斐波那契数列

斐波那契数列是一个由0和1开始,后续每一项都是前两项之和的数列。通过待定系数法可以推导出其通项公式,涉及到递推关系和等比数列的知识。最终得出斐波那契数列的第n项可以用根号5除以两个特定的数的n次幂之差来表示。

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一、什么是斐波那契数列

斐波那契数列,指的是这样一个数列(从第0项开始):0、1、1、2、3、5、8、13、21 …… 。也就是说,斐波那契数列由0和1开始,之后的每一项都是前两项的和。
递推公式:
F(0)=0,F(1)=1,F(n)=F(n−1)+F(n−2)F(0) =0 , F(1) = 1, F(n) = F(n-1) + F(n-2)F(0)=0,F(1)=1,F(n)=F(n1)+F(n2)

二、斐波那契数列的通项公式

下面,我们用“待定系数法”推导斐波那契数列的数学通项公式。
设存在常数 r 和 s ,使得
F(n)−rF(n−1)=s∗[F(n−1)−r∗F(n−2)]F(n) - rF(n-1) = s * [ F(n-1) - r*F(n-2)]F(n)rF(n1)=s[F(n1)rF(n2)]
rF(n−1)rF(n-1)rF(n1)移到等号右边,得到
F(n)=(s+r)∗F(n−1)−s∗r∗F(n−2)F(n) = (s+r) * F(n-1) - s*r*F(n-2)F(n)=(s+r)F(n1)srF(n2)
由于斐波那契数列的递推公式是:
F(n)=F(n−1)+F(n−2)F(n) = F(n-1) + F(n-2)F(n)=F(n1)+F(n2)
所以,可得到 s+r=1,−s∗r=1s+r = 1, -s*r = 1s+r=1,sr=1

n≥3时,有:n\geq3时,有:n3时,有:
F(n)−rF(n−1)=s∗[F(n−1)−r∗F(n−2)]F(n) - rF(n-1) = s * [ F(n-1) - r*F(n-2)]F(n)rF(n1)=s[F(n1)rF(n2)]
F(n−1)−rF(n−2)=s∗[F(n−2)−r∗F(n−3)]F(n-1) - rF(n-2) = s * [ F(n-2) - r*F(n-3)]F(n1)rF(n2)=s[F(n2)rF(n3)]
F(n−2)−rF(n−3)=s∗[F(n−3)−r∗F(n−4)]F(n-2) - rF(n-3) = s * [ F(n-3) - r*F(n-4)]F(n2)rF(n3)=s[F(n3)rF(n4)]
⋅⋅⋅⋅⋅·····⋅⋅⋅⋅⋅
F(3)−rF(2)=s∗[F(2)−r∗F(1)]F(3) - rF(2) = s * [ F(2) - r*F(1)]F(3)rF(2)=s[F(2)rF(1)]
联立以上n−2n-2n2个式子,可得到:
F(n)−rF(n−1)=sn−2∗[F(2)−r∗F(1)]F(n) - rF(n-1) = s ^{n-2} * [ F(2) - r*F(1)]F(n)rF(n1)=sn2[F(2)rF(1)]

因为$ F(1) = 1, F(2) = 1$ ,所以上方的等式可以被化简为:
F(n)−rF(n−1)=sn−2∗(1−r)F(n) - rF(n-1) = s ^{n-2} * (1-r)F(n)rF(n1)=sn2(1r)

又因为s+r=1s+r = 1s+r=1 , 即s=1−rs = 1-rs=1r。 所以上方的等式可以被化简为:
F(n)−rF(n−1)=sn−1F(n) - rF(n-1) = s ^{n-1}F(n)rF(n1)=sn1
也就是
F(n)=sn−1+rF(n−1)F(n) = s ^{n-1} + rF(n-1)F(n)=sn1+rF(n1)

那么,可以有如下推导:
F(n)=sn−1+rF(n−1)F(n) = s ^{n-1} + rF(n-1)F(n)=sn1+rF(n1)
=sn−1+r(sn−2+rF(n−2))= s ^{n-1} + r(s^{n-2} + rF(n-2))=sn1+r(sn2+rF(n2))
=sn−1+r∗sn−2+r2F(n−2)= s ^{n-1} + r*s^{n-2} + r^2F(n-2)=sn1+rsn2+r2F(n2)
=sn−1+r∗sn−2+r2(sn−3+rF(n−3))= s ^{n-1} + r*s^{n-2} + r^2(s ^{n-3} + rF(n-3))=sn1+rsn2+r2(sn3+rF(n3))
=sn−1+r∗sn−2+r2∗sn−3+r3F(n−3)= s ^{n-1} + r*s^{n-2} + r^2*s ^{n-3} + r^3F(n-3)=sn1+rsn2+r2sn3+r3F(n3)
⋅⋅⋅⋅⋅⋅······⋅⋅⋅⋅⋅⋅
=sn−1+r∗sn−2+r2∗sn−3+......+rn−2∗s+rn−1F(1)= s ^{n-1} + r*s^{n-2} + r^2*s ^{n-3} + ...... +r^{n-2}*s+ r^{n-1}F(1)=sn1+rsn2+r2sn3+......+rn2s+rn1F(1)
=sn−1+r∗sn−2+r2∗sn−3+......+rn−2∗s+rn−1= s ^{n-1} + r*s^{n-2} + r^2*s ^{n-3} + ...... +r^{n-2}*s+ r^{n-1}=sn1+rsn2+r2sn3+......+rn2s+rn1

这是一个以 sn−1s^{n-1}sn1为首项、以rn−1r^{n-1}rn1为末项、以rs\dfrac{r}{s}sr为公比的等比数列的各项的和。所以,
=sn−1−rn−1rs1−rs=\dfrac{s ^{n-1} -r^{n-1}\dfrac{r}{s}}{1-\dfrac{r}{s}}=1srsn1rn1sr
=sn−rns−r=\dfrac{s ^n -r^n}{s-r}=srsnrn

因为:r+s=1,−rs=1r+s = 1, -rs = 1r+s=1,rs=1 的一组解是
s=1+52s = \dfrac{1+\sqrt{5}}{2}s=21+5
r=1−52r = \dfrac{1-\sqrt{5}}{2}r=215

所以,F(n)=[(1+52)n−(1−52)n]5F(n) = \dfrac{[(\dfrac{1+\sqrt{5}}{2})^n-(\dfrac{1-\sqrt{5}}{2})^n]}{\sqrt{5}}F(n)=5[(21+5)n(215)n]

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