Система счисления фибоначчи

Определение

Последовательность Фибоначчи определяется следующим образом:



Несколько первых её членов:

История

Эти числа ввёл в 1202 г. Леонардо Фибоначчи (Leonardo Fibonacci) (также известный как Леонардо Пизанский (Leonardo Pisano)). Однако именно благодаря математику 19 века Люка (Lucas) название "числа Фибоначчи" стало общеупотребительным.

Впрочем, индийские математики упоминали числа этой последовательности ещё раньше: Гопала (Gopala) до 1135 г., Хемачандра (Hemachandra) — в 1150 г.

Числа Фибоначчи в природе

Сам Фибоначчи упоминал эти числа в связи с такой задачей: "Человек посадил пару кроликов в загон, окруженный со всех сторон стеной. Сколько пар кроликов за год может произвести на свет эта пара, если известно, что каждый месяц, начиная со второго, каждая пара кроликов производит на свет одну пару?". Решением этой задачи и будут числа последовательности, называемой теперь в его честь. Впрочем, описанная Фибоначчи ситуация — больше игра разума, чем реальная природа.

Индийские математики Гопала и Хемачандра упоминали числа этой последовательности в связи с количеством ритмических рисунков, образующихся в результате чередования долгих и кратких слогов в стихах или сильных и слабых долей в музыке. Число таких рисунков, имеющих в целом долей, равно .

Числа Фибоначчи появляются и в работе Кеплера 1611 года, который размышлял о числах, встречающихся в природе (работа "О шестиугольных снежинках").

Интересен пример растения — тысячелистника, у которого число стеблей (а значит и цветков) всегда есть число Фибоначчи. Причина этого проста: будучи изначально с единственным стеблем, этот стебель затем делится на два, затем от главного стебля ответвляется ещё один, затем первые два стебля снова разветвляются, затем все стебли, кроме двух последних, разветвляются, и так далее. Таким образом, каждый стебель после своего появления "пропускает" одно разветвление, а затем начинает делиться на каждом уровне разветвлений, что и даёт в результате числа Фибоначчи.

Вообще говоря, у многих цветов (например, лилий) число лепестков является тем или иным числом Фибоначчи.

Также в ботанике известно явление ”филлотаксиса”. В качестве примера можно привести расположение семечек подсолнуха: если посмотреть сверху на их расположение, то можно увидеть одновременно две серии спиралей (как бы наложенных друг на друга): одни закручены по часовой стрелке, другие — против. Оказывается, что число этих спиралей примерно совпадает с двумя последовательными числами Фибоначчи: 34 и 55 или 89 и 144. Аналогичные факты верны и для некоторых других цветов, а также для сосновых шишек, брокколи, ананасов, и т.д.

Для многих растений (по некоторым данным, для 90% из них) верен и такой интересный факт. Рассмотрим какой-нибудь лист, и будем спускаться от него вниз до тех пор, пока не достигнем листа, расположенного на стебле точно так же (т.е. направленного точно в ту же сторону). Попутно будем считать все листья, попадавшиеся нам (т.е. расположенные по высоте между стартовым листом и конечным), но расположенными по-другому. Нумеруя их, мы будем постепенно совершать витки вокруг стебля (поскольку листья расположены на стебле по спирали). В зависимости от того, совершать витки по часовой стрелке или против, будет получаться разное число витков. Но оказывается, что число витков, совершённых нами по часовой стрелке, число витков, совершённых против часовой стрелки, и число встреченных листьев образуют 3 последовательных числа Фибоначчи.

Читайте также:  Ттр казино

Впрочем, следует отметить, что есть и растения, для которых приведённые выше подсчёты дадут числа из совсем других последовательностей, поэтому нельзя сказать, что явление филлотаксиса является законом, — это скорее занимательная тенденция.

Свойства

Числа Фибоначчи обладают множеством интересных математических свойств.

Вот лишь некоторые из них:

Из предыдущего равенства при вытекает:

Из предыдущего равенста по индукции можно получить, что

всегда кратно .

Верно и обратное к предыдущему утверждение:

если кратно , то кратно .

По отношению к алгоритму Евклида числа Фибоначчи обладают тем замечательным свойством, что они являются наихудшими входными данными для этого алгоритма (см. "Теорема Ламе" в Алгоритме Евклида).

Фибоначчиева система счисления

Теорема Цекендорфа утверждает, что любое натуральное число можно представить единственным образом в виде суммы чисел Фибоначчи:

где , , , (т.е. в записи нельзя использовать два соседних числа Фибоначчи).

Отсюда следует, что любое число можно однозначно записать в фибоначчиевой системе счисления, например:



причём ни в каком числе не могут идти две единицы подряд.

Нетрудно получить и правило прибавления единицы к числу в фибоначчиевой системе счисления: если младшая цифра равна 0, то её заменяем на 1, а если равна 1 (т.е. в конце стоит 01), то 01 заменяем на 10. Затем "исправляем" запись, последовательно исправляя везде 011 на 100. В результате за линейное время будет получена запись нового числа.

Перевод числа в фибоначчиеву систему счисления осуществляется простым "жадным" алгоритмом: просто перебираем числа Фибоначчи от больших к меньшим и, если некоторое , то входит в запись числа , и мы отнимаем от и продолжаем поиск.

Формула для n-го числа Фибоначчи

Формула через радикалы

Существует замечательная формула, называемая по имени французского математика Бине (Binet), хотя она была известна до него Муавру (Moivre):

Эту формулу легко доказать по индукции, однако вывести её можно с помощью понятия образующих функций или с помощью решения функционального уравнения.

Сразу можно заметить, что второе слагаемое всегда по модулю меньше 1, и более того, очень быстро убывает (экспоненциально). Отсюда следует, что значение первого слагаемого даёт "почти" значение . Это можно записать в строгом виде:

где квадратные скобки обозначают округление до ближайшего целого.

Впрочем, для практического применения в вычислениях эти формулы мало подходят, потому что требуют очень высокой точности работы с дробными числами.

Матричная формула для чисел Фибоначчи

Нетрудно доказать матричное следующее равенство:

Но тогда, обозначая

Таким образом, для нахождения -го числа Фибоначчи надо возвести матрицу в степень .

Вспоминая, что возведение матрицы в -ую степень можно осуществить за (см. Бинарное возведение в степень), получается, что -ое число Фибоначчи можно легко вычислить за c использованием только целочисленной арифметики.

Периодичность последовательности Фибоначчи по модулю

Рассмотрим последовательность Фибоначчи по некоторому модулю . Докажем, что она является периодичной, и причём период начинается с (т.е. предпериод содержит только ).

Докажем это от противного. Рассмотрим пар чисел Фибоначчи, взятых по модулю :

Поскольку по модулю может быть только различных пар, то среди этой последовательности найдётся как минимум две одинаковые пары. Это уже означает, что последовательность периодична.

Выберем теперь среди всех таких одинаковых пар две одинаковые пары с наименьшими номерами. Пусть это пары с некоторыми номерами и . Докажем, что . Действительно, в противном случае для них найдутся предыдущие пары и , которые, по свойству чисел Фибоначчи, также будут равны друг другу. Однако это противоречит тому, что мы выбрали совпадающие пары с наименьшими номерами, что и требовалось доказать.

Читайте также:  Эльдорадо казино 777

На основе фибоначчиевой системы счисления строится код (кодирование) Фибоначчи — универсальный код для натуральных чисел (1, 2, 3…), использующий последовательности битов. Поскольку комбинация 11 запрещена в Фибоначчиевой системе счисления, её можно использовать как маркер конца записи. Для составления кода Фибоначчи по записи числа в фибоначчиевой системе счисления следует переписать цифры в обратном порядке (так, что старшая единица оказывается последним символом) и приписать в конце ещё раз 1 (см. таблицу). То есть, кодовая последовательность имеет вид:

где n — номер самого старшего разряда с единицей.

Арифметика

Сложение чисел в позиционных системах счисления выполняется с использованием переноса, позволяющего устранять последствия переполнения разряда. Например, в двоичной системе: 01 + 01 = 0 2 = 10 .

В фибоначчиевой системе счисления дело обстоит сложнее:

  • Во-первых, вес старших разрядов не является кратным весу разряда, из которого требуется перенос. При сложении двух единиц в одном разряде требуется перенос не только влево, но и вправо: 0 2 00 = 1001 . При переносе в отсутствующие разряды ε1 и ε следует помнить, что F1=1=F2 и F=0.
  • Во-вторых, требуется избавляться от соседних единиц: 0 11 = 100 . Правило для раскрытия двоек является следствием этого равенства: 0 2 00 = 0100 + 00 11 = 0 11 1 = 1001 .

Этот раздел не завершён.

Обобщение на вещественные числа

Число Представление
через
степени
1 1, 2 10,01 3 100,01 4 101,01 5 1000,1001 6 1010,0001 7 10000,0001 8 10001,0001 9 10010,0101 10 10100,0101 11 10101,0101 12 100000,101001 13 100010,001001 14 100100,001001

Похожее устройство имеет позиционная система счисления с иррациональным основанием, равным золотому сечению .

Любое вещественное число x из отрезка [0,1] допускает разложение в ряд через отрицательные степени золотого сечения:

где <εk> обладает тем же свойством отсутствия соседних единиц. Коэффициенты находятся последовательным сравнением x с — золотым сечением отрезка [0,1], вычитанием (если εk=1) и умножением на . Из этого нетрудно видеть, что любое неотрицательное вещественное число допускает разложение:

где N таково, что . Разумеется, следует считать что для всех .

Эти формулы полностью аналогичны формулам для обычных позиционных систем с целыми основаниями. Оказывается, что любое неотрицательное целое число (и, более общо, всякий неотрицательный элемент кольца ) имеет представление лишь с конечным количеством единиц, то есть в виде конечной суммы неповторяющихся степеней золотого сечения. [3]

Аналогия между числами Фибоначчи и степенями золотого сечения основана на одинаковой форме тождеств:

позволяющих устранение соседних единиц. Прямой связи между представлением натуральных чисел в системе золотого сечения и в фибоначчиевой не имеется.

Правила сложения аналогичны показанным выше с той поправкой, что перенос в сторону младших разрядов распространяется без ограничения. В данной системе счисления можно производить и умножение.

Фибоначчиево умножение

Для целых чисел и можно определить «умножение» [4]

которое аналогично умножению чисел в двоичной системе счисления.

Разумеется, данная операция не является настоящим умножением чисел, и выражается формулой: [5]

где — целая часть, — золотое сечение.

Эта операция обладает ассоциативностью, на что впервые обратил внимание Дональд Кнут. [6] Следует отметить, что другое «произведение» отличающееся лишь сдвигом на два разряда, уже не является ассоциативным.

Для компьютеров, основанных на классической двоичной системе счисления, не всегда можно эффективно решать проблему отсутствия механизма обнаружения ошибок. В 80-х годах XX столетия группа ученых под руководством профессора Алексея Петровича Стахова из Таганрогского радиотехнического института создала опытный экземпляр помехоустойчивого процессора [3]. Этот процессор мог сам контролировать возникающие в его работе сбои. Для кодирования информации была выбрана фибоначчиева система счисления. Ее использование позволило построить удивительный процессор, на званный “Фибоначчи-процессор”, или “Ф-процессор”. И хотя успешная попытка построения помехоустойчивого процессора на основе фибоначчиевой системы счисления носила скорее теоретический, чем практический интерес, изучение этой замечательной системы счисления заслуживает внимания.

Читайте также:  Слот вояджер

Для указания, что число записано в ФСС, будем использовать в нижнем индексе сокращение fib. Например, 10000101fib = 3810.

Числа Фибоначчи — элементы числовой последовательности 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987, 1597, 2584, 4181, 6765, 10 946, …, в которой каждое последующее число, начиная с третьего, равно сумме двух предыдущих чисел.

Для формального определения чисел Фибоначчи используют следующее рекуррентное соотношение:

Последовательность, известная у нас как числа Фибоначчи, использовалась в Древней Индии задолго до того, как стала известна в Европе после изучения и описания ее Леонардо Пизанским Фибоначчи (1170-1250).

Леонардо Пизанский Фибоначчи. Благодаря книге Фибоначчи “Liber Abaci” Европа узнала индоарабскую систему чисел, которая позднее вытеснила традиционные для того времени римские числа.

ФСС относится к позиционным системам. Алфавитом ФСС являются цифры 0 и 1, а ее базисом — последовательность чисел Фибоначчи 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89 … . Обратите внимание, что F0 = 1 в базис не включается.

В табл. перечислены некоторые числа в двоичной и фибоначчиевой системах счисления.

Десятичное двоичное ФСС
100 или 11
1000 или 110
10010 или 1110
10100100 или 10011100 или 10100011 или 10011011

Фибоначчиева система является разновидностью двоичной системы — ее алфавит составляют цифры 0 и 1. Следовательно, эту неклассическую двоичную систему счисления, вообще говоря, можно использовать для кодирования информации в компьютере, так как элементная база современной компьютерной техники ориентирована на обработку двоичных последовательностей.

Избыточность ФСС проявляется в различных кодовых представлениях одного и того же числа.

4.1. Алгоритмы перевода целых чисел из ФСС в десятичную систему и обратно

Как известно, все позиционные системы устроены одинаково и, следовательно, перевод из любой позиционной системы счисления в десятичную осуществляется по одному и тому же алгоритму.

В P-ичных системах счисления базис является геометрической прогрессией. Вклад в значение числа цифры a, стоящей на k-м месте слева, равен a-P k , где P — основание системы счисления. Часто говорят, что “вес” k-го разряда равен P k .

В ФСС “вес” каждого разряда числа также определяется базисом этой системы. Для удобства дальнейшей работы выпишем “веса” первых 10 разрядов ФСС (нумерацию разрядов ведем справа налево, начиная с первого). Такая нумерация разрядов удобна, поскольку в качестве веса k-го разряда используется k-е число Фибоначчи.

10-й разряд 9-й разряд 8-й разряд 7-й разряд 6-й разряд 5-й разряд 4-й разряд 3-й разряд 2-й разряд 1-й разряд

Пример 1.Пусть нам дано число Afib = 10101010 записанное в фсс. Чему равно это число в десятичной системе счисления?

Чтобы ответить на этот вопрос, запишем цифры числа в разрядную сетку, затем умножим каждую цифру на вес разряда и сложим полученные числа. Так как цифрами фибоначчиевой системы счисления являются 0 и 1, то нам достаточно сложить веса тех разрядов, где стоят единицы.

8-й разряд 7-й разряд 6-й разряд 5-й разряд 4-й разряд 3-й разряд 2-й разряд 1-й разряд

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *