世界名題與小升初之一:裴波那契數(shù)列的若干表現(xiàn)
來源:轉(zhuǎn)載 2008-05-07 18:12:19
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在各類競(jìng)賽中,各類小升初考試中相關(guān)的世界名題出現(xiàn)的概率極高,這是由小升初與數(shù)學(xué)競(jìng)賽的特點(diǎn)決定,這特點(diǎn)便是:知識(shí)性,趣味性,思想性相結(jié)合。
中世紀(jì)最有才華的數(shù)學(xué)家斐波那契(1175年~1259年)出生在意大利比薩市的一個(gè)商人家庭。因父親在阿爾及利亞經(jīng)商,因此幼年在阿爾及利亞學(xué)習(xí),學(xué)到不少時(shí)尚未流傳到歐洲的阿拉伯?dāng)?shù)學(xué)。成年以后,他繼承父業(yè)從事商業(yè),走遍了埃及、希臘、敘利亞、印度、法國和意大利的西西里島。
斐波那契是一位很有才能的人,并且特別擅長于數(shù)學(xué)研究。他發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)阿拉伯?dāng)?shù)學(xué)要比歐洲大陸發(fā)達(dá),因此有利于推動(dòng)歐洲大數(shù)學(xué)的發(fā)展。他在其他國家和地區(qū)經(jīng)商的同時(shí),特別注意搜集當(dāng)?shù)氐乃阈g(shù)、代數(shù)和幾何的資料。回國后,便將這些資料加以研究和整理,編成《算經(jīng)》(1202年,或叫《算盤書》)!端憬(jīng)》的出版,使他成為一個(gè)聞名歐洲的數(shù)學(xué)家。繼《算經(jīng)》之后,他又完成了《幾何實(shí)習(xí)》(1220年)和《四藝經(jīng)》(1225年)兩部著作。
《算經(jīng)》在當(dāng)時(shí)的影響是相當(dāng)巨大的。這是一部由阿拉伯文和希臘文的材料編譯成拉丁文的數(shù)學(xué)著作,當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是歐洲人寫的一部偉大的數(shù)學(xué)著作,在兩個(gè)多世紀(jì)中一直被奉為經(jīng)典著作。
在當(dāng)時(shí)的歐洲,雖然多少知道一些阿拉伯記數(shù)法和印度算法,但僅僅局限在修道院內(nèi),一般的人還只是用羅馬數(shù)學(xué)記數(shù)法而盡量避免用“零”。斐波那契的《算經(jīng)》,介紹了阿拉伯記數(shù)法和印度人對(duì)整數(shù)、分?jǐn)?shù)、平方根、立方根的運(yùn)算方法,這部著作在歐洲大陸產(chǎn)生了極大的影響,并且改變了當(dāng)時(shí)數(shù)學(xué)的面貌。他在這本書的序言中寫道:“我把自己的一些方法和歐幾里得幾何學(xué)中的某些微妙的技巧加到印度的方法中去,于是決定寫現(xiàn)在這本15章的書,使拉丁族人對(duì)這些東西不會(huì)那么生疏。
在斐波那契的《算經(jīng)》中,記載著大量的代數(shù)問題及其解答,對(duì)于各種解法都進(jìn)行了嚴(yán)格的證明。下面是書中記載的一個(gè)有趣的問題:
[例題1]有個(gè)人想知道,一年之內(nèi)一對(duì)兔子能繁殖多少對(duì)?于是就筑了一道圍墻把一對(duì)兔子關(guān)在里面。已知一對(duì)兔子每個(gè)月可以生一對(duì)小兔子,而一對(duì)兔子出生后在第二個(gè)月就開始生小兔子。假如一年內(nèi)沒有發(fā)生死亡現(xiàn)象,那么,一對(duì)兔子一年內(nèi)能繁殖成多少對(duì)?
現(xiàn)在我們先來找出兔子的繁殖規(guī)律,在第一個(gè)月,有一對(duì)成年兔子,第二個(gè)月它們生下一對(duì)小兔,因此有二對(duì)兔子,一對(duì)成年,一對(duì)未成年;到第三個(gè)月,第一對(duì)兔子生下一對(duì)小兔,第二對(duì)已成年,因此有三對(duì)兔子,二對(duì)成年,一對(duì)未成年。月月如此。
第1個(gè)月到第6個(gè)月兔子的對(duì)數(shù)是:
1,2,3,5,8,13。
我們不難發(fā)現(xiàn),上面這組數(shù)有這樣一個(gè)規(guī)律:即從第3個(gè)數(shù)起,每一個(gè)數(shù)都是前面兩個(gè)數(shù)的和。若繼續(xù)按這規(guī)律寫下去,一直寫到第12個(gè)數(shù),就得:
1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144,233。
顯然,第12個(gè)數(shù)就是一年內(nèi)兔子的總對(duì)數(shù)。所以一年內(nèi)1對(duì)兔子能繁殖成233對(duì)。
在解決這個(gè)有趣的代數(shù)問題過程中,斐波那契得到了一個(gè)數(shù)列。人們?yōu)榧o(jì)念他這一發(fā)現(xiàn),在這個(gè)數(shù)列前面增加一項(xiàng)“1”后得到數(shù)列:
1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,……叫做“斐波那契數(shù)列”,這個(gè)數(shù)列的任意一項(xiàng)都叫做“斐波那契數(shù)”。
在美國《科學(xué)美國人》雜志上曾刊登過一則有趣的故事:
[例題2]世界著名的魔術(shù)家蘭迪先生有一塊長和寬都是13分米的地毯,他想把它改成8分米寬、21分米長的地毯。
他拿著這塊地毯去找地毯匠奧馬爾,并對(duì)他說:“我的朋友,我想請(qǐng)您把這塊地毯分成四塊,然后再把它們縫在一起,成為一塊8分米×21分米的地毯。”奧馬爾聽了以后說道:“很遺憾,蘭迪先生。您是一位偉大的魔術(shù)家,但您的算術(shù)怎么這樣差呢!13×13=169,而8×21=168,這怎么辦得到呢?”蘭迪說:“親愛的奧馬爾,偉大的蘭迪是從來不會(huì)錯(cuò)的,請(qǐng)您把這塊地毯裁成這樣的四塊!
然而奧馬爾照他所說的裁成四塊后。蘭迪先生便把這四塊重新擺好,再讓奧馬爾把它們縫在一起,這樣就得到了一塊8分米×21分米的地毯。
奧馬爾始終想不通:“這怎么可能呢?地毯面積由169平方分米縮小到168平方分米,那一平方米到哪里去了呢?”
將四個(gè)小塊拼成長方形時(shí),在對(duì)角線中段附近發(fā)現(xiàn)了微小的重疊。正是沿著對(duì)角線的這點(diǎn)疊合,而導(dǎo)致了丟失一個(gè)單位的面積。讀者不妨自己用紙?jiān)囈幌隆?nbsp;
涉及到四個(gè)長度數(shù)5,8,13,21都是斐波那契數(shù),并且132=8×21+1,82=5×13-1。多做幾次上述的試驗(yàn),就可以發(fā)現(xiàn)斐波那契數(shù)列的一個(gè)有趣而重要的性質(zhì):an2=an-1•an+1±1(n≥2),即每個(gè)斐波那契數(shù)的平方與它左右兩個(gè)數(shù)的乘積相差1。
斐波那契數(shù)列在實(shí)際生活中有非常廣泛而有趣的應(yīng)用。除了動(dòng)物繁殖外,植物的生長也與斐波那契數(shù)有關(guān)。數(shù)學(xué)家澤林斯基在一次國際性的數(shù)學(xué)會(huì)議上提出樹生長的問題:如果一棵樹苗在一年以后長出一條新枝,然后休息一年。再在下一年又長出一條新枝,并且每一條樹枝都按照這個(gè)規(guī)律長出新枝。那么,第1年它只有主干,第2年有兩枝,第3年就有3枝,然后是5枝、8枝、13枝等等,每年的分枝數(shù)正好是斐波那契數(shù)。
生物學(xué)中所謂的“魯?shù)戮S格定律”,也就是斐波那契數(shù)列在植物學(xué)中的應(yīng)用。
下面這些例子,都落實(shí)到與小升初有關(guān)的考題中了。題目的面目各不相同,但最后都露出斐波那契數(shù)列的真面目。
[例題3]下圖是一個(gè)樹形圖的生長過程,依據(jù)圖中所示的生長規(guī)律,第16行的實(shí)心圓點(diǎn)的個(gè)數(shù)是 .(迎春杯賽題)
分析與解:我在上課時(shí)經(jīng)常提到,有些題它只是表達(dá)的形式不一樣,其實(shí)只要透過現(xiàn)象抓住本質(zhì),不同的表達(dá)形式,所要揭示的問題的實(shí)質(zhì)是一樣的。
這一題的實(shí)質(zhì)是上面提到的生長樹,是非常有名的裴波那契數(shù)列。
從圖上很容易看出從第一行開始,實(shí)心圓點(diǎn)的數(shù)量是這樣排列的:0,1,1,2,3,5……
對(duì)于每一個(gè)空心圓點(diǎn)它到下一行只生出一個(gè)實(shí)心圓點(diǎn),而對(duì)于每一個(gè)實(shí)心圓點(diǎn)它到下一行可生出一空一實(shí)兩個(gè)點(diǎn)。到第六時(shí)我們可看出這一行的五個(gè)實(shí)心圓點(diǎn)到下一行必定能生出5個(gè)實(shí)心圓點(diǎn)另五個(gè)是空心圓點(diǎn),另外三個(gè)空心圓點(diǎn)還能生出三個(gè)實(shí)心圓點(diǎn),因此下一行為5+3=8個(gè)實(shí)心圓點(diǎn),同理下一行的實(shí)心圓點(diǎn)數(shù)為本行的所有實(shí)心加所有空心圓點(diǎn)數(shù),為8+5=13……不用多說,這實(shí)際有一個(gè)非常明顯的規(guī)律:也就是這一列數(shù)從第三個(gè)數(shù)起任一個(gè)數(shù)都等于它前兩個(gè)數(shù)的和。因此結(jié)果很快可推知:0,1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144,233,377,610。第16行的實(shí)心圓點(diǎn)個(gè)數(shù)為610。
另外空心圓點(diǎn)的數(shù)目其實(shí)也是有一定規(guī)律的,可以列出來看一下:1,0,1,1,2,3,5,8……你能發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律嗎?那么第16行空心圓點(diǎn)的個(gè)數(shù)又是多少呢?
[例題4]一個(gè)樓梯共有10級(jí)臺(tái)階,規(guī)定每步可以邁一級(jí)臺(tái)階或二級(jí)臺(tái)階,最多可以邁三級(jí)臺(tái)階。從地面到最上面一級(jí)臺(tái)階,一共可以有多少種不同的走法?(華校思維導(dǎo)引計(jì)數(shù)綜合二)
分析與解:
這題同樣用找規(guī)律的方法,我們可以先看只有1級(jí)臺(tái)階的情況開始:
一級(jí)臺(tái)階,有:1種;
2級(jí)臺(tái)階,有1、1,2,共兩種;
3級(jí)臺(tái)階,可以有:1、1、1,1、2,2、1,3,共4種走法;
4級(jí)臺(tái)階時(shí),有:1、1、1、1,1、1、2,1、2、1,2、1、1,2、2,1、3,3、1,共7=4+2+1種;
5級(jí)臺(tái)階時(shí),有:1、1、1、1、1,1、1、1、2,1、1、2、1,1、2、1、1,2、1、1、1,1、2、2,2、1、2,2、2、1,1、1、3,1、3、1,3、1、1,2、3,3、2,共13=7+4+2種;
6級(jí)臺(tái)階時(shí),得到24=13+7+4種;
即:n級(jí)臺(tái)階時(shí),所有的走法種數(shù)是它的前三種走法的和。
由此得到,10級(jí)臺(tái)階時(shí)為274種。
上面的方法我用另一種思路來加以說明,可能對(duì)你有幫助。即還可用加法原理倒推,較重要。想上第10級(jí)臺(tái)階,根據(jù)題意,完成這件事情的方法可分為三類:一是從第9級(jí)臺(tái)階跨一步上去,二是從第8級(jí)臺(tái)階跨兩步上去,三是從第7級(jí)臺(tái)階跨三步上去,這三類中每一類方法都能完成“上第十級(jí)臺(tái)階”這一任務(wù),具有典型的加法原理特征。也就是A10=A9+A8+A7,A10,A9等表示上第N級(jí)臺(tái)階的方法數(shù)。
同理可推得:A9=A8+A7+A6
A8=A7+A6+A5
……
A4=A3+A2+A1
那么只要前三個(gè)臺(tái)階數(shù)的答案,后面的逐漸加上去就可以了。
[例題5]對(duì)一個(gè)自然數(shù)作如下操作:如果是偶數(shù)則除以2,如果是奇數(shù)則加,如此進(jìn)行直到得數(shù)為1操作停止。問經(jīng)過9次操作變?yōu)?的數(shù)有多少個(gè)?(華校考題)
分析與解:這一題首先我們可以明確的是要采用逆推的方法,其次我們還得利用找規(guī)律來歸納出計(jì)算方法。在復(fù)雜的或者步子比較多的計(jì)數(shù)中,找規(guī)律是一種非常常用的方法。
歸納總結(jié)上述規(guī)律,從第三項(xiàng)起,每一項(xiàng)都是前兩項(xiàng)之和。
各位讀者,有了上面的經(jīng)驗(yàn),你能不能看出下面幾道題的真面目。
[考考1]如下圖,從A處穿過房間到達(dá)B處,如果要求只能從小號(hào)碼房間走向大號(hào)碼房間,那么共有多少種不同的走法?
[考考2]有一堆火柴共 12根,如果規(guī)定每次取 1~3根,那么取完這堆火柴共有多少種不同取法?
[考考3]如下圖,小方和小張進(jìn)行跳格子游戲,小方從A跳到B,每次可跳1步或2步;小張從C跳到D,每次可跳1步、2步或3步。規(guī)定:誰跳到目標(biāo)處的不同跳法最多,誰就獲勝。問獲勝方的跳法比另一方多 種。
[考考4]一只青蛙從寬5米的水田的一邊要跳往另一邊,它每次只能跳0.5米,或1米,這只青蛙跳過水田共有多少種不同的方法?
發(fā)現(xiàn)同學(xué)們做這類題最常見的錯(cuò)誤是弄錯(cuò)項(xiàng)數(shù),像第一題明明是55,但容易算成34,或89,這一點(diǎn)千萬要注意次數(shù)與答案之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。
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