Артур Бенджамин - Магия математики: Как найти x и зачем это нужно

Но отвлечемся немного от серьезных научных изысканий и займемся небольшим, но забавным фокусом, основанным на магии чисел Фибоначчи.

В 1 и 2 рядах таблицы напишите два любых числа от 1 до 10. Сложите их, а сумму запишите в 3 ряду. Затем сложите числа из 2 и 3 рядов. Результат запишите в 4 ряд. Продолжайте так делать (ряд 3 + ряд 4 = ряд 5 и т. п.), пока не дойдете до конца таблицы. У вас получится свой вариант последовательности Фибоначчи. А теперь разделите число из 10 ряда на число из 9 ряда. Из результата вам нужны первые три цифры, включая те, которые идут после запятой. В нашем примере из них оставляем 1,61. Хотите – верьте, хотите – нет, но, с каких бы двух положительных (необязательно целых и даже необязательно из промежутка от 1 до 10) чисел в 1 и 2 рядах вы ни начали, частным при делении числа 10 ряда на число 9 ряда всегда будет 1,61. Попробуйте сами разок-другой и легко в этом убедитесь.

Чтобы разобраться в природе этого фокуса, обозначим первые два числа литерами x и y. Тогда, следуя методу Фибоначчи, получаем x + y в 3 ряду, y + (x + y) = x + 2y в 4-м и т. д. по таблице:

Требуется найти частное чисел 10 и 9 рядов:

Почему же результат всегда будет начинаться с 1,61? Вы удивитесь, но в основе этого лежит неправильное сложение дробей. Допустим, у нас есть две дроби: a/b и c/d, причем знаменатели b и d – положительные величины. Что будет, если сложить между собой сначала числители, а потом знаменатели? А будет то, что получившееся в результате число, называемое медиантой, всегда будет где-то между двух исходных дробей. То есть при любых дробях a/b < c/d, знаменатели которых суть положительные величины, имеем

Начиная, например, с дробей 1/3 и 1/2, для которых медианта будет 2/5, она расположена в интервале 1/3 < 2/5 < 1/2.

Почему медианта всегда будет располагаться примерно между изначальными числами? Если мы начинаем с дробей где b и d – положительные величины, ad будет меньше bc. Прибавив к обеим сторонам ab, получим ab + ad < ab + bc или a(b + d) < (a + c)b, что значит, что Таким же образом приходим к

Обратите внимание, что при x, y > 0

Следовательно, медианта этих двух дробей должна находиться между ними. Другими словами,

Вот почему частное чисел из 10 и 9 рядов должно начинаться с 1,61, как мы уже до этого и посчитали.

Прежде чем открыть секрет числа 1,61, можете поразить свою аудиторию, постоянно добавляя числа к своей таблице. Так, в нашем примере, где мы начали с 3 и 7, достаточно беглого взгляда, чтобы узнать результат – 781. Как? С помощью алгебры. Если сложить значения из 2 таблицы, мы получим сумму, равную 55x + 88y. И что? А то, что вместо этого можно написать 11(5x + 8y) = 11 × ряд 7. Поэтому, взяв число из 7 ряда (в нашем примере это 71) и умножив его на 11 (здесь можно использовать фокус с умножением на 11 из главы 1), получим 781.

В чем важность числа 1,61? Если не останавливаться на 10 ряду и продолжать расширять таблицу, вы легко обнаружите, что частное двух соседних чисел будет от ряда к ряду все больше приближаться к значению, которое называют «золотым сечением» –

Кроме g, для обозначения этого числа математики часто используют греческую букву φ, которая произносится как «фи» (да-да, «Фи-боначчи»).

Алгебра покажет нам, на самом ли деле частное двух соседних чисел последовательности Фибоначчи приближается к g. Предположим, что частное Fn+1/Fn приближается к значению r при увеличении n. Но ведь о числах Фибоначчи мы знаем, что Fn+1 = Fn + Fn–1, поэтому

При увеличении значения n левая сторона приближается к r, а правая – к Значит,

Умножив обе стороны этого уравнения на r, получим

Другими словами, r² – r – 1 = 0, а согласно формуле корней квадратного уравнения здесь имеется только один положительный ответ:

Существует еще одна будоражащая воображение формула для n-ного числа последовательности Фибоначчи, которая использует золотое сечение. Это формула Бине, которая говорит, что

Глядя на нее, я не перестаю удивляться: как такое возможно, что вся эта формула, построенная вокруг √5, приводит к целым величинам?!

Мы можем ее немного упростить, потому что значение

находится между –1 и 0, и чем больше мы увеличиваем степень, тем больше оно приближается к 0. По большому счету, можно утверждать, что для любого n ≥ 0, Fn вычисляется через gn/√5 с последующим округлением до ближайшего целого. Можете взять калькулятор и проверить. Если взять g = 1,618, то, возведя 1,618 в десятую степень, получим 122,966… (что подозрительно близко к 123). А разделив этот результат на √5 ≈ 2,236, придем к 54,992. Округление даст F10 = 55 – известный нам результат. Из g20 получается 15 126,99993, которое после деления на √5 превращается в 6765,00003, то есть F20 = 6765. А калькулятор легко проведет нас от g100/√5 к F100 ≈ 3,54 × 1020.

Все эти вычисления показывают, что g10 и g20 настолько близки к целым числам, что практически ими являются. Что именно здесь происходит? Посмотрите на последовательность Люка́

названную в честь французского математика Эдуарда Люка (1842–1891) – первооткрывателя многих удивительных свойств этих чисел, а заодно и чисел Фибоначчи, включая формулу с наибольшим общим делителем, о которой мы не так давно говорили. Кстати, именно Люка впервые назвал набор чисел 1, 1, 2, 3, 5, 8… последовательностью Фибоначчи. Последовательность же Люка соответствует его собственной (несколько упрощенной) версии формулы Бине –

Другими словами, при n ≥ 1 Ln есть целая ближайшая к gn величина (что согласуется с тем, что мы уже видели: g10 ≈ 123 = L10). А вот как связаны между собой последовательности Фибоначчи и Люка:

Не заметить здесь закономерность почти невозможно. Например, сложение «соседей» числа Фибоначчи дает соответствующее ему по позиции число последовательности Люка:

А если мы сложим «соседей» числа из последовательности Люка, получим результат, который будет ровно в 5 раз больше соответствующего ему по позиции числа Фибоначчи:

Если перемножить между собой соответствующие друг другу числа двух последовательностей, мы получим еще одно число последовательности Фибоначчи!

Последнее может быть доказано с помощью алгебры и формул Бине (а именно (x – y)(x + y) = x² – y²). Исходя из h = (1 – √5)/2, представим формулы Бине для чисел Фибоначчи и Люка в виде

И когда мы их перемножаем, получается

Откуда пришло название «золотое сечение»? Из золотого прямоугольника, в котором соотношение длинной и короткой сторон составляет g = 1,61803…

Если обозначить короткую сторону единицей и убрать из прямоугольника квадрат со сторонами 1 на 1, у нас останется еще один прямоугольник со сторонами 1 и (g – 1), соотношение которых составит