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(n−1)+F(n−2)
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 ) − r F ( 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(n−1)=s∗[F(n−1)−r∗F(n−2)]
将 r F ( n − 1 ) rF(n-1) rF(n−1)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(n−1)−s∗r∗F(n−2)
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(n−1)+F(n−2)
所以,可得到 s + r = 1 , − s ∗ r = 1 s+r = 1, -s*r = 1 s+r=1,−s∗r=1 。
在 n ≥ 3 时,有: n\geq3时,有: n≥3时,有:
F ( n ) − r F ( 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(n−1)=s∗[F(n−1)−r∗F(n−2)]
F ( n − 1 ) − r F ( 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(n−1)−rF(n−2)=s∗[F(n−2)−r∗F(n−3)]
F ( n − 2 ) − r F ( 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(n−2)−rF(n−3)=s∗[F(n−3)−r∗F(n−4)]
⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ····· ⋅⋅⋅⋅⋅
F ( 3 ) − r F ( 2 ) = s ∗ [ F ( 2 ) − r ∗ F ( 1 ) ] F(3) - rF(2) = s * [ F(2) - r*F(1)] F(3)−rF(2)=s∗[F(2)−r∗F(1)]
联立以上 n − 2 n-2 n−2个式子,可得到:
F ( n ) − r F ( n − 1 ) = s n − 2 ∗ [ F ( 2 ) − r ∗ F ( 1 ) ] F(n) - rF(n-1) = s ^{n-2} * [ F(2) - r*F(1)] F(n)−rF(n−1)=sn−2∗[F(2)−r∗F(1)]
因为$ F(1) = 1, F(2) = 1$ ,所以上方的等式可以被化简为:
F ( n ) − r F ( n − 1 ) = s n − 2 ∗ ( 1 − r ) F(n) - rF(n-1) = s ^{n-2} * (1-r) F(n)−rF(n−1)=sn−2∗(1−r)
又因为 s + r = 1 s+r = 1 s+r=1 , 即 s = 1 − r s = 1-r s=1−r。 所以上方的等式可以被化简为:
F ( n ) − r F ( n − 1 ) = s n − 1 F(n) - rF(n-1) = s ^{n-1} F(n)−rF(n−1)=sn−1
也就是
F ( n ) = s n − 1 + r F ( n − 1 ) F(n) = s ^{n-1} + rF(n-1) F(n)=sn−1+rF(n−1)
那么,可以有如下推导:
F ( n ) = s n − 1 + r F ( n − 1 ) F(n) = s ^{n-1} + rF(n-1) F(n)=sn−1+rF(n−1)
= s n − 1 + r ( s n − 2 + r F ( n − 2 ) ) = s ^{n-1} + r(s^{n-2} + rF(n-2)) =sn−1+r(sn−2+rF(n−2))
= s n − 1 + r ∗ s n − 2 + r 2 F ( n − 2 ) = s ^{n-1} + r*s^{n-2} + r^2F(n-2) =sn−1+r∗sn−2+r2F(n−2)
= s n − 1 + r ∗ s n − 2 + r 2 ( s n − 3 + r F ( n − 3 ) ) = s ^{n-1} + r*s^{n-2} + r^2(s ^{n-3} + rF(n-3)) =sn−1+r∗sn−2+r2(sn−3+rF(n−3))
= s n − 1 + r ∗ s n − 2 + r 2 ∗ s n − 3 + r 3 F ( n − 3 ) = s ^{n-1} + r*s^{n-2} + r^2*s ^{n-3} + r^3F(n-3) =sn−1+r∗sn−2+r2∗sn−3+r3F(n−3)
⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ······ ⋅⋅⋅⋅⋅⋅
= s n − 1 + r ∗ s n − 2 + r 2 ∗ s n − 3 + . . . . . . + r n − 2 ∗ s + r n − 1 F ( 1 ) = s ^{n-1} + r*s^{n-2} + r^2*s ^{n-3} + ...... +r^{n-2}*s+ r^{n-1}F(1) =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 = s ^{n-1} + r*s^{n-2} + r^2*s ^{n-3} + ...... +r^{n-2}*s+ r^{n-1} =sn−1+r∗sn−2+r2∗sn−3+......+rn−2∗s+rn−1
这是一个以 s n − 1 s^{n-1} sn−1为首项、以 r n − 1 r^{n-1} rn−1为末项、以 r s \dfrac{r}{s} sr为公比的等比数列的各项的和。所以,
= s n − 1 − r n − 1 r s 1 − r s =\dfrac{s ^{n-1} -r^{n-1}\dfrac{r}{s}}{1-\dfrac{r}{s}} =1−srsn−1−rn−1sr
= s n − r n s − r =\dfrac{s ^n -r^n}{s-r} =s−rsn−rn
因为: r + s = 1 , − r s = 1 r+s = 1, -rs = 1 r+s=1,−rs=1 的一组解是
s = 1 + 5 2 s = \dfrac{1+\sqrt{5}}{2} s=21+5
r = 1 − 5 2 r = \dfrac{1-\sqrt{5}}{2} r=21−5
所以, F ( n ) = [ ( 1 + 5 2 ) n − ( 1 − 5 2 ) n ] 5 F(n) = \dfrac{[(\dfrac{1+\sqrt{5}}{2})^n-(\dfrac{1-\sqrt{5}}{2})^n]}{\sqrt{5}} F(n)=5[(21+5)n−(21−5)n] 。