Fibonacci-Folge

unendliche Folge von Zahlen

Die Fibonacci-Folge ist die unendliche Folge natürlicher Zahlen, die mit zweimal der Zahl 1 beginnt, und bei der jede Zahl die Summe der beiden ihr vorangehenden Zahlen ist. In moderner Schreibweise wird diese Folge zusätzlich mit einer führenden Zahl 0 versehen:[1]

Kachelmuster aus Quadraten, deren Kantenlängen der Fibonacci-Folge entsprechen
Goldene Spirale, genähert durch Viertelkreise. Das Verhältnis der Radien der Kreissektoren entspricht der Fibonacci-Folge
0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55 …
0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55 …

Die darin enthaltenen Zahlen heißen Fibonacci-Zahlen. Benannt ist die Folge nach Leonardo Fibonacci, der damit im Jahr 1202 das Wachstum einer Kaninchenpopulation beschrieb. Die Folge war aber schon in der Antike sowohl den Griechen als auch den Indern bekannt.[2]

Weitere Untersuchungen zeigten, dass die Fibonacci-Folge auch noch zahlreiche andere Wachstumsvorgänge in der Natur beschreibt. Es scheint, als sei sie eine Art Wachstumsmuster in der Natur.[3]

Die Fibonacci-Zahlen weisen einige bemerkenswerte mathematische Besonderheiten auf:

  • Aufgrund der Beziehung zur vorherigen und zur folgenden Zahl scheint Wachstum in der Natur einem Additionsgesetz zu folgen.
  • Zwischen Fibonacci-Folge und Goldenem Schnitt besteht eine Verwandtschaft. Je weiter man in der Folge fortschreitet, desto mehr nähert sich der Quotient aufeinanderfolgender Fibonacci-Zahlen dem Teilungsverhältnis des Goldenen Schnittes (beispielsweise 13:8 = 1,6250; 21:13 ≈ 1,6154; 34:21 ≈ 1,6190; 55:34 ≈ 1,6176; etc.).
  • Diese Näherung ist alternierend, d. h., die Quotienten sind abwechselnd kleiner und größer als .[3]

Definition der Fibonacci-Folge Bearbeiten

 
Die ersten Folgenglieder der Fibonacci-Folge

Die Fibonacci-Folge   ist durch das rekursive Bildungsgesetz

    für    

mit den Anfangswerten

 

definiert.[Anm 1] Das bedeutet in Worten:

  • Für die beiden ersten Zahlen wird der Wert   vorgegeben.
  • Jede weitere Zahl ist die Summe ihrer beiden Vorgänger in der Folge.

Daraus ergibt sich:

n fn n fn n fn n fn n fn
1 1 11 89 21 10 946 31 1 346 269 41 165 580 141
2 1 12 144 22 17 711 32 2 178 309 42 267 914 296
3 2 13 233 23 28 657 33 3 524 578 43 433 494 437
4 3 14 377 24 46 368 34 5 702 887 44 701 408 733
5 5 15 610 25 75 025 35 9 227 465 45 1 134 903 170
6 8 16 987 26 121 393 36 14 930 352 46 1 836 311 903
7 13 17 1 597 27 196 418 37 24 157 817 47 2 971 215 073
8 21 18 2 584 28 317 811 38 39 088 169 48 4 807 526 976
9 34 19 4 181 29 514 229 39 63 245 986 49 7 778 742 049
10 55 20 6 765 30 832 040 40 102 334 155 50 12 586 269 025

Aus der Forderung, dass die Rekursion

 

auch für ganze Zahlen   gelten soll, erhält man eine eindeutige Fortsetzung auf den Index 0 und auf negative Indizes. Es gilt:

 
  für alle  

Die so erweiterte Fibonacci-Folge lautet dann

                             
  13 −8 5 −3 2 −1 1 0 1 1 2 3 5 8 13  

und heißt Folge der negaFibonacci-Zahlen.[4]

Darüber hinaus ist eine Verallgemeinerung der Fibonacci-Zahlen auf komplexe Zahlen, proendliche Zahlen[5] und auf Vektorräume möglich.

Eigenschaften Bearbeiten

Zu den zahlreichen bemerkenswerten Eigenschaften der Fibonacci-Zahlen gehört, dass sie dem Benfordschen Gesetz genügen.[6]

Verwandtschaft mit dem Goldenen Schnitt Bearbeiten

Wie von Johannes Kepler festgestellt wurde, kommen die Quotienten zweier aufeinanderfolgender Fibonacci-Zahlen dem Goldenen Schnitt

 

beliebig nahe. Dies folgt unmittelbar aus der Näherungsformel für große Zahlen  :

 

Diese Quotienten zweier aufeinanderfolgender Fibonacci-Zahlen haben eine bemerkenswerte Kettenbruchdarstellung:

 

mit der  -Notation aus dem Artikel Kettenbruch.

Da diese Quotienten gegen den Goldenen Schnitt konvergieren, lässt sich dieser als der unendliche periodische Kettenbruch darstellen:

 

Die Zahl   ist irrational. Das bedeutet, dass sie sich nicht durch ein Verhältnis zweier ganzer Zahlen darstellen lässt. Am besten lässt sich   durch Quotienten zweier aufeinanderfolgender Fibonacci-Zahlen approximieren. Dies gilt auch für verallgemeinerte Fibonaccifolgen, bei denen   und   beliebige natürliche Zahlen annehmen.

Beziehungen zwischen den Folgengliedern Bearbeiten

Identitäten:

  •  
  •   mit der Lucas-Folge   (mit  ), insbesondere:
  •  
  •  
  •   (Identität von Catalan)
  •   (Identität von Cassini, Spezialfall der Catalan-Identität)
  •   (Identität von d’Ocagne)

Teilbarkeit:

  •  
  • Je zwei benachbarte Fibonaccizahlen sind teilerfremd, d. h.  .
  •  ; für   gilt auch die Umkehrung. Insbesondere kann   für   nur dann eine Primzahl sein, wenn   eine Primzahl ist.
  •   (Genau jede dritte Fibonacci-Zahl ist durch 2 teilbar.)
  •   (Genau jede vierte Fibonacci-Zahl ist durch 3 teilbar.)
  •   (Genau jede sechste Fibonacci-Zahl ist durch 4 teilbar.)
  •   (Genau jede fünfte Fibonacci-Zahl ist durch 5 teilbar.)
  •   (Genau jede achte Fibonacci-Zahl ist durch 7 teilbar.)
  •   (Genau jede zwölfte Fibonacci-Zahl ist durch 16 teilbar.)[7]
Für die Teilbarkeit durch Primzahlen   gilt unter Verwendung des Jacobi-Symbols:[8]
  •  
  •  

Summenformeln:

  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

Es gibt noch zahlreiche weitere derartige Formeln.

Reziproke:

  •  [9]

Zeckendorf-Theorem Bearbeiten

Das nach Edouard Zeckendorf benannte Zeckendorf-Theorem besagt, dass jede natürliche Zahl   eindeutig als Summe voneinander verschiedener, nicht direkt aufeinanderfolgender Fibonacci-Zahlen   geschrieben werden kann. Das heißt, es gibt für jedes   eine eindeutige Darstellung der Form

  mit   und   für alle  .[10]

Die entstehende Folge   von Nullen und Einsen wird Zeckendorf-Sequenz genannt. Sehr eng hängt damit der Fibonacci-Kode zusammen.

Berechnung Bearbeiten

Formel von Moivre-Binet Bearbeiten

Das explizite Bildungsgesetz für die Glieder der Fibonacci-Folge wurde unabhängig voneinander von den französischen Mathematikern Abraham de Moivre im Jahr 1718 und Jacques Philippe Marie Binet im Jahr 1843 entdeckt. Dazwischen war es aber auch den Mathematikern Leonhard Euler und Daniel Bernoulli bekannt, Letzterer lieferte 1728 auch den vermutlich ersten Beweis.[11]

Die Fibonacci-Zahlen lassen sich direkt mittels

 

berechnen, wobei   die beiden Lösungen der charakteristischen Gleichung   sind. Mit

 
 

gilt explizit:

 

Bemerkenswert ist das Zusammenspiel zweier irrationaler Zahlen   und  , das zu einem ganzzahligen Ergebnis führt.

Näherungsformel für große Zahlen Bearbeiten

Der Einfluss von   geht rasch gegen Null, bspw. ist  . Das kann man verwenden, um die Berechnung abzukürzen, indem man den Term für genügend große   ignoriert und das Ergebnis zur nächsten natürlichen Zahl rundet:

          (Gaußsche Rundungsklammer  )

Tatsächlich geht das schon für  .

Induktiver Beweis Bearbeiten

Einer der einfachsten Beweise gelingt induktiv. Wegen   und   ist der Induktionsanfang erfüllt. Angenommen, die Formel gelte für alle Werte von   bis   (starke Induktionsvoraussetzung). Wir zeigen, dass sie dann notwendigerweise auch für   gilt:

 

Dabei haben wir benutzt, dass   und   der charakteristischen Gleichung   genügen.

Nach dem Prinzip der vollständigen Induktion muss nun die Formel für alle   gelten.

Herleitung über ein Eigenwertproblem Bearbeiten

Die Formel von Binet kann mit Matrizenrechnung und dem Eigenwertproblem in der linearen Algebra hergeleitet werden mittels folgendem Ansatz:

 

Nun transformiert man die Matrix   in eine Diagonalmatrix   durch Betrachtung als Eigenwertproblem.

Es gilt  , wobei   die Matrix der Eigenvektoren und   die Diagonalmatrix mit den Eigenwerten ist. Damit folgt:

 

Herleitung mittels Differenzengleichung Bearbeiten

Eine andere Herleitungsmöglichkeit folgt aus der Theorie der linearen Differenzengleichungen:

Sei   eine geometrische Folge, so ergibt sich:

 

Wenn also   so gewählt wird, dass die charakteristische Gleichung   erfüllt ist (also   oder  ), wird  , d. h.,   erfüllt die Fibonacci-Rekursion mit dem Rekursionsanfang   und  .

Die durch  ,  ,   rekursiv definierte Folge hat die explizite Darstellung  . Ebenso  ,  ,  .

Mit   und   genügt wegen der Superpositionseigenschaft auch jede Linearkombination   der Fibonacci-Rekursion  . Mit Hilfe eines linearen Gleichungssystems ergibt sich   und  , damit   und  . Folglich ergibt sich explizit  .

Für   ergibt sich   und  , d. h. die klassische Lucas-Folge mit explizit  .

Herleitung mittels z-Transformation Bearbeiten

Da Differenzengleichungen sehr elegant mittels z-Transformation beschrieben werden können, kann man die z-Transformation auch zur Herleitung der expliziten Formel für Fibonacci-Zahlen einsetzen. Im Artikel Einsatz der z-Transformation zur Bestimmung expliziter Formeln von Rekursionsvorschriften wird die allgemeine Vorgehensweise beschrieben und dann am Beispiel der Fibonacci-Zahlenfolge erläutert.

Alternierende Näherung Bearbeiten

Die Quotienten aufeinanderfolgender Glieder der Fibonacci-Folge sind abwechselnd kleiner und größer als der Goldene Schnitt:[12]

 
Herleitung  

Mithilfe der Formel von Moivre-Binet lässt sich eine einfach Herleitung angeben. Denn für die Zahlen   der genannten Formel und natürliche   gilt:

 

 

 (1)

 , da im Doppelbruch der Darstellung der Folgeglieder mit Moivre-Binet der gemeinsame Nenner   verschwindet. – Entsprechend:

 

 

 

  (2)

Die Ungleichungen (1) und (2) ergeben zusammen die Behauptung.

Die Differenz dieser oberen und unteren Schranke von   konvergiert für wachsende   rasch gegen Null wegen

 

Bei der Vereinfachung des Zählers wurde die Identität von Cassini nebst   verwendet.

Erzeugende Funktion Bearbeiten

Eine erzeugende Funktion der Fibonacci-Zahlen ist

 

Die auf der linken Seite stehende Potenzreihe konvergiert für  . Über die angegebene Partialbruchzerlegung erhält man wieder die Formel von Moivre-Binet.

Herleitung der erzeugenden Funktion  

Für   ist

    da  

    da   und  

Die Rekursionsbedingung   induziert daher

 

 

  ausklammern:

 

Nach Division durch das Polynom   das nicht das Nullpolynom ist, folgt die angegebene Form.

Mit einer geeigneten erzeugenden Funktion lässt sich ein Zusammenhang zwischen den Fibonacci-Zahlen und den Binomialkoeffizienten darstellen:

 

Wegen   für   und   kann auch ohne Gaußklammern geschrieben werden:

 
Herleitung  

Die erzeugende Funktion kann auch geschrieben werden:

 (1)

für dem Betrage nach hinreichend kleine   gilt:

 

 (2)

Gleichsetzen ergibt:

 , wobei [] Gaußklammern sind.

Bei der Umformung wurden der binomische Lehrsatz und die Umsummierung   mit   verwendet.

Koeffizientenvergleich ergibt den angegebenen Zusammenhang.

Die Schreibweise   für die erzeugende Funktion erlaubt auch die Darstellung

 
Herleitung  

In der Darstellung von   als unendliche Summe ist der Summand mit   verzichtbar, siehe vorherige Herleitung.

Die  -te Ableitung der erzeugenden Funktion ist mit der Potenzregel:

 

 

 

 

Für   verschwindet die Summe der letzten Zeile. Für dieses   entsteht mit Division durch   die Behauptung.

Verbindung zum reziproken Wert der Zahl 89 Bearbeiten

Wertet man die erzeugende Funktion an der Stelle   aus, so erhält man  , folglich lässt sich   in eine unendliche Summe von Fibonacci-Zahlen zur Basis   zerlegen.

 

Darstellung mit Matrizen Bearbeiten

Die Fibonacci-Zahlen tauchen auch als Einträge der Potenzen der Matrix   auf:

 

Aus der Relation   ergibt sich beispielsweise die erste oben angegebene Formel für  .   beschreibt zugleich die Summationsvorschrift der Fibonacci-Folge, denn ihr Produkt mit einem Paar aufeinanderfolgender Fibonacci-Zahlen (als Spaltenmatrix geschrieben) ergibt das nächste Paar; entsprechend erzeugt   das  -te Paar aus dem Startpaar  . Dies und die Tatsache, dass die Eigenwerte von   gerade der Goldene Schnitt und dessen Kehrwert (Letzterer mit negativem Vorzeichen) sind, führen wieder auf die oben genannte Formel von Binet.

Verwandtschaft mit dem Pascalschen Dreieck Bearbeiten

Die Fibonacci-Zahlen können mithilfe des Pascalschen Dreiecks beschrieben werden. Um die  -te Fibonacci-Zahl zu bestimmen, nimmt man aus der  -ten Zeile des Pascalschen Dreiecks jede zweite Zahl und gewichtet sie mit der entsprechenden Fünfer-Potenz – anfangend mit 0 in aufsteigender Reihenfolge, d. h.  ,  ,   usw. Anschließend addiert man diese gewichteten Elemente zusammen und dividiert durch  .

Das Bild unten veranschaulicht die Berechnung der ersten sieben Fibonacci-Zahlen aus dem Pascalschen Dreieck. Zum leichteren Verständnis sind die nicht benutzten Elemente des Pascalschen Dreiecks im Bild ausgegraut, die Gewichtung mit den aufsteigenden Fünfer-Potenzen rot und die Exponenten   cyan hervorgehoben.

 
Herleitung  

Ausgehend von der expliziten Formel für die Fibonacci-Zahlen (s. Formel von Moivre-Binet weiter oben in diesem Artikel)

 

kann man zunächst den Term   im Nenner ausklammern und die verbliebene Differenz mittels Binomialkoeffizienten ausschreiben und anschließend zusammenfassen:

 

Für die Differenz unter dem Summenzeichen gilt:

 

sodass man die Summe auf ungerade   reduzieren kann:

 

Der  -Term kürzt sich also raus und unter dem Summenzeichen bleiben nur Fünfer-Potenzen. Das erklärt das scheinbare Paradoxon, dass die explizite Formel für Fibonacci-Zahlen mit ihren  -Termen überhaupt ganze Zahlen liefert. Die Abrundung   in der Summen-Obergrenze ist übrigens notwendig, damit die Indizierung nicht über den Wert   hinausgeht und die ursprüngliche Summenbegrenzung eingehalten wird.

Vergleicht man die unter dem Summenzeichen verbliebenen Binomialkoeffizienten mit denen im Pascalschen Dreieck, erkennt man, dass es sich dabei um jeden zweiten Koeffizienten in der entsprechenden Zeile des Dreiecks handelt (wie es im Bild oben visualisiert ist). Man kann die Formel also auch als

 

schreiben mit der Bezeichnung   für einen Binomialkoeffizienten an der  -ten Stelle in der  -ten Zeile des Pascalschen Dreiecks (beide ab Null gezählt!). Als Beispiel erhält man für die 7-te Fibonacci-Zahl etwa den Wert

 

Reihen von Reziproken Bearbeiten

Da die Fibonacci-Zahlen exponentiell mit dem Index wachsen, konvergieren die reziproken Reihen absolut.

  • Die unendliche Summe der Kehrwerte der Fibonacci-Zahlen mit geradem Index[13] lässt sich mithilfe der Lambert-Reihe
    bei    
ausdrücken:[14][Anm 2]
  ≈ 1,535370508836252985029852896651599
  • Die unendliche Summe der Kehrwerte der Fibonacci-Zahlen mit ungeradem Index[13] lässt sich durch eine Jacobische Thetafunktion ausdrücken:[15][16]
  ≈ 1,824515157406924568142158406267328
  • Ebenfalls geschlossen lässt sich die Formel für die Summe darstellen, wenn der Nenner um 1 erhöht wird:
 
  • Die unendliche Summe der Kehrwerte aller Fibonacci-Zahlen[13][17][18]
  ≈ 3,359885666243177553172011302918927
ist irrational (André-Jeannin; 1989).[19][20]
  • Die unendliche Summe der Kehrwerte der Quadrate der Fibonaccizahlen findet sich bei Borwein:[21]
  ≈ 2,426320751167241187741569412926620
  • Zudem zeigten Good (1974) und Hoggatt (1976):[22]
 

Verallgemeinerungen Bearbeiten

Die klassische („kanonische“) Fibonacci-Folge ist durch drei Kriterien charakterisiert:

  • Eine lineare Iteration, welche die beiden vorangehenden Folgenglieder einbezieht
  • Eine Linearkombination dieser Folgenglieder, in der beide Vorgänger den Koeffizienten +1 tragen
  • Beide Startglieder gleich +1

Jedes dieser Kriterien erlaubt eine Verallgemeinerung:

  • Die Wahl anderer Startglieder   und   liefert eine Folge  , die mit der kanonischen Folge nach der Beziehung   zusammenhängt. Ein Beispiel hierfür ist die Lucas-Folge  .
Für die Glieder einer solchen Folge gilt ein gegenüber der Formel von Moivre-Binet verallgemeinertes explizites Bildungsgesetz:
  mit   und  .
Die kanonische Folge stellt sich hier als Spezialfall mit   dar, was wegen der charakteristischen Gleichung sofort   und   liefert.
  • Die Wahl anderer Koeffizienten für die Linearkombination liefert eine Folge, für die eine andere charakteristische Gleichung gilt. Eine Folge mit der Iterationsvorschrift
 
besitzt die charakteristische Gleichung  . Die Wurzeln dieser Gleichung bestimmen das explizite Bildungsgesetz. Wenn die charakteristische Gleichung die Wurzeln   und   hat, dann lautet das Bildungsgesetz
 
wobei   und   wieder durch die Startglieder bestimmt sind.
  • Eine Iteration, die mehr als zwei vorangehende Folgenglieder einbezieht, besitzt dementsprechend ein Polynom höheren Grades als charakteristische Gleichung, wobei die Wurzeln   dieser Gleichung wieder im Bildungsgesetz auftauchen und die Koeffizienten   durch die Anfangswerte bestimmt sind. Es gilt dann
 .
Beispiele für derartige Folgen sind die Tribonacci- und die Tetranacci-Folge.[23][24] Die Perrin-Folge und die Padovan-Folge folgen der Regel  .[25]
Eine Iteration, die nur das unmittelbar vorhergehende Glied verwendet, liefert in diesem Zusammenhang als entartete Fibonacci-Folge eine reine Potenzfolge.

Fibonacci-Folgen in der Natur Bearbeiten

Phyllotaxis Bearbeiten

 
Sonnenblume mit 34 und 55 Fibonacci-Spiralen
 
Anordnung gleich großer Kreise im Abstand des goldenen Winkels mit farblicher Markierung der Fibonacci-Spiralen 8, 13, 21, 34

Die Blätter (Phyllotaxis) oder Fruchtstände vieler Pflanzen sind in Spiralen angeordnet, wobei die Anzahl dieser Spiralen den Fibonacci-Zahlen entsprechen. In diesem Fall ist der Winkel zwischen architektonisch benachbarten Blättern oder Früchten bezüglich der Pflanzenachse der Goldene Winkel. Das liegt daran, dass Brüche von aufeinanderfolgenden Fibonacci-Zahlen den zugrunde liegenden Goldenen Schnitt am besten approximieren. Die Spiralen werden daher von Pflanzenelementen gebildet, deren Platznummern sich durch die Fibonacci-Zahl im Nenner unterscheiden und damit fast in die gleiche Richtung weisen. Durch diese spiralförmige Anordnung der Blätter um die Sprossachse erzielt die Pflanze die beste Lichtausbeute. Der Versatz der Blätter um das irrationale Verhältnis des Goldenen Winkels sorgt dafür, dass nie Perioden auftauchen, wie es z. B. bei 1/4 der Fall wäre (0° 90° 180° 270° | 0° 90° …). Dadurch wird der denkbar ungünstigste Fall vermieden, dass ein Blatt genau senkrecht über dem anderen steht und so die Blätter maximalen Schatten auf darunterliegenden Blättern erzeugen oder maximale „Lichtlücken“ entstehen.

Beispielsweise tragen die Körbe der Silberdistel (Carlina acaulis) hunderte gleichgestaltiger Blüten, die in kleineren Körben in einer 21-zu-55-Stellung, in größeren Körben in 34-zu-89- und 55-zu-144-Stellung in den Korbboden eingefügt sind.[26] Auch die Schuppen von Fichtenzapfen wie auch von Ananasfrüchten bilden im und gegen den Uhrzeigersinn Spiralen, deren Schuppenanzahl durch zwei aufeinanderfolgende Fibonaccizahlen gegeben ist.[27]

Wissenschaftshistorisch sei hier auf das Buch On Growth and Form von D’Arcy Wentworth Thompson (1917) verwiesen.

Stammbäume Bearbeiten

Männchen der Honigbiene (Apis mellifera) werden als Drohnen bezeichnet. Interessanterweise beschreibt die Fibonacci-Folge die Anzahl der Ahnen einer Drohne. Das erklärt sich dadurch, dass eine Drohne (Generation n = 1) sich aus einem unbefruchteten Ei entwickelt, das ausschließlich Erbgut ihrer Mutter, der Bienenkönigin (Generation n = 2), enthält; eine Drohne hat keinen Vater. Eine Königin jedoch hat zwei Eltern, nämlich als Mutter eine andere Königin und als Vater eine Drohne (Generation n = 3) usw. Die Anzahl aller Ahnen einer Drohne in je einer so definierten n-ten Generation ist die n-te Fibonacci-Zahl  .

Um das einzusehen, lässt sich die Zeichnung zur Anzahl der Kaninchen in Fibonaccis Modell im Abschnitt Antike und Mittelalter in Europa verwenden. Jedes Paar nicht geschlechtsreifer Kaninchen entspricht einer Drohne, jedes Paar geschlechtsreifer Kaninchen einer Königin. In den Gleichungen der Modellierung ist dann   die Anzahl der Drohnen,   die Anzahl der Königinnen (jeweils in der n-ten Generation) und   die Anzahl der Ahnen einer Drohne in der betrachteten Generation.

Fettsäuren Bearbeiten

Unverzweigte aliphatische Monocarbonsäuren (hier: uaM), zu denen im Regelfall die Fettsäuren gehören, können verschieden viele Doppelbindungen an verschiedenen Positionen aufweisen. Die Anzahl der uaM gehorcht als Funktion der Kettenlänge der Fibonacci-Folge.[28] Das folgt daraus, dass Doppelbindungen bei uaM nicht benachbart sind; die seltenen Ausnahmen sind hier vernachlässigt. Speziell gibt es nur eine aliphatische Monocarbonsäure mit einem C-Atom: Ameisensäure, eine mit zwei C-Atomen: Essigsäure, zwei mit dreien: Propionsäure und Acrylsäure usw. Bei 18 C-Atomen ergeben sich 2.584 Varianten (wovon Stearinsäure, Ölsäure, Linolsäure und Linolensäure vier Beispiele sind).

Auch hier lässt sich, um das einzusehen, die Zeichnung zur Anzahl der Kaninchen in Fibonaccis Modell im Abschnitt Antike und Mittelalter in Europa verwenden. Ein Kaninchenpaar der  -ten Generation entspricht dem  -ten Kohlenstoffatom einer uaM, wobei die Zählung bei der Carboxygruppe beginnt. Jedes Paar nicht geschlechtsreifer Kaninchen entspricht einem Kohlenstoffatom  , auf das keine Doppelbindung folgen kann, jedes Paar geschlechtsreifer Kaninchen einem Kohlenstoffatom  , auf das eine Doppelbindung folgen kann (oder nicht). Die Verbindungsstrecken von   nach   oder von   nach   entsprechen Einfachbindungen, die Verbindungsstrecken von   nach   Doppelbindungen. In den Gleichungen der Modellierung ist dann   (bzw.  ) die Anzahl der Kohlenstoffatome   (bzw.  ). – Jeder Pfad von   zu einem Kohlenstoffatom der  -ten Generation entspricht genau einer uaM mit   Kohlenstoffatomen; die Zuordnung ist bijektiv. Also ist die Anzahl   der in der  -ten Generation betrachteten Kohlenstoffatome gleich der Anzahl der uaM mit   Kohlenstoffatomen.

Geschichte Bearbeiten

 
Berechnung der Kaninchen­aufgabe im Liber abbaci (am rechten Blattrand in roter Box von oben nach unten):
die Indizes beginnend mit der Gegenwart und endend mit (römisch) XII (Monaten);
jeweils darunter in hindu-arabischen Ziffern die (Fibonacci-)Zahlen 1, 2, 3, 5 bis 377 der Kaninchenpaare.

Altes Indien Bearbeiten

Ihre früheste bekannte Erwähnung findet sich unter dem Namen mātrāmeru („Berg der Kadenz“) in der Chhandah-shāstra („Kunst der Prosodie“) des Sanskrit-Grammatikers Pingala (um 450 v. Chr. oder nach anderer Datierung um 200 v. Chr.).[29] In ausführlicherer Form behandelten später auch Virahanka (6. Jh.) und besonders dann Acharya Hemachandra (1089–1172) diese Zahlenfolge, um die rechnerische Möglichkeit der Bildung von Metren durch regelmäßige Verteilung kurzer und langer Silben zu beschreiben.

Antike und Mittelalter in Europa Bearbeiten

In der westlichen Welt war diese Folge ebenfalls schon in der Antike Nikomachos von Gerasa (um 100 n. Chr.) bekannt.[30] Sie ist aber mit dem Namen des italienischen Mathematikers Fibonacci verbunden, der in seinem Liber abbaci („Buch der Rechenkunst“, Erstfassung von 1202 nicht erhalten, zweite Fassung von ca. 1227) diese Zahlenfolge mit dem Beispiel eines Kaninchenzüchters beschrieb, der herausfinden will, wie viele Kaninchenpaare innerhalb eines Jahres aus einem einzigen Paar entstehen, wenn jedes Paar ab dem zweiten Lebensmonat ein weiteres Paar pro Monat zur Welt bringt:[31]

 
Die Anzahl der Kaninchen in Fibonaccis Modell bilden die Fibonacci-Zahlen (Baumdiagramm)
 
Kaninchen-Population in Fibonaccis Modell, erläutert anhand eines Säulendiagramms

Fibonacci illustrierte diese Folge durch die einfache mathematische Modellierung des Wachstums einer Population von Kaninchen nach folgenden Regeln:[Anm 3]

  1. Jedes Paar Kaninchen wirft pro Monat ein weiteres Paar Kaninchen.
  2. Ein neugeborenes Paar bekommt erst im zweiten Lebensmonat Nachwuchs (die Austragungszeit reicht von einem Monat in den nächsten).
  3. Die Tiere befinden sich in einem abgeschlossenen Raum („in quodam loco, qui erat undique pariete circumdatus“), sodass kein Tier die Population verlassen und keines von außen hinzukommen kann.

Fibonacci begann die Folge, nicht ganz konsequent, nicht mit einem neugeborenen, sondern mit einem trächtigen Paar, das seinen Nachwuchs bereits im ersten Monat wirft, sodass im ersten Monat bereits 2 Paare zu zählen sind. In jedem Folgemonat kommt dann zu der Anzahl der Paare, die im Vormonat gelebt haben, eine Anzahl von neugeborenen Paaren hinzu, die gleich der Anzahl derjenigen Paare ist, die bereits im vorvergangenen Monat gelebt hatten, da der Nachwuchs des Vormonats noch zu jung ist, um jetzt schon seinerseits Nachwuchs zu werfen. Fibonacci führte den Sachverhalt für die zwölf Monate eines Jahres vor (2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377) und wies auf das Bildungsgesetz der Folge durch Summierung jeweils zweier aufeinanderfolgender Folgenglieder (2+3 = 5, 3+5 = 8, 5+8 = 13 usw.) hin. Er merkte außerdem an, dass die Folge sich nach diesem Prinzip für eine unendliche Zahl von Monaten fortsetzen lässt, was dann allerdings unsterbliche Kaninchen voraussetzt: „et sic posses facere per ordinem de infinitis numeris mensibus.“ Weitere Beachtung hatte er dem Prinzip in seinen erhaltenen Werken nicht geschenkt.

Eine 2014 erschienene, mathematisch-historische Analyse zum Leben des Fibonacci, insbesondere zu seinem Aufenthalt in der nordafrikanischen Hafenstadt Bejaia (im heutigen Algerien), kam zu dem Schluss, dass der Hintergrund der Fibonacci-Folge gar nicht bei einem Modell der Vermehrung von Kaninchen zu suchen ist (was schon länger vermutet wurde), sondern vielmehr bei den Bienenzüchtern von Bejaia und ihrer Kenntnis des Bienenstammbaums zu finden ist. Zu Leonardos Zeit war Bejaia ein wichtiger Exporteur von Bienenwachs, worauf noch heute der französische Name der Stadt (Bougie, wie das frz. Wort für Kerze) hinweist.[32]

Nachdem spätere Mathematiker wie Gabriel Lamé (1795–1870) die Entdeckung dieser Zahlenfolge für sich beansprucht hatten, brachten Édouard Lucas (1842–1891)[33] und andere wieder in Erinnerung, dass der zu dieser Zeit älteste bekannte Beleg von Fibonacci stammte, und unter dem Namen „Fibonacci-Folge“ („suite de Fibonacci“, „Fibonacci sequence“, „successione di Fibonacci“) ist sie seither in den meisten westlichen Sprachen geläufig.

Mathematische Modellierung des Wachstums von Fibonaccis Kaninchen-Population

Sei   die Anzahl der geschlechtsreifen bzw.   die Anzahl der nicht geschlechtsreifen Kaninchen der  -ten Generation, entsprechend für die Generationen   und  . Nach den oben angegebenen Regeln ist mit diesen Bezeichnungen:

    (1)
    (1’)
  (2)

Einsetzen von (1’) in (1) und anschließende Addition von (2) ergibt

 ,

für die Gesamtzahl  ,   ,    von Kaninchen der jeweiligen Generation also

 ,

was dem angegebenen rekursiven Bildungsgesetz der Fibonacci-Folge äquivalent ist.

Mit   beschreibt dieses Modell die in der Zeichnung angegebenene Generationenfolge.

Neuzeit Bearbeiten

Die Zahlentheoretiker Édouard Lucas und J. Wasteels (1865–1909) zeigten Jahrhunderte später, dass aufeinanderfolgende Fibonacci-Zahlen der Gleichung

 

genügen, und damit deren Bedeutung für die Zahlentheorie.

Bei der Fibonacci-Hyperbel

 

sind

 

sowie bei der (nach geeigneter Transformation daraus erhaltenen) Gleichung

 

sind

 

die (einzigen) ganzzahligen Lösungen im 1. Quadranten.[34]

Rezeption in Kunst und Unterhaltung Bearbeiten

 
Fibonacci-Melodie mit den ersten sechs Zahlen der Fibonacci-Folge auf den entsprechenden Tonstufen in der Tonart F-Dur
Fibonacci-Melodie

In Kunst und Unterhaltung wird die Fibonacci-Folge als etwas Besonderes, im Medium noch nicht Dagewesenes aufgegriffen. Ihre mathematische Bedeutung bleibt dabei im Hintergrund.

  • In der Unterhaltungsmathematik basieren das Schachbrett-Paradoxon und ähnliche geometrische Trugschlüsse auf den Eigenschaften der Fibonacci-Folge.
  • Das Systemgedicht alfabet (1981) der dänischen Schriftstellerin Inger Christensen basiert auf der Fibonacci-Folge.
  • Das Cover des Debütalbums der kanadischen Band The Organ, Grab That Gun, wurde von David Cuesta mithilfe eines auf der Fibonacci-Folge basierenden Rasters entworfen.
  • Die Künstler Mario Merz und Petra Paffenholz setzten sich in ihren Installationen mit der Fibonacci-Folge auseinander und kreierten unter anderem das Kunstwerk „Ziffern im Wald“ auf dem Mönchsberg in Salzburg.[35]
  • Der Gesang im Lied Lateralus der Progressive-Metal-Band Tool basiert auf Fibonacci-Zahlen.[36]
  • Die Künstlerin Martina Schettina beschäftigt sich in ihren mathematischen Bildern ebenfalls mit den Fibonacci-Zahlen.[37][38]
  • Dan Brown verwendet in seinem Thriller The Da Vinci Code (2003) (deutsch: Sakrileg, 2004) die Fibonacci-Folge als geheime Botschaft.
  • Im Film π – System im Chaos von Darren Aronofsky, in dem der Protagonist nach dem „Muster der Welt“ in den Kursdaten von Aktien und in der Zahl π sucht, wird die Fibonacci-Folge erwähnt.
  • In der Serie Criminal Minds (Staffel 4, Folge 8) entführt ein Killer seine Opfer anhand der Fibonacci-Folge.
  • In Lars von Triers Film Nymphomaniac wird im Kapitel 5 – kleine Orgelschule – die Fibonacci-Folge mit einem Bach-Orgelsatz in Verbindung gebracht.
  • In dem Videospiel Watch Dogs von Ubisoft, in der Serienkiller-Mission als Zahlen, die an den einzelnen Tatorten der Opfer aufzufinden sind.[39]
  • In dem Song What’s Goes? von Die Orsons rappt KAAS die Fibonacci-Folge bis zur Zahl 144.[40]
  • Am Kernkraftwerk Leibstadt (CH) ist die Süd-Front des Maschinenhauses mit einer nach rechts progressiv ansteigenden Kurve aus sechs orangen Rechteckelementen bemalt, deren einzelne (aber auch addierte) Höhen der Fibonacci-Folge entsprechen.
  • In dem Videospiel Dishonored: Death of the Outsider wird die Fibonacci-Folge als Kombination für einen Banktresor verwendet.
  • In dem Manga Jojo’s Bizzare Adventure: Steel Ball Run wird die Fibonacci-Darstellung als Darstellung der Kraft des Protagonisten verwendet.
  • In dem Kinderbuch Britta Tausendfuß von Irmela Wendt lernt das Mädchen Britta nach und nach zählen. Zuerst kann sie nur bis 5 zählen. Zum achten Geburtstag ihres Bruders schenkt sie ihm 8 Pferdchen aus Rübenschnitzeln. Als ihr Vater für den Bauernhof einen Traktor mit 13 PS anschafft, zählt sie 13 Gründe auf, warum das Familienpferd trotzdem 13 Mal besser ist. Der Buchtitel kommt daher, dass Britta für Zahlen, die ihr Verständnis übersteigen, einfach tausend sagt.
  • Patric Sommerhoff hat die Fibonacci-Folge als Quadrat dargestellt und dabei den Goldenen Schnitt in Gestalt von Graustufen berücksichtigt[41]

Fibonacci-Datenstrukturen Bearbeiten

Die Fibonacci-Folge ist namensgebend für folgende Datenstrukturen, bei deren mathematischer Analyse sie auftritt.

Verwandte der Fibonacci-Folge Bearbeiten

Die Prinzipien der Fibonacci-Folge können auch auf ähnliche Zahlenfolgen angewendet werden. So besteht die Tribonacci-Folge gleichfalls aus aufeinanderaddierten Zahlen. Hierbei werden aber die drei vorangegangenen Zahlen addiert, um die jeweils nächste zu bilden.

    für    

Die ersten Glieder lauten:

0, 1, 1, 2, 4, 7, …

Die Tribonaccizahlen tauchen bei einigen geometrischen Figuren auf.

Genau so, wie die Fibonaccizahlen aus 2 und die Tribonaccizahlen aus 3 Gliedern errechenbar sind, lassen sich die n-Bonaccizahlen (so auch Tetra- und Pentanaccizahlen) aus   Gliedern bilden.[24]

Die Stern-Brocot-Folge hat ein ähnliches Bildungsgesetz und weist ähnlich vielfältige mathematische Besonderheiten auf wie die Fibonacci-Folge.

Anmerkungen Bearbeiten

  1. Obwohl viele der Aussagen weiter unten auch gelten, wenn die Indizes (Subskripte) um einen festen Betrag verschoben werden, hat sich diese Festlegung eingebürgert. Sie hat auch den Vorteil, dass die Ergänzung auf negative Indizes sich symmetrisch zur 0 verhält.
  2. Tatsächlich sind die Terme mit gleichem Laufindex   in den Summen links und rechts vom Gleichheitszeichen gleich.
  3. Dazu muss festgestellt werden, dass dies ein theoretisches Gedankenmodell ist, das sich in der Praxis nicht so abbildet. Der Grund liegt in den individuellen Genen der Kaninchenmütter und der sich verändernden Geburtenrate. Es gibt Mütter, die über die Zeit zunehmend mehr Nachkommen haben, wenn sie mehr gebären konnten, während andere weniger Nachkommen haben, nachdem sie einen großen Wurf hatten. Zudem passen Kaninchen so wie auch Mäuse ihre Wurfgröße genetisch festgelegt an das Nahrungsangebot an, indem sie Gene an- und abschalten, welche die Fertilität steuern und Keimverzögerung sowie Befruchtungswillen beeinflussen.

Literatur Bearbeiten

Weblinks Bearbeiten

Commons: Fibonacci numbers – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Folge A000045 in OEIS
  2. Parmanand Singh: The So-called Fibonacci numbers in ancient and medieval India. In: Historia Mathematica. 12. Jahrgang, Nr. 3, 1985, S. 229–244, doi:10.1016/0315-0860(85)90021-7 (englisch).
  3. a b Der Goldene Schnitt – Das Mysterium der Schönheit (Dr. Dr. Ruben Stelzner). Abgerufen am 29. März 2023.
  4. Donald E. Knuth: Negafibonacci Numbers and the Hyperbolic Plane. Annual meeting. Hrsg.: The Mathematical Association of America. The Fairmont Hotel, San Jose, CA. 11. Dezember 2008 (Abstract (Memento vom 3. November 2011 im Internet Archive)).
  5. Hendrik Lenstra: Profinite Fibonacci numbers. (PDF; 351 kB).
  6. Yvonne Stry, Rainer Schwenkert: Kapitel 11 Wahrscheinlichkeitsrechnung und Statistik, Abschnitt 6 Anwendungen. Eine sonderbare Ziffern-Verteilung und die Steuerrevision, Unterabschnitt 11.6.1, in: Mathematik kompakt für Ingenieure und Informatiker, Springer-Verlag, 2006, ISBN 978-3-540-32312-9.
  7. Nicolai N. Vorobiev: Fibonacci Numbers. Springer Science & Business Media, 2002, ISBN 978-3-7643-6135-8 (google.de [abgerufen am 29. März 2023]).
  8. H. C. Williams: A Note on the Fibonacci Quotient Fp−ε/p. In: Canadian Mathematical Bulletin. Band 25, Nr. 3, 1. September 1982, ISSN 0008-4395, S. 366–370, doi:10.4153/CMB-1982-053-0 (cambridge.org [abgerufen am 29. März 2023]).
  9. Die Gleichung muss Landau (1899) bekannt gewesen sein, s. Borwein, Page 95, Exercise 3b.
    Wegen   ergibt eine Multiplikation mit allen Nennern die Gleichung
     
    die leicht verifiziert ist.
  10. Eric W. Weisstein: Zeckendorf Representation. In: MathWorld (englisch).
  11. In manchen Büchern wird für de Moivres Entdeckung auch 1730 angegeben oder auch die Entdeckung nur Binet zugeschrieben. Für de Moivre, Bernoulli und Binet siehe dazu Beutelspacher (Albrecht Beutelspacher, Bernhard Petri: Der Goldene Schnitt. Spektrum, Heidelberg/Berlin/Oxford 1988, ISBN 3-411-03155-7, S. 90) und Schröder (u. a. in: Herbert Schröder: Wege zur Analysis: Genetisch – Geometrisch – Konstruktiv. Gabler, 2001, ISBN 3-540-42032-0, S. 12 (Auszug (Google))). Dass die Formel zudem auch Euler bekannt war, findet man z. B. bei Winkler (Peter Winkler: Mehr mathematische Rätsel für Liebhaber. Gabler, 2010, ISBN 978-3-8274-2349-8, S. 46 (Auszug (Google))) oder Ben-Menahem (Ari Ben-Menahem: Historical Encyclopedia of Natural and Mathematical Sciences. Band 1. Springer, 2009, ISBN 978-3-540-68831-0, S. 611 (Auszug (Google))).
  12. Gleichung (2.12) in: Fibonacci numbers and matrices. 15. Juni 2009, Robert C. Johnson, Department of Mathematical Sciences, Durham University, UK.
  13. a b c Eric W. Weisstein: Reciprocal Fibonacci Constant. In: MathWorld (englisch).
  14. Landau (1899) zitiert nach Borwein, Page 95, Exercise 3b.
  15. Landau (1899) zitiert nach Borwein, Page 94, Exercise 3.
  16. Number-theoretical, combinatorial and integer functions – mpmath 1.1.0 documentation. Abgerufen am 18. Juli 2021.
  17. Als Dezimalbruch: Folge A079586 in OEIS
  18. Als Kettenbruch: Folge A079587 in OEIS
  19. Richard André-Jeannin: Irrationalité de la somme des inverses de certaines suites récurrentes (= Comptes rendus de l’Académie des sciences, Série I. Band 308, Nr. 19). 1989, S. 539–541 (französisch).
  20. Ribenboim S. 59–62.
  21. Borwein, Page 97, Equation (3.7.12).
  22. Ribenboim S. 323.
  23. Folge A000073 in OEIS, Folge A000078 in OEIS
  24. a b Tony Noe, Tito Piezas III, Eric Weisstein: Fibonacci n-Step Number. In: MathWorld (englisch).
  25. Folge A001608 in OEIS, Folge A000931 in OEIS
  26. G. Hegi: Illustrierte Flora von Mitteleuropa. Band VI/4. 2. Auflage 1987. Weissdorn Verlag, Jena, ISBN 3-936055-23-8.
  27. Richard A. Dunlap: The Golden Ratio and Fibonacci Numbers. World Scientific, Singapur 1999, ISBN 981-02-3264-0, S. 130–134.
  28. S. Schuster, M. Fichtner, S. Sasso: Use of Fibonacci numbers in lipidomics – Enumerating various classes of fatty acids. In: Sci. Rep. 7 (2017) 39821.
  29. Parmanand Singh: Acharya Hemachandra and the (so called) Fibonacci Numbers. In: Mathematics Education. 20,1 (Siwan, 1986), ISSN 0047-6269, S. 28–30.
  30. Friedrich Gustav Lang: Schreiben nach Mass. Zur Stichometrie in der antiken Literatur. (Memento vom 16. November 2018 im Internet Archive). In: Novum Testamentum. Vol. 41, Fasc. 1, 1999, S. 40–57. Lang verweist S. 55, Fußnote 86 auf Nikomachos von Gerasa, der diese Reihe neben anderen Zahlenreihen aufgelistet habe.
  31. Baldassare Boncompagni (Hrsg.): Scritti di Leonardo Pisano matematico del secolo decimoterzo. Bd. I, Tipografia delle scienze matematiche e fisiche. Rom 1857, S. 283–284 (Kap. XII, 7: „Quot paria coniculorum in uno anno ex uno pario germinentur“).
  32. T. C. Scott, P. Marketos: On the Origin of the Fibonacci Sequence. Hrsg.: MacTutor History of Mathematics archive, University of St Andrews. 23. März 2014 (englisch, online bei mcs.st-andrews.ac.uk [PDF; 2,1 MB; abgerufen am 25. September 2018]).
  33. Edouard Lucas: Recherches sur plusieurs ouvrages de Léonard de Pise et sur diverses questions d’arithmétique supérieure. In: Bulletino di bibliografia e di storia delle scienze matematiche e fisiche 10. (1877), S. 129–193, S. 239–293.
  34. Franz Lemmermeyer: Mathematik à la Carte. S. 210 ff.
  35. Mario Merz: Ziffern im Wald, Sammlung Würth, Inv. 15607
  36. Graham Hartmann: No. 1: Tool, ‘Lateralus’ – Top 21st Century Metal Songs. Abgerufen am 29. März 2023 (englisch).
  37. Beitrag in MU – Der Mathematikunterricht „Mathematik und Kunst“. Jg. 55, Heft 2, April 2009. Friedrich Verlag, Herausgeber Stefan Deschauer, TU Dresden, ISSN 0025-5807.
  38. Ingmar Lehmann: Fibonacci-Zahlen in Bildender Kunst und Literatur. Abgerufen am 7. November 2009 (PDF; 131 kB).
  39. Missing Persons. Abgerufen am 29. März 2023 (englisch).
  40. Die Orsons – What’s Goes? (Official Version). Abgerufen am 29. März 2023 (deutsch).
  41. Fibonacci Quadrat. Abgerufen am 18. Dezember 2023.