix} 1 & 1 \ 1 & 0 end{pmatrix}$$

可以通过计算 $Q^n$ 来得到斐波那契数列的项。事实上,有以下性质:
$$Q^n = egin{pmatrix} F_{n+1} & F_n \ F_n & F_{n1} end{pmatrix} quad ext{对于 } n ge 1$$

证明此矩阵性质:

基本情况 (n=1):
$Q^1 = egin{pmatrix} 1 & 1 \ 1 & 0 end{pmatrix}$
根据定义,$F_2=1, F_1=1, F_0=0$。
右侧是 $egin{pmatrix} F_2 & F_1 \ F_1 & F_0 end{pmatrix} = egin{pmatrix} 1 & 1 \ 1 & 0 end{pmatrix}$。
性质在 $n=1$ 时成立。

归纳步骤:
假设 $Q^k = egin{pmatrix} F_{k+1} & F_k \ F_k & F_{k1} end{pmatrix}$ 对于某个 $k ge 1$ 成立。
考虑 $Q^{k+1} = Q^k cdot Q$:
$$Q^{k+1} = egin{pmatrix} F_{k+1} & F_k \ F_k & F_{k1} end{pmatrix} egin{pmatrix} 1 & 1 \ 1 & 0 end{pmatrix}$$
$$Q^{k+1} = egin{pmatrix} F_{k+1}cdot 1 + F_kcdot 1 & F_{k+1}cdot 1 + F_kcdot 0 \ F_kcdot 1 + F_{k1}cdot 1 & F_kcdot 1 + F_{k1}cdot 0 end{pmatrix}$$
$$Q^{k+1} = egin{pmatrix} F_{k+1} + F_k & F_{k+1} \ F_k + F_{k1} & F_k end{pmatrix}$$
根据斐波那契数列定义,$F_{k+1} + F_k = F_{k+2}$ 且 $F_k + F_{k1} = F_{k+1}$。
所以,
$$Q^{k+1} = egin{pmatrix} F_{k+2} & F_{k+1} \ F_{k+1} & F_k end{pmatrix}$$
这与矩阵形式的性质吻合(将 $k$ 替换为 $k+1$)。因此,矩阵性质成立。

利用行列式证明 Cassini's Identity:

现在,我们来看 $Q^n$ 的行列式。
$det(Q) = det egin{pmatrix} 1 & 1 \ 1 & 0 end{pmatrix} = (1)(0) (1)(1) = 1$。

根据行列式的性质,$det(AB) = det(A) det(B)$,所以 $det(Q^n) = (det(Q))^n = (1)^n$。

另一方面,根据我们证明的矩阵性质:
$det(Q^n) = det egin{pmatrix} F_{n+1} & F_n \ F_n & F_{n1} end{pmatrix}$
$= F_{n+1} F_{n1} F_n F_n$
$= F_{n+1} F_{n1} F_n^2$

将两者结合起来:
$F_{n1}F_{n+1} F_n^2 = (1)^n$

这个矩阵方法非常简洁且严谨地证明了 Cassini's Identity。



总结:

您提出的第一个性质是斐波那契数列的定义本身。第二个性质,我们详细证明了 Cassini's Identity: $F_{n1}F_{n+1} F_n^2 = (1)^n$,这是通过数学归纳法和矩阵方法的两种严谨证明方式。这些证明展示了斐波那契数列在定义上的规律性如何引申出其各项之间令人惊叹的数学关系。

网友意见

user avatar

应该是从1开始的斐波那契数列。

题倒着做,想求和的最大公因数,用辗转相除法,不妨,则存在, 使得。算一下,

这第一问不就有了么。再观察一下,

故有

本来第一问想暴力算,看来是不用了...

user avatar

第一问使用数学归纳法。 显然。设 时成立,考虑 的情况:

得证。

第二问:用第一问和辗转相减。不妨设 ,则

注意到 ,从而

之后你懂的。

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