2009年2月8日日曜日

フィボナッチ数列


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フィボナッチ数列の定義


F_n = ¥begin{cases}  0 & ¥mbox{if }n = 0¥¥1 & ¥mbox{if }n = 1¥¥F_{n-1}+F_{n-2} & ¥mbox{if }n > 1¥¥ ¥end{cases}


0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987, …


近似式


F_n = ¥lfloor ¥frac{¥phi^n}{sqrt5} + ¥frac{1}{2} ¥rfloor
¥left ¥lfloor x ¥right ¥rfloorは床関数と呼ばれるもので、要は小数点以下切り捨て
なので、これは四捨五入


近似式の証明

まずはこれを証明する。
¥color{red}{F_{n} = ¥frac{¥phi^{n}-¥psi^{n}}{sqrt5}}

3項漸化式F_{n+1} = F_{n} + F_{n-1}の特性方程式x^2 = x + 1を解くと、
x = ¥frac{(1 ¥pm sqrt5)}{2}
これを、
¥phi = ¥frac{(1+sqrt5)}{2}¥psi = ¥frac{(1-sqrt5)}{2}
とおく。特性方程式の解から逆に漸化式を作成すると、
F_{n+1} - ¥phi F_{n} = ¥psi(F_{n} - ¥phi F_{n-1})…(1)
F_{n+1} - ¥psi F_{n} = ¥phi(F_{n} - ¥psi F_{n-1}) …(2)


¥phi ¥neq ¥psiなので、
(1)、(2)はそれぞれ
初項F_{2} - ¥phi F_{1}、公比¥psiの等比数列
初項F_{2} - ¥psi F_{1}、公比¥phiの等比数列
なので、
F_{n+1} - ¥phi F_{n} = ¥psi^{n-1}(F_{2} - ¥phi F_{1}) = ¥psi^{n-1}(1-¥phi) = ¥psi^{n}…(3)
F_{n+1} - ¥psi F_{n} = ¥phi^{n-1}(F_{2} - ¥psi F_{1}) = ¥phi^{n-1}(1-¥psi) = ¥phi^{n}…(4)
が得られる。


(3)(4)の差をとると、
¥begin{align} (¥phi - ¥psi)F_{n} &= ¥phi^{n-1}(F_{2} - ¥psi F_{1}) - ¥psi^{n-1}(F_{2} - ¥phi F_{1})¥¥ &= ¥phi^{n-1}(1 - 1*¥psi) - ¥psi^{n-1}(1 - 1*¥phi)  ¥¥¥end{align}


ここで、¥phi - ¥psi = sqrt51-¥psi = ¥phi1-¥phi = ¥psiなので


よって任意のnに対して次式が成り立つ
F_{n} = ¥frac{¥phi^{n}-¥psi^{n}}{sqrt5}


ここで |¥psi| < 0.62 であるから
n < 1 のとき |¥psi^n| < |¥psi| < 0.62 であり、
|¥frac{¥psi^n}{sqrt5}| < 0.5 である。


よって
¥frac{¥phi^{n}-¥psi^{n}}{sqrt5} - 0.5 ¥quad < ¥quad ¥frac{¥phi^n}{sqrt5}¥quad < ¥quad ¥frac{¥phi^{n}-¥psi^{n}}{sqrt5} + 0.5


数学的帰納法だと

¥color{red}{F_{n} = ¥frac{¥phi^{n}-¥psi^{n}}{sqrt5}}
の証明は数学的帰納法だと、

F_0 = (¥phi^0 - ¥psi^0)/sqrt5 = 0
F_1 = (¥phi^1 - ¥psi^1)/sqrt5 = 1
F_k = (¥phi^k - ¥psi^k)/sqrt5
F_{k+1} = (¥phi^{k+1} - ¥psi^{k+1})/sqrt5
¥begin{align}F_{k+2} &= F_{k+1} + F_{k}¥¥ &= ¥frac{(¥phi^{k+1} - ¥psi^{k+1})}{sqrt5}+¥frac{(¥phi^k - ¥psi^k)}{sqrt5} ¥¥ &=¥frac{¥phi^k(¥phi+1) - ¥psi^k(¥psi+1)}{sqrt5}¥¥  &= ¥frac{¥phi^{k+2}-¥psi^{k+2}}{sqrt5} ¥¥¥end{align}
よって任意のnに対して次式が成り立つ
F_{n} = ¥frac{¥phi^{n}-¥psi^{n}}{sqrt5}


フィボナッチ数列の隣り合う 2 項の比は黄金比に収束する

黄金比の説明のときに残しておいた宿題。

¥lim_{n ¥rightarrow ¥infty}¥frac{F_{n}}{F_{n-1}} ¥rightarrow ¥phi
x = ¥lim_{n ¥rightarrow ¥infty}¥frac{F_{n}}{F_{n-1}} = ¥lim_{n ¥rightarrow ¥infty}¥frac{F_{n-1}+F_{n-2}}{F_{n-1}} = ¥lim_{n ¥rightarrow ¥infty}¥left(1+¥frac{F_{n-2}}{F_{n-1}}¥right) = 1 + ¥frac{1}{x}
 x = 1+¥frac{1}{x}
 x^2 = x + 1

黄金比の値は、二次方程式 x2 = x + 1 の正の解なので、これで証明終了





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