大道至简——浅说斐波那契数列

大道至简——浅说斐波那契数列开篇先从八卦讲起。毕竟有史以来,最有生命力的故事,往往都是八卦。斐波那契数列的发现者(敲黑板,是发现而不是发明),是13世纪意大利数学家莱昂纳多

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开篇先从八卦讲起。

毕竟有史以来,最有生命力的故事,往往都是八卦。

斐波那契数列的发现者(敲黑板,是发现而不是发明),是13世纪意大利数学家莱昂纳多・斐波那契,这也是斐波那契数列的得名由来。同样在意大利,200年后,那位最擅长使用黄金分割作画的大画家,名字叫做莱昂纳多・达芬奇。

老子说“名可名,非常名”,这两位意大利的牛人刚好同名。有意思的是,斐波那契数列,又与黄金分割有着十分奇特而紧密的联系。冥冥之中,似乎造物就是要把斐波那契数列与黄金分割的关系,通过两位牛人同名的巧合体现出来,好给我等俗人提供谈资。

八卦完毕,下面说说斐波那契数列与黄金分割。

一、斐波那契数列的数学表示

在数列里面,不管是形式还是内容,斐波那契数列都不复杂,无非就是前两个数字相加得出后一个数字罢了。唯一的特殊,就是这个数列的起始两个数字都是1。

斐波那契数列如下:1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144,233,377……

在《计算的书》中,斐波那契提出了一个数学问题:

在一个封闭地区中,开始有1对兔子,从第2个月开始,每个月生1对新兔子,新生的兔子足月后,也会以相同的速度繁衍,那么1年之后,总共会有多少只兔子?

答案并不复杂,就是斐波那契数列的第12个数字144。任何生物的繁衍,如果没有外部干扰,都会以斐波那契数列的方式增长。当然,不同生物的繁殖效率不同,必须对斐波那契数列进行相应的修正,才能适应更多的场景。

用斐波那契数列相邻数字的比值,我们可以得到另一个数列:

1,0.5,0.66667,0.6,0.625,0.61538,0.61905,0.61765,0.61818,0.61798,0.61805,0.61803,0.61804,0.61803,0.61803……(取小数点后5位近似值)

可以看出,这个斐波那契数列相邻数字比值形成的新数列,无限逼近于某个数。这个数,也即大名鼎鼎的黄金分割数,数学上用希腊字母φ表示。

φ是一个无理数,也即无限不循环小数,其数学表达式为(√5-1)/2,其值为0.6180339887……,在日常应用中,我们一般取近似值0.618。

斐波那契数列相邻数字的比值,无限接近于φ,但永远不等于φ。因为φ是无理数,而斐波那契数列由整数组成,相邻数字的比值为有理数。一个有理数,当然永远不可能等于无理数。

再来说说斐波那契数列与黄金分割数的关系。

人类发现黄金分割数,其实远早于发现斐波那契数列。

公元前六世纪,希腊的大数学家毕达哥拉斯发现了黄金分割数。其数学定义为:把一条线段分割为两部分,使较大部分与全长的比值等于较小部分与较大部分的比值,这个比值即为黄金分割数。

设线段全长为1,用数学公式表达,也即φ/1=(1-φ)/φ,由此得到φ的解,为无理数(√5-1)/2,正是斐波那契数列相邻数字比值的极限。

也就是说,虽然两者的定义方式不同,得出的数值却相等。对具备一定数学知识的人来说,其证明过程并不复杂,不过单纯从日常经验去想象,却难免觉得有点神奇。

由φ/1=(1-φ)/φ,我们还能推导得到1+φ=1/φ,也即黄金分割值加1,等于1除以黄金分割值。因此,在数学上,可以把1+φ看做φ在水中的倒影,因为它们互为倒数。

在日常生活中,把φ的值精确到0.618就足够了。在绘画、建筑等领域,按照0.618或是1.618来设计,就完全可以满足我们的审美需求。

大道至简——浅说斐波那契数列

在日常生活尤其是股市中,人们还经常用到另外两组对应的黄金分割值:0.382与它的倒数2.618,0.191与它的倒数4.236。至于比例更加悬殊的黄金分割值,基本就失去了现实应用价值。

我们再来看看斐波那契数列的几何表达——黄金螺线。

作图过程不描述了,直接看结果。下图中连接各段圆弧形成的曲线,就是黄金螺线。

大道至简——浅说斐波那契数列

二、斐波那契数列的自然体现

看完黄金螺线后,让我们看下面几张图,体会一下这条神奇曲线蕴含的美妙韵律。

大道至简——浅说斐波那契数列

大道至简——浅说斐波那契数列

大道至简——浅说斐波那契数列

大道至简——浅说斐波那契数列

在我们容身的宇宙中,大至星系的悬臂,小至海螺的外壳,或者是向日葵的种子,或者是弯曲的盘羊角,世间万物,只要能够自然增长,就会呈现出黄金螺线。

这些事例,就跟不以1,1开头的类斐波那契数列一样,尽管它们的起始点和增长速率千差万别,可相邻数字的比值依然无限接近于φ,最终依然会形成黄金螺线。

为什么说斐波那契数列是揭示宇宙演化的自然密码?因为它天然描述了万事万物自然增长的规律,天然契合了宇宙最底层的规则,或者换个带着东方神秘气息的词,这就是天道。

斐波那契数列的起始,与老子描述的世界起源非常类似,道生一,一生二,二生三,三生万物。要说区别,就是斐波那契数列中,缺少了关于“道”的数学描述。

那什么是“道”呢?

窃以为,老子所说的“道”,就是宇宙的初始状态,就是奇点。从数学表达上来说,“道”的外在表现就是零,就是一切数字的起源,内部则是没有任何规则、无法描述的混沌状态。

所以,在斐波那契数列的前面加上零,就是自然演化的终极密码。宇宙从莫可名状的奇点起源,然后道生一、一生二,逐步演化为纷繁复杂、包罗万象的大千世界。

在《道德经》的开篇,老子说,“道可道,非常道,名可名,非常名。无,名天地之始,有,名万物之母。故常无,欲以观其妙,常有,欲以观其徼。此两者,同出而异名,同谓之玄,玄之又玄,众妙之门。”

注:更为常见的断句方式,是“无名,天地之始,有名,万物之母。故常无欲,以观其妙,常有欲,以观其徼。”窃以为这种断句并不准确,因此不予采用。

“道”是内涵,“名”是表象。人类无法想象天地诞生之前的景象,所以只能用“无”来命名“天地之始”,形成物质后,才诞生“有”的概念,所以“有”可以称呼为万物之母。

老子又说,保持“无”的心态,才能体会“道”的玄妙,保持“有”的心态,才能发现“道”的踪迹。“无”和“有”,都源自于“道”,本身就是世间最为玄妙的东西,同时又是通往宇宙奥妙的大门。

按照老子的世界观,“道”演化天地之初,是一种“无”的混沌状态,形成物质形态的“有”之后,才会诞生世间万物。这个过程,正是从无到有、从不可知到可知、从无序到有序、从零到一的宇宙诞生过程,套用科学界的词,叫做宇宙大爆炸。

斐波那契数列加上零,则是:0,1,1,2,3,5,8,13,21……直至无穷大。从0到1,就是没有时空、没有质量、也没有规则的奇点,通过大爆炸形成物质的过程。后面数值的不断增长,则代表着时空不断膨胀、元素不断增加、星体不断诞生、生命不断进化,直至整个宇宙进入只有数学意义没有现实意义的无穷大。而从哲学上说,0也即另一种无穷大,所以无穷大就是奇点,就是熵值超限的宇宙重归沉寂,再次进入无法观测的混沌状态。

而宇宙,就是人类所知最大的混沌系统。

首先,宇宙是有机结合在一起的系统。尽管宇宙本身还在以超光速加速膨胀,尽管星系之间、星球之间隔着遥远的距离,但它依然是一个完整的系统,星系互相影响、星球互相影响、星球上各种状态的物质也在互相影响。

同时宇宙也是混沌的。

有人可能会说,星系乃至星球的运转,不是都可以用数学方法推测吗?是,站在小小的地球,观察小小的可见宇宙,推测人类可知的时空,宇宙似乎是可以用数学模型描述,我们也可以准确推测地球明天会运转到哪里,与太阳呈何种空间关系。

可谁能告诉我,最初宇宙大爆炸的奇点从何而来?奇点爆发的过程中,又是如何诞生的物质?物质转化的过程中,又是如何形成的星体?

也许在奇点爆炸的瞬间,一颗比中微子还小、最最基本的物质颗粒的运动方式的改变,就可以创造出一个完全不同于现在的宇宙。

也许那个宇宙的星系分布完全不同,也许那个宇宙就没有星球、星系这样的天体形态,也许那个宇宙根本没有金、银等我们熟知的物质元素,也许那个宇宙根本没有质子、电子等各种粒子,也许那个宇宙的时空法则完全不同,它也许是高维的,是光学不可见的,甚至根本不是物质的。

扯得有点远,抛开上面带点硬科幻色彩的臆想,回到我们熟知的物质的、时间与三维空间结合的现实宇宙来。我们所处的宇宙,由于我们的观测,呈现出确定的样子,可它依然属于混沌系统。因为人类的存在、我们这些活生生个体的存在,都是无法复制的结果。

可以想象,太阳的照射、地球的出现、月亮的环绕、生物的起源、人类的诞生,在这个茫茫宇宙中,都是特例中的特例。亿万年历史中任何一点微不足道的变化,都可能导致这个特例的消失。

但不管人类这个特例是否出现,宇宙依然会以它固有的形式运转,诞生各种各样服从斐波那契数列的事物,将随处可见的黄金螺线,展示在另一种全新的智慧生命面前。

三、斐波那契数列的美学认知

人们常说,科学的尽头是神学,也有人说,科学的尽头是哲学、哲学的尽头是神学。其实我一直想加一句,神学的尽头是美学。

什么是科学,科学就是人类能够认知的规则。但科学对规则的研究往往具体而微,所以科学到了学科层级,往往互相割裂,比如物理和化学就完全不是一回事。当然,这种割裂,既不是研究对象本身的割裂,更不是底层规则的割裂,而是由于人类认知有限带来的表象割裂。

什么是哲学,哲学就是人类从科学层面提炼出来的统一性理论,反过来又可以指导科学研究。或者这么说,哲学的存在,就是为了统一科学,科学的存在,则是为了验证哲学。爱因斯坦晚年,就一直试图统一自然界中的各种作用力,也即统一场论。这与其说是科学研究,不如说是哲学思考。

什么是神学,对于那些人类受能力所限,暂时只能观察其表面形式却不能掌握其内在规律的自然现象,人类归结于神灵的作用,这种臆想就是神学。比如打雷,现代人知道是云层放电,古人却以为是神仙发怒。可见神学就是早期的科学,是人类为了解释超出自我认知的自然现象而臆想出来的学说。这种学说大多不正确,但我们却不能断言它们一定错。因为冥冥之中也许没有神灵,但却有堪比神灵的造物存在。

什么是美学,美学是一切人类理论的终极状态。因为人类乃至所有生物的进化史,就是一个以美为标准的自然选择过程。美与丑的区别,源自宇宙赋予我们的生命本能。任何一种生命,对于所处的环境,都有本能的感触,甜与苦、香与臭、舒适与痛苦……。这些高级生命才有的感觉,起源于初级生命对环境趋利避害的自然选择,最终融入人类的DNA,并表现为复杂的美感。

人类乃是宇宙这个复杂混沌系统的终极产品,宇宙在底层规则的指引下运转,逐渐演化出人类这样的灵智生命。

天人合一,在人类漫长的进化历程中,有利于进化的都是符合宇宙底层规则也即天道的,不利于进化的都是违背天道的。所以人类天然继承了宇宙的美感,天然可以与符合宇宙运行规律的自然现象、人工现象产生美学共振。所以不管是哈勃望远镜发回来的外太空影像,还是高倍显微镜下的微观世界,都具有震撼人心的美。

作为揭示万物演化规律的斐波那契数列,及其外在表现形式黄金分割比例和黄金螺线,同样符合宇宙运行底层规则,所以符合人类的美感。

更进一步说,科学也罢、哲学也罢、神学也罢,都有明显的局限性,只是处于特定阶段的人类、对特定范围外部世界的认知,因此,它们只在特定的局部时空生效。

牛顿开创经典力学之前,神学的宇宙观大行其道;相对论诞生后,被物理界奉为圭臬两百年的经典力学,被证实不过是低速时空下关于物体运动的简化模型,理论上甚至根本就是错误的;而随着科学的不断发展,我们终会发现,现在没有几个人能够理解的相对论,同样只是浩渺宇宙时空中不值一提的特例。

唯有承载着世间万物进化自然密码的斐波那契数列,可以跨越无穷无尽的时空,以宇宙间最原始的美学形态,从宇宙起源的奇点,直抵人类的本心。

四、结语

前面说过,所有的类斐波那契数列,其相邻数字的比值,同样无限接近于φ。这似乎就预示着,人类可以无限接近宇宙的真相,但永远不可能真正进入真相。

或者说,人类本身就是宇宙真相的一部分,我们永远无法完全认识自身,就跟无法拎着自己的头发把自己提起来一样。

相比我们存身的浩渺宇宙,人类只是微不足道的一粒微尘。但人类一弹指间,也许就有无数不可知的宇宙生灭,人类一挥手间,也许就穿越了无数不可知的宇宙时空。

凡是终章,皆为序曲;宇宙本身,即是奇点。

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