接觸數列時,老師應該都會提到一組特別的數列1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, ...,這就是有名的費波那契數列,或簡稱為費氏數列,規則是後項是前兩項之和,數學式表達為
{F1=1,F2=1Fn=F(n−1)+F(n−2),n=3,4,5,...
或是由第0項開始描述:
{F0=0,F1=1Fn=F(n−1)+F(n−2),n=2,3,4,...
了解規則後,不僅會依序算出費氏數列,還想要推導數列的函數Fn=?,開門見山,先給出解答,費氏函數長這樣:
Fn=√55[(1+√52)n−(1−√52)n]
一個簡單加法,為什麼搞個那麼複雜的函數?又是根號又是n次方的!是怎麼推導出來的呢?接下來,就是本篇的重點,利用矩陣的方式證明費氏函數。首先把聯立的數學式改寫成矩陣形式:
[FnFn−1]=[1110][Fn−1Fn−2],n=2,3,4,...
若n=2,則 [F2F1]=[1110][F1F0]=[1110][10]
若n=3,則 [F3F2]=[1110][F2F1]=[1110][1110][F1F0]=[1110]2[10]
以此類推,可以寫成
[FnFn−1]=[1110]n−1[10]
[1110]=PDP−1
其中P與D均為(2×2)維度的矩陣,P−1是P的反矩陣,D是對角矩陣,也就是D中元素除了左上至右下的對角斜線位置,其餘均為0。對角化求出
P=[λ1λ211]D=[λ100λ2]P−1=1λ1−λ2[1−λ2−1λ1]
當中的λ1與λ2分別為
λ1=1+√52λ2=1−√52
不相信的可以自己驗算看看,或者自己找「特徵值」與「特徵向量」的資料參考。最終可得
[FnFn−1]=(PDP−1)n−1[10]=(PDP−1)(PDP−1)...(PDP−1)[10]=PD(P−1P)D(P−1P)...(P−1P)DP−1[10]=PDn−1P−1[10]=[λ1λ211][λ100λ2]n−1(1λ1−λ2[1−λ2−1λ1])[10]
當然,只需要關心Fn,依上式可表示為
Fn=[λ1λ2][λ100λ2]n−1(1λ1−λ2[1−1])[10]×1=[λ1λ2][λn−1100λn−12](1λ1−λ2[1−1])[10]×1=1λ1−λ2(λn1−λn2)
代入λ1與λ2的數值簡化後,就能得到
Fn=√55[(1+√52)n−(1−√52)n]
得證!完畢!好累!
本篇參考:
費布那西數列(Fibonacci)
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