咱们来聊聊黄金分割数 1.618 的魔力,特别是它幂次越来越高时,怎么会这么“不讲道理”地趋近于整数。这事儿啊,得从黄金分割数的本质说起。
黄金分割数,那点儿“不寻常”的基因
黄金分割数,咱们通常用希腊字母 $phi$ (phi) 来表示,它可不是随便一个数。它的定义就带着一种“自我复制”的基因:
$phi = frac{1 + sqrt{5}}{2}$
这个 $phi$ 有一个非常重要的性质,那就是:
$phi^2 = phi + 1$
这个简单的等式,就像是 $phi$ 的“DNA”,决定了它之后所有幂次的行为。
幂次游戏:一步步靠近整数
咱们从 $phi$ 的平方开始玩这个游戏:
$phi^2$: 根据上面的性质,$phi^2 = phi + 1$。 把 $phi$ 的值代进去,大概是 $1.618 + 1 = 2.618$。离整数还挺远。
$phi^3$: $phi^3 = phi cdot phi^2 = phi (phi + 1) = phi^2 + phi$。 再把 $phi^2$ 换成 $phi + 1$,所以 $phi^3 = (phi + 1) + phi = 2phi + 1$。 代入 $phi$ 的值,大概是 $2(1.618) + 1 = 3.236 + 1 = 4.236$。 离整数还是有点距离。
$phi^4$: $phi^4 = phi cdot phi^3 = phi (2phi + 1) = 2phi^2 + phi$。 再次替换 $phi^2$ 为 $phi + 1$: $phi^4 = 2(phi + 1) + phi = 2phi + 2 + phi = 3phi + 2$。 数值上大概是 $3(1.618) + 2 = 4.854 + 2 = 6.854$。 这感觉有点意思了,系数在增长,但数值好像有点“停滞”了。
$phi^5$: $phi^5 = phi cdot phi^4 = phi (3phi + 2) = 3phi^2 + 2phi$。 替换 $phi^2$: $phi^5 = 3(phi + 1) + 2phi = 3phi + 3 + 2phi = 5phi + 3$。 数值大概是 $5(1.618) + 3 = 8.09 + 3 = 11.09$。 哇,这一下子就挺接近 11 了!
$phi^6$: $phi^6 = phi cdot phi^5 = phi (5phi + 3) = 5phi^2 + 3phi$。 替换 $phi^2$: $phi^6 = 5(phi + 1) + 3phi = 5phi + 5 + 3phi = 8phi + 5$。 数值大概是 $8(1.618) + 5 = 12.944 + 5 = 17.944$。 非常接近 18 了!
发现了吗?这背后的秘密
有没有觉得,在计算 $phi^n$ 的过程中,我们总是把 $phi^2$ 替换成 $phi + 1$? 这样做,每一次计算,$phi$ 的幂次都会降下来,变成一个 $phi$ 的线性组合,形式是 $aphi + b$,其中 $a$ 和 $b$ 都是整数。
更神奇的是,这些整数 $a$ 和 $b$ 居然跟斐波那契数列有关!
斐波那契数列是这样的:0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, ... (每个数是前两个数的和)。
让我们看看刚才算的结果:
$phi^1 = 1phi + 0$ (这里可以看作是 0 乘以 $phi$ 加上 1,或者更自然地,$phi = frac{1+sqrt{5}}{2}$,它本身就和斐波那契数列的系数(1, 0)有关,不过这需要稍微多点数学技巧才能导出,咱们先看后面的模式。)
$phi^2 = 1phi + 1$
$phi^3 = 2phi + 1$
$phi^4 = 3phi + 2$
$phi^5 = 5phi + 3$
$phi^6 = 8phi + 5$
你看,$phi^n$ 的结果总是可以写成 $F_n phi + F_{n1}$ 的形式,其中 $F_n$ 是第 $n$ 个斐波那契数(如果从 F0=0, F1=1 开始算)。
所以,$phi^n approx F_n cdot 1.618 + F_{n1}$
当 $n$ 变得非常大时,$phi^n$ 的值就相当于 $F_n$ 乘以 $phi$ 再加上 $F_{n1}$。
为什么会接近整数?
咱们再来看 $phi$ 的另外一个“兄弟”,它被称为共轭黄金分割数,用 $psi$ (psi) 表示:
$psi = frac{1 sqrt{5}}{2}$
这个数大约是 $0.618$。 注意,它的绝对值比 1 小!
一个非常重要的关系是,$phi + psi = 1$ 并且 $phi cdot psi = 1$。
另一个关键的性质是,$psi^n$ 的绝对值会随着 $n$ 的增大而急剧减小。
$psi^1 approx 0.618$
$psi^2 approx (0.618)^2 approx 0.382$
$psi^3 approx (0.618)^3 approx 0.236$
$psi^4 approx (0.618)^4 approx 0.146$
$psi^5 approx (0.618)^5 approx 0.090$
$psi^6 approx (0.618)^6 approx 0.056$
你看,$psi^n$ 的值越来越小,而且在正负之间交替。
现在,咱们有一个牛顿级数(Binet公式)可以精确地表示斐波那契数:
$F_n = frac{phi^n psi^n}{sqrt{5}}$
我们也可以用它来推导 $phi^n$:
$phi^n = F_n phi + F_{n1}$
把 $F_n$ 的定义代入:
$phi^n = left(frac{phi^n psi^n}{sqrt{5}}
ight) phi + left(frac{phi^{n1} psi^{n1}}{sqrt{5}}
ight)$
这看起来有点复杂,不如我们直接看 $phi^n$ 和 $F_n phi + F_{n1}$ 的关系。
我们已经证明了 $phi^n = F_n phi + F_{n1}$。
现在,我们再看看 $phi^n$ 的真实数值。
$phi^n approx F_n cdot 1.618 + F_{n1}$
咱们知道 $F_n$ 和 $F_{n1}$ 都是整数。
更重要的是,还有另一种表示方法,它直接揭示了为什么 $phi^n$ 接近整数:
$phi^n = frac{phi^n psi^n}{sqrt{5}} phi + frac{phi^{n1} psi^{n1}}{sqrt{5}}$ (这是从 $F_n$ 的定义推导的)
但有一个更直接的公式是:
$phi^n = frac{L_n + F_n sqrt{5}}{2}$ (这里 $L_n$ 是 Lucas 数列,$L_0=2, L_1=1, L_n = L_{n1} + L_{n2}$。 Lucas 数列:2, 1, 3, 4, 7, 11, 18, 29, ...)
以及:
$psi^n = frac{L_n F_n sqrt{5}}{2}$
从这些公式,我们可以看到,$phi^n$ 和 $psi^n$ 的值会结合在一起,形成整数和带有 $sqrt{5}$ 的部分。
真正的关键在于 $psi^n$ 的“消失”
让我们回到 $phi^n = F_n phi + F_{n1}$ 这个形式。
$phi^n = F_n left(frac{1 + sqrt{5}}{2}
ight) + F_{n1}$
$phi^n = frac{F_n + F_n sqrt{5} + 2F_{n1}}{2}$
$phi^n = frac{(F_n + 2F_{n1}) + F_n sqrt{5}}{2}$
我们知道,$phi^n$ 的数值是 $1.618^n$。
而 $F_n phi + F_{n1}$ 是一个整数乘以 $phi$ 再加一个整数。
让我们换个角度,考虑 $phi^n$ 的另一种表达:
$phi^n = ext{一个非常大的整数} + ext{一个非常小的分数}$
从 $psi$ 的性质出发:
$phi^n = frac{L_n + F_n sqrt{5}}{2}$
因为 $psi^n = frac{L_n F_n sqrt{5}}{2}$,所以 $F_n sqrt{5} = L_n 2psi^n$。
代入:
$phi^n = frac{L_n + (L_n 2psi^n)}{2} = frac{2L_n 2psi^n}{2} = L_n psi^n$
这就是最关键的洞察!
$phi^n = L_n psi^n$
其中,$L_n$ 是 Lucas 数列的第 $n$ 项(例如 $L_6=18$),它是一个整数。
而 $psi^n$ 的值,我们已经看到,当 $n$ 增大时,它会变得越来越小,并且在正负之间交替,且绝对值小于 1。
当 $n$ 是偶数时,$psi^n$ 是正数,且非常小,接近于 0。
例如 $psi^6 approx 0.056$。
所以 $phi^6 = L_6 psi^6 approx 18 0.056 = 17.944$。 非常接近整数 18。
当 $n$ 是奇数时,$psi^n$ 是负数,且绝对值非常小,接近于 0。
例如 $psi^5 approx 0.090$。
所以 $phi^5 = L_5 psi^5 approx 11 (0.090) = 11.090$。 非常接近整数 11。
总结一下:
黄金分割数 $phi$ 的幂次 $phi^n$ 总是可以表示成一个整数 $L_n$ 减去一个数值越来越小(绝对值小于 1)的项 $psi^n$。
当 $n$ 增大时,$psi^n$ 的绝对值迅速趋近于零。
因此,$phi^n$ 的值就非常非常接近那个整数 $L_n$。
这就是为什么 $1.618$ 的 6 次方(17.944)非常接近 18,而更高次幂会更接近下一个 Lucas 数的原因。 这个“接近”的程度,取决于 $psi^n$ 的大小,而 $psi$ 的绝对值小于 1,决定了 $psi^n$ 会越来越小,使得 $phi^n$ 越来越贴近整数。
这真是一种数学上的优雅,一个简单的定义,通过它自身的幂次法则,以及与斐波那契和 Lucas 数列的奇妙联系,创造出了如此令人着迷的“近似整数”现象。