数学在自然界中的几种绝妙表现
你是否曾经停下来环顾四周,注意到我们周围世界中的神奇的形状和图案?数学构成了自然世界的基石,并以惊人的方式展现出来。下面是一些自然界数学的例子。
斐波那契序列(The Fibonacci Sequence)
斐波那契数列(Fibonacci sequence),又称黄金分割数列,因数学家莱昂纳多·斐波那契(Leonardo Fibonacci)以兔子繁殖为例子而引入,故又称为“兔子数列”,指的是这样一个数列:1、1、2、3、5、8、13、21、34、……在数学上,斐波那契数列以如下被以递推的方法定义:F(0)=0,F(1)=1, F(n)=F(n - 1)+F(n - 2)(n ≥ 2,n ∈ N*)在现代物理、准晶体结构、化学等领域,斐波纳契数列都有直接的应用。它是一个简单而深奥的数列。序列从数字1和1开始,然后每个后续的数字通过将前面的两个数字相加来找到。因此,在1和1之后,下一个数字是2(1 + 1)。下一个数字是3(1 + 2) ,然后是5(2 + 3) ,如此类推。
值得注意的是,序列中的数字在自然界中经常可以看到。一些例子包括松果的螺旋数,菠萝或向日葵的种子数,或一朵花的花瓣数。
上图:向日葵的两条螺旋线符合斐波那契数列的数字规律
上图:松果的螺旋数
斐波那契数列中的数字还形成了一个独特的形状,被称为斐波那契螺旋,我们在自然界中看到它的形式是贝壳和飓风的形状。
上图:贝壳的形状
自然界的分形(Fractals in Nature):
分形是我们在自然界中看到的另一种有趣的数学形状。分形是一种相似的、重复的形状,这意味着同样的基本形状在形状本身中反复出现。换句话说,如果你要放大或缩小,整个形状都是一样的。
上图:蕨类植物的叶子
分形构成了我们世界的许多方面,包括蕨类植物的叶子、树枝、我们大脑中的神经元分支和海岸线。
上图:神经元分支
自然界的六边形(Hexagons in Nature):
自然界的另一个几何奇观是六边形。一个正六边形有六条等长的边,这种形状在我们周围的世界中随处可见。自然界中使用六边形最常见的例子是蜜蜂的蜂巢。
上图:蜂巢
蜜蜂用六边形来建造它们的蜂巢。但是你知道每一片雪花都是六边形的吗?
上图:气泡
我们还可以在气泡中看到六边形,它们组成了一个筏形气泡。虽然我们通常认为气泡是圆的,但当许多气泡在水面上挤在一起时,它们就形成了六边形。
自然界中的同心圆(Concentric Circles in Nature):
自然界另一种常见的形状是一组同心圆。同心圆是指所有的圆都有同一个圆心,但有不同的半径。这意味着这些圆的大小各不相同,一个在另一个里面。
一个常见的例子是,当某物撞击水面时,池塘会产生涟漪。但我们也能在洋葱的层层中看到同心圆,以及随着洋葱的生长和老化而形成的树木年轮。
上图:年轮
如果你住在树林附近,你可能会去找一棵倒下的树来数一数它的年轮,或者去找一个由几乎完美的同心圆构成的圆蛛网。
上图:圆蛛网
外层空间的数学(Math in Outer Space):
远离地球,我们也可以在外太空看到许多相同的数学特征。
上图:行星沿同心圆的轨道绕太阳运行
例如,我们的银河系的形状是斐波那契螺旋。行星沿同心圆的轨道绕太阳运行。我们在土星环上也能看到同心圆。地球、月球和太阳之间的对称性,使日食成为可能。
上图:银河系的形状是斐波那契螺旋
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