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05 计数的数(第3页)

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每种不同的山脉构型都对应一组有意义的括号,因此将n对括号有意义地排列起来的方法个数,恰好是第n个卡特兰数。

例如,(())()和((()))是有意义的括号方法,但())(()不是:有意义是指从左向右数时,左括号的个数从不小于右括号的个数。

这对应于山脉始终位于地面上方这一自然条件。

比方说,图3中第一个和最后一个山脉的构型分别对应于()(())和()()()这两种括号排列。

第n个卡特兰数还代表将n+2边的正多边形被互不相交的对角线分成三角形的方法个数。

沿着这一思路,卡特兰数还有其他解读方法。

正如二项式系数,也有公式联系了卡特兰数和更小的卡特兰数,这使对它们的计算变得很简便。

斐波那契数列

恐怕没有第二个数列像斐波那契数列(Fibonace)那样使普罗大众着迷了,它是如下的数列:

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

在起始的两个数之后,每个数都是其之前两数之和。

在这一点上,二项式系数与其有相似之处,因为那里每一项也是之前两数之和。

但是斐波那契数列的组成方式更简单:

fn=fn-1+fn-2

这里fn表示第n个斐波那契数,并且我们规定f1=f2=1。

我们将这种用先行项来定义当前项的公式叫作递归(re)或递推关系(recerelation)。

这一数列是从哪里来的呢?它最先是由比萨的莱昂纳多(LeonardoofPisa)——更有名的称呼是斐波那契——在他著名的兔子问题(Rabbitproblem)中引入的。

一只雌兔出生两个月后达到生育年龄,并在这之后的每个月生下一只雌兔。

那么每个月初雌兔的总数由斐波那契数列给出。

第一个和第二个月初当然只有一只兔子。

第三个月初雌兔生下一只雌兔,因而我们有2只雌兔。

到了下个月,它又生下一只,于是共有3只雌兔。

再下个月,雌兔总数达到5只,因为雌兔和它的大女儿都能够生育。

一般地,在这之后的每个月初,新生雌兔的数量等于两个月前雌兔的总数,因为此刻只有它们处于生育年龄。

于是,每月初雌兔总数等于上月雌兔的数量与上上个月雌兔数量之和(斐波那契的雌兔是永生的)。

因而斐波那契数列的产生方式完全符合他的雌兔繁殖的方式。

尽管真实世界的兔子并不是以这种异想天开的方式来繁殖的,斐波那契数列依然换着面孔出现在自然界中,包括植物的生长。

我们对这一现象的原因已经有了透彻的理解,这与该数列的更微妙的性质有关,即黄金分割律(goldenratio)。

我们这就来谈谈它。

最简单的数列类型便是我们在本章第一部分介绍的算术和几何数列。

虽然斐波那契数列并非它们中的一种,它却与后者有惊人的联系。

当计算斐波那契数列邻项之差并将它们也排成一列时,我们得到0,1,1,2,3,5,8,13,…,于是又得到了一组斐波那契数列,只是这次是从0开始的!

其中的原因正是这个数列形成的方式:两个相邻斐波那契数之差恰好等于它俩之前的那个数(想要代数地证明这一点,可以将上面的斐波那契递推公式两边同时减去fn-1),所以它不是算术数列。

它也不是几何数列,因为相邻两项斐波那契数之比并不是常数。

但我们观察邻项之比的时候,它似乎在一个极限值附近稳定下来,而且这个比值很快就趋于稳定了。

让我们将每个斐波那契数除以它前面一个数:

这个逐渐显露的神秘的数,1.6180…,到底是什么呢?这个数τ被称为黄金分割比,它也会出现在一些几何问题中,而这些问题看起来跟斐波那契的兔子相差十万八千里。

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