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secuencia de Fibonacci

Comprobado En matemáticas, la sucesión de Fibonacci es una sucesión en la que cada elemento es la suma de los dos elementos que lo preceden. Los números que forman parte de la s...

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En matemáticas, la sucesión de Fibonacci es una sucesión en la que cada elemento es la suma de los dos elementos que lo preceden. Los números que forman parte de la sucesión de Fibonacci se conocen como números de Fibonacci , comúnmente denotados F n . Los elementos iniciales de la sucesión son F 1 = 1 y F 2 = 1 , aunque muchos autores también incluyen un elemento cero F 0 = 0 . [ 1 ] [ 2 ] Partiendo de F 0 , la sucesión comienza

0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, ... (secuencia A000045 en el OEIS )
Un mosaico con cuadrados cuyos lados tienen longitudes sucesivas de números de Fibonacci: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13 y 21.

Los números de Fibonacci fueron descritos por primera vez en las matemáticas indias ya en el año 200  a. C. en la obra de Pingala sobre la enumeración de posibles patrones de poesía sánscrita formados a partir de sílabas de dos longitudes. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] Reciben su nombre del matemático italiano Leonardo de Pisa, también conocido como Fibonacci , quien introdujo la secuencia en las matemáticas de Europa occidental en su libro Liber Abaci de 1202. [ 6 ]

Los números de Fibonacci aparecen con una frecuencia inesperada en matemáticas, hasta el punto de que existe una revista dedicada exclusivamente a su estudio, la Fibonacci Quarterly . Entre las aplicaciones de los números de Fibonacci se incluyen algoritmos informáticos como la técnica de búsqueda de Fibonacci y la estructura de datos de montón de Fibonacci , así como grafos denominados cubos de Fibonacci, utilizados para interconectar sistemas paralelos y distribuidos. También aparecen en contextos biológicos , como la ramificación de los árboles, la disposición de las hojas en un tallo , los brotes de la piña , la floración de la alcachofa y la disposición de las brácteas de una piña de pino , aunque no se dan en todas las especies.

Fibonacci numbers are also strongly related to the golden ratio: Binet's formula expresses the n-th Fibonacci number in terms of n and the golden ratio, and implies that the ratio of two consecutive Fibonacci numbers tends to the golden ratio as n increases. Fibonacci numbers are also closely related to Lucas numbers, which obey the same recurrence relation and with the Fibonacci numbers form a complementary pair of Lucas sequences.

Definition

The Fibonacci spiral: an approximation of the golden spiral created by drawing circular arcs connecting the opposite corners of squares in the Fibonacci tiling (see preceding image)

The Fibonacci numbers may be defined by the recurrence relation[7]F0=0,F1=1,{\displaystyle F_{0}=0,\quad F_{1}=1,} and Fn=Fn1+Fn2{\displaystyle F_{n}=F_{n-1}+F_{n-2}} for n > 1.

Under some older definitions, the value F0=0{\displaystyle F_{0}=0} is omitted, so that the sequence starts with F1=F2=1{\displaystyle F_{1}=F_{2}=1}.[8][9]

The first 21 Fibonacci numbers Fn are:

The Fibonacci sequence can be extended to negative integer indices by following the same recurrence relation in the negative direction (sequence A039834 in the OEIS): F1=1{\displaystyle F_{1}=1}, F0=0{\displaystyle F_{0}=0}, and Fn=Fn+2Fn+1{\displaystyle F_{n}=F_{n+2}-F_{n+1}} for n < 0 . Nearly all properties of Fibonacci numbers do not depend upon whether the indices are positive or negative. The values for positive and negative indices obey the relation:[10]Fn=(1)n+1Fn.{\displaystyle F_{-n}=(-1)^{n+1}F_{n}.}

History

India

Thirteen (F7) ways of arranging long and short syllables in a cadence of length six. Eight (F6) end with a short syllable and five (F5) end with a long syllable.

La secuencia de Fibonacci aparece en las matemáticas indias , en relación con la prosodia sánscrita . [ 4 ] [ 11 ] [ 12 ] En la tradición poética sánscrita, existía interés en enumerar todos los patrones de sílabas largas (L) de 2 unidades de duración, yuxtapuestas con sílabas cortas (S) de 1 unidad de duración. Contando los diferentes patrones de L y S sucesivas con una duración total dada se obtienen los números de Fibonacci: el número de patrones de duración m unidades es F m +1 . [ 5 ]

El conocimiento de la secuencia de Fibonacci se expresó ya en Pingala ( c.  450  a. C.–200  a. C.). Singh cita la fórmula críptica de Pingala misrau cha ("los dos están mezclados") y a los eruditos que la interpretan en contexto como diciendo que el número de patrones para m tiempos ( F m +1 ) se obtiene añadiendo un [S] a los casos F m y un [L] a los casos F m −1 . [ 13 ] Bharata Muni también expresa conocimiento de la secuencia en el Natya Shastra ( c.  100  a. C.–c. 350 d . C.). [ 3 ] [ 4 ] Sin embargo, la exposición más clara de la secuencia surge en la obra de Virahanka ( c. 700 d. C.), cuya propia obra se ha perdido, pero está disponible en una cita de Gopala ( c. 1135): [ 12 ]     

Variaciones de dos metros anteriores [es la variación]  ... Por ejemplo, para [un metro de longitud] cuatro, al mezclarse variaciones de metros de dos [y] tres, se obtiene cinco. [resuelve los ejemplos 8, 13, 21]  ... De esta manera, el proceso debe seguirse en todas las mātrā-vṛttas [combinaciones prosódicas]. [ a ]

A Hemachandra ( c.  1150) también se le atribuye el conocimiento de la secuencia, [ 3 ] escribiendo que "la suma del último y el anterior es el número  ... del siguiente mātrā-vṛtta". [ 15 ] [ 16 ]

Europa

Una página del Liber Abaci de Fibonacci de la Biblioteca Nazionale di Firenze que muestra (en el recuadro de la derecha) 13 entradas de la secuencia de Fibonacci: los índices desde el presente hasta el XII (meses) como ordinales latinos y números romanos y los números (de pares de conejos) como números arábigos indoeuropeos que comienzan con 1, 2, 3, 5 y terminan con 377.

La secuencia de Fibonacci aparece por primera vez en el libro Liber Abaci ( El Libro de Cálculos , 1202) de Fibonacci , [ 17 ] [ 18 ] donde se utiliza para calcular el crecimiento de poblaciones de conejos. [ 19 ] Fibonacci considera el crecimiento de una población de conejos idealizada ( biológicamente irreal) , asumiendo que: una pareja reproductora recién nacida se coloca en un campo; cada pareja reproductora se aparea a la edad de un mes, y al final de su segundo mes siempre producen otra pareja de conejos; y los conejos nunca mueren, sino que continúan reproduciéndose para siempre. Fibonacci planteó el problema matemático del conejo : ¿cuántas parejas habrá en un año?

  • Al final del primer mes, se aparean, pero sigue habiendo solo una pareja.
  • Al final del segundo mes, producen una nueva pareja, por lo que hay 2 parejas en el campo.
  • Al final del tercer mes, la pareja original produce una segunda pareja, pero esta segunda pareja solo se aparea para gestar durante un mes, por lo que hay 3 parejas en total.
  • Al final del cuarto mes, la pareja original ha producido otra nueva pareja, y la pareja nacida hace dos meses también produce su primera pareja, con lo que suma 5 parejas.

Al final del n -ésimo mes, el número de parejas de conejos es igual al número de parejas maduras (es decir, el número de parejas en el mes n – 2 ) más el número de parejas vivas el mes anterior (mes n – 1 ). El número en el n -ésimo mes es el n -ésimo número de Fibonacci. [ 20 ]

El nombre "secuencia de Fibonacci" fue utilizado por primera vez por el teórico de números del siglo XIX Édouard Lucas . [ 21 ]

Solución al problema de los conejos de Fibonacci : En una población idealizada en crecimiento, el número de parejas de conejos forma la secuencia de Fibonacci. Al final del n- ésimo mes, el número de parejas es igual a F n.

Relación con la proporción áurea

Expresión en forma cerrada

Like every sequence defined by a homogeneous linear recurrence with constant coefficients, the Fibonacci numbers have a closed-form expression.[22] It has become known as Binet's formula, named after French mathematician Jacques Philippe Marie Binet, though it was already known by Abraham de Moivre and Daniel Bernoulli:[23]

Fn=φnψnφψ=φnψn5,{\displaystyle F_{n}={\frac {\varphi ^{n}-\psi ^{n}}{\varphi -\psi }}={\frac {\varphi ^{n}-\psi ^{n}}{\sqrt {5}}},}

where φ{\displaystyle \varphi } (phi) is the golden ratio and ψ{\displaystyle \psi } (psi) is its conjugate,[24]

φ=12(1+5 )=1.61803,ψ=12(15 )=0.61803.{\displaystyle {\begin{aligned}\varphi &={\tfrac {1}{2}}{\bigl (}1+{\sqrt {5}}~\!{\bigr )}={\phantom {-}}1.61803\ldots ,\\[5mu]\psi &={\tfrac {1}{2}}{\bigl (}1-{\sqrt {5}}~\!{\bigr )}=-0.61803\ldots .\end{aligned}}}

algebraic visualization of the Golden Ratio and its conjugate

The numbers φ{\displaystyle \varphi } and ψ{\displaystyle \psi } are the two solutions of the quadratic equationx2x1=0{\displaystyle \textstyle x^{2}-x-1=0}, that is, (xφ)(xψ)=x2x1{\displaystyle (x-\varphi )(x-\psi )=x^{2}-x-1}, and thus they satisfy the identities φ+ψ=1{\displaystyle \varphi +\psi =1} and φψ=1{\displaystyle \varphi \psi =-1}.

Since ψ=φ1{\displaystyle \psi =-\varphi ^{-1}}, Binet's formula can also be written as

Fn=φn(φ)n5=φn(φ)n2φ1.{\displaystyle F_{n}={\frac {\varphi ^{n}-(-\varphi )^{-n}}{\sqrt {5}}}={\frac {\varphi ^{n}-(-\varphi )^{-n}}{2\varphi -1}}.}

To see the relation between the sequence and these constants,[25] note that φ{\displaystyle \varphi } and ψ{\displaystyle \psi } are also roots of xn=xn1+xn2,{\displaystyle x^{n}=x^{n-1}+x^{n-2},} so the powers of φ{\displaystyle \varphi } and ψ{\displaystyle \psi } satisfy the Fibonacci recurrence. In other words,

φn=φn1+φn2,ψn=ψn1+ψn2.{\displaystyle {\begin{aligned}\varphi ^{n}&=\varphi ^{n-1}+\varphi ^{n-2},\\[3mu]\psi ^{n}&=\psi ^{n-1}+\psi ^{n-2}.\end{aligned}}}

It follows that for any values a and b, the sequence defined by

Un=aφn+bψn{\displaystyle U_{n}=a\varphi ^{n}+b\psi ^{n}}

satisfies the same recurrence. If a and b are chosen so that U0 = 0 and U1 = 1 then the resulting sequence Un must be the Fibonacci sequence. This is the same as requiring a and b satisfy the system of equations:

aφ0+bψ0=0aφ1+bψ1=1{\displaystyle {\begin{aligned}a\varphi ^{0}+b\psi ^{0}&=0\\a\varphi ^{1}+b\psi ^{1}&=1\end{aligned}}}

which has solution

a=1φψ=15,b=a,{\displaystyle a={\frac {1}{\varphi -\psi }}={\frac {1}{\sqrt {5}}},\quad b=-a,}

producing the required formula.

Taking the starting values U0 and U1 to be arbitrary constants and solving the system of equations gives the general solution a=U1U0ψ5,b=U0φU15.{\displaystyle {\begin{aligned}a&={\frac {U_{1}-U_{0}\psi }{\sqrt {5}}},\\[3mu]b&={\frac {U_{0}\varphi -U_{1}}{\sqrt {5}}}.\end{aligned}}} In particular, choosing a = 1 makes the n-th element of the sequence closely approximate the n-th power of φ{\displaystyle \varphi } for large enough values of n. This arises when U0 = 2 and U1 = 1, which produces the sequence of Lucas numbers.

Computation by rounding

Since |ψn5|<12{\textstyle \left|{\frac {\psi ^{n}}{\sqrt {5}}}\right|<{\frac {1}{2}}} for all n ≥ 0, the number Fn is the closest integer to φn5{\displaystyle {\frac {\varphi ^{n}}{\sqrt {5}}}}. Therefore, it can be found by rounding, using the nearest integer function: Fn=φn5, n0.{\displaystyle F_{n}=\left\lfloor {\frac {\varphi ^{n}}{\sqrt {5}}}\right\rceil ,\ n\geq 0.}

In fact, the rounding error quickly becomes very small as n grows, being less than 0.1 for n ≥ 4, and less than 0.01 for n ≥ 8. This formula is easily inverted to find an index of a Fibonacci number F: n(F)=logφ5F, F1.{\displaystyle n(F)=\left\lfloor \log _{\varphi }{\sqrt {5}}F\right\rceil ,\ F\geq 1.}

Instead using the floor function gives the largest index of a Fibonacci number that is not greater than F: nlargest(F)=logφ5(F+1/2), F0,{\displaystyle n_{\mathrm {largest} }(F)=\left\lfloor \log _{\varphi }{\sqrt {5}}(F+1/2)\right\rfloor ,\ F\geq 0,} where logφ(x)=ln(x)/ln(φ)=log10(x)/log10(φ){\displaystyle \log _{\varphi }(x)=\ln(x)/\ln(\varphi )=\log _{10}(x)/\log _{10}(\varphi )}, ln(φ)=0.481211{\displaystyle \ln(\varphi )=0.481211\ldots },[26] and log10(φ)=0.208987{\displaystyle \log _{10}(\varphi )=0.208987\ldots }.[27]

Magnitude

Since Fn is asymptotic to φn/5{\displaystyle \varphi ^{n}/{\sqrt {5}}}, the number of digits in Fn is asymptotic to nlog10φ0.2090n{\displaystyle n\log _{10}\varphi \approx 0.2090\,n}. As a consequence, for every integer d > 1 there are either 4 or 5 Fibonacci numbers with d decimal digits.

More generally, in the baseb representation, the number of digits in Fn is asymptotic to nlogbφ=nlogφlogb.{\displaystyle n\log _{b}\varphi ={\frac {n\log \varphi }{\log b}}.}

Limit of consecutive quotients

Johannes Kepler observed that the ratio of consecutive Fibonacci numbers converges. He wrote that "as 5 is to 8 so is 8 to 13, practically, and as 8 is to 13, so is 13 to 21 almost", and concluded that these ratios approach the golden ratio φ{\displaystyle \varphi }:[28][29]limnFn+1Fn=φ.{\displaystyle \lim _{n\to \infty }{\frac {F_{n+1}}{F_{n}}}=\varphi .}

This convergence holds regardless of the starting values U0{\displaystyle U_{0}} and U1{\displaystyle U_{1}}, unless U1=U0/φ{\displaystyle U_{1}=-U_{0}/\varphi }. This can be verified using Binet's formula. For example, the initial values 3 and 2 generate the sequence 3, 2, 5, 7, 12, 19, 31, 50, 81, 131, 212, 343, 555, .... The ratio of consecutive elements in this sequence shows the same convergence towards the golden ratio.

In general, limnFn+mFn=φm{\displaystyle \lim _{n\to \infty }{\frac {F_{n+m}}{F_{n}}}=\varphi ^{m}}, because the ratios between consecutive Fibonacci numbers approaches φ{\displaystyle \varphi }.

Successive tilings of the plane and a graph of approximations to the golden ratio calculated by dividing each Fibonacci number by the previous

Decomposition of powers

Since the golden ratio satisfies the equation φ2=φ+1,{\displaystyle \varphi ^{2}=\varphi +1,}

this expression can be used to decompose higher powers φn{\displaystyle \varphi ^{n}} as a linear function of lower powers, which in turn can be decomposed all the way down to a linear combination of φ{\displaystyle \varphi } and 1. The resulting recurrence relationships yield Fibonacci numbers as the linear coefficients: φn=Fnφ+Fn1.{\displaystyle \varphi ^{n}=F_{n}\varphi +F_{n-1}.} Esta ecuación se puede demostrar por inducción sobre n ≥ 1 : φnorte+1=(Fnorteφ+Fnorte1)φ=Fnorteφ2+Fnorte1φ=Fnorte(φ+1)+Fnorte1φ=(Fnorte+Fnorte1)φ+Fnorte=Fnorte+1φ+Fnorte.{\displaystyle {\begin{aligned}\varphi ^{n+1}&=(F_{n}\varphi +F_{n-1})\varphi =F_{n}\varphi ^{2}+F_{n-1}\varphi \\&=F_{n}(\varphi +1)+F_{n-1}\varphi =(F_{n}+F_{n-1})\varphi +F_{n}=F_{n+1}\varphi +F_{n}.\end{aligned}}} Paraψ=1/φ{\displaystyle \psi =-1/\varphi }, también es cierto queψ2=ψ+1{\displaystyle \psi ^{2}=\psi +1}y también es cierto que ψnorte=Fnorteψ+Fnorte1.{\displaystyle \psi ^{n}=F_{n}\psi +F_{n-1}.}

Estas expresiones también son válidas para n < 1 si la secuencia de Fibonacci F n se extiende a enteros negativos utilizando la regla de Fibonacci.Fnorte=Fnorte+2Fnorte+1.{\displaystyle F_{n}=F_{n+2}-F_{n+1}.}

Identificación

La fórmula de Binet proporciona una prueba de que un entero positivo x es un número de Fibonacci si y solo si al menos uno de5incógnita2+4{\displaystyle 5x^{2}+4}o5incógnita24{\displaystyle 5x^{2}-4}es un cuadrado perfecto . [ 30 ] Esto se debe a que la fórmula de Binet, que se puede escribir comoFnorte=(φnorte(1)norteφnorte)/5{\displaystyle F_{n}=(\varphi ^{n}-(-1)^{n}\varphi ^{-n})/{\sqrt {5}}}, se puede multiplicar por5φnorte{\displaystyle {\sqrt {5}}\varphi ^{n}}y resuelta como una ecuación cuadrática enφnorte{\displaystyle \varphi ^{n}}mediante la fórmula cuadrática :

φnorte=Fnorte5±5Fnorte2+4(1)norte2.{\displaystyle \varphi ^{n}={\frac {F_{n}{\sqrt {5}}\pm {\sqrt {5{F_{n}}^{\!2}+4{(-1)}^{n}}}}{2}}.}

Comparando esto conφnorte=Fnorteφ+Fnorte1=(Fnorte5+Fnorte+2Fnorte1)/2{\displaystyle \varphi ^{n}=F_{n}\varphi +F_{n-1}=(F_{n}{\sqrt {5}}+F_{n}+2F_{n-1})/2}De ello se deduce que

5Fnorte2+4(1)norte=(Fnorte+2Fnorte1)2.{\displaystyle 5{F_{n}}^{\!2}+4(-1)^{n}=(F_{n}+2F_{n-1})^{2}\,.}

En particular, el lado izquierdo es un cuadrado perfecto.

Forma matricial

Un sistema bidimensional de ecuaciones en diferencias lineales que describe la secuencia de Fibonacci es

(Fk+2Fk+1)=(1110)(Fk+1Fk){\displaystyle {\begin{pmatrix}F_{k+2}\\F_{k+1}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}1&1\\1&0\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}F_{k+1}\\F_{k}\end{pmatrix}}} alternativamente denominado Fk+1=AFk,{\displaystyle {\vec {F}}_{k+1}=\mathbf {A} {\vec {F}}_{k},}

lo cual produceFnorte=AnorteF0{\displaystyle {\vec {F}}_{n}=\mathbf {A} ^{n}{\vec {F}}_{0}}Los valores propios de la matriz A sonφ=12(1+5 ){\displaystyle \varphi ={\tfrac {1}{2}}{\bigl (}1+{\sqrt {5}}~\!{\bigr )}}yψ=φ1=12(15 ){\displaystyle \psi =-\varphi ^{-1}={\tfrac {1}{2}}{\bigl (}1-{\sqrt {5}}~\!{\bigr )}}correspondientes a los respectivos autovectoresμ=(φ1),ν=(φ11).{\displaystyle {\vec {\mu }}={\begin{pmatrix}\varphi \\1\end{pmatrix}},\quad {\vec {\nu }}={\begin{pmatrix}-\varphi ^{-1}\\1\end{pmatrix}}.}

Como el valor inicial es F0=(10)=15μ15ν,{\displaystyle {\vec {F}}_{0}={\begin{pmatrix}1\\0\end{pmatrix}}={\frac {1}{\sqrt {5}}}{\vec {\mu }}\,-\,{\frac {1}{\sqrt {5}}}{\vec {\nu }},} De ello se deduce que el n- ésimo elemento es Fnorte =15Anorteμ15Anorteν=15φnorteμ15(φ)norteν=15(1+52)norte(φ1)15(152)norte(doφ11).{\displaystyle {\begin{aligned}{\vec {F}}_{n}\ &={\frac {1}{\sqrt {5}}}A^{n}{\vec {\mu }}-{\frac {1}{\sqrt {5}}}A^{n}{\vec {\nu }}\\&={\frac {1}{\sqrt {5}}}\varphi ^{n}{\vec {\mu }}-{\frac {1}{\sqrt {5}}}(-\varphi )^{-n}{\vec {\nu }}\\&={\cfrac {1}{\sqrt {5}}}\left({\cfrac {1+{\sqrt {5}}}{2}}\right)^{\!n}{\begin{pmatrix}\varphi \\1\end{pmatrix}}\,-\,{\cfrac {1}{\sqrt {5}}}\left({\cfrac {1-{\sqrt {5}}}{2}}\right)^{\!n}{\begin{pmatrix}{c}-\varphi ^{-1}\\1\end{pmatrix}}.\end{aligned}}}

A partir de esto, el enésimo elemento de la secuencia de Fibonacci se puede leer directamente como una expresión de forma cerrada : Fnorte=15(1+52)norte15(152)norte.{\displaystyle F_{n}={\cfrac {1}{\sqrt {5}}}\left({\cfrac {1+{\sqrt {5}}}{2}}\right)^{\!n}-\,{\cfrac {1}{\sqrt {5}}}\left({\cfrac {1-{\sqrt {5}}}{2}}\right)^{\!n}.}

De forma equivalente, el mismo cálculo puede realizarse diagonalizando A mediante el uso de su descomposición en valores propios : A=SΛS1,Anorte=SΛnorteS1,{\displaystyle {\begin{aligned}A&=S\Lambda S^{-1},\\[3mu]A^{n}&=S\Lambda ^{n}S^{-1},\end{aligned}}} dónde Λ=(φ00φ1),S=(φφ111).{\displaystyle \Lambda ={\begin{pmatrix}\varphi &0\\0&-\varphi ^{-1}\!\end{pmatrix}},\quad S={\begin{pmatrix}\varphi &-\varphi ^{-1}\\1&1\end{pmatrix}}.} Por lo tanto, la expresión en forma cerrada para el n -ésimo elemento de la secuencia de Fibonacci viene dada por: (Fnorte+1Fnorte)=Anorte(F1F0) =SΛnorteS1(F1F0)=S(φnorte00(φ)norte)S1(F1F0)=(φφ111)(φnorte00(φ)norte)15(1φ11φ)(10),{\displaystyle {\begin{aligned}{\begin{pmatrix}F_{n+1}\\F_{n}\end{pmatrix}}&=A^{n}{\begin{pmatrix}F_{1}\\F_{0}\end{pmatrix}}\ \\&=S\Lambda ^{n}S^{-1}{\begin{pmatrix}F_{1}\\F_{0}\end{pmatrix}}\\&=S{\begin{pmatrix}\varphi ^{n}&0\\0&(-\varphi )^{-n}\end{pmatrix}}S^{-1}{\begin{pmatrix}F_{1}\\F_{0}\end{pmatrix}}\\&={\begin{pmatrix}\varphi &-\varphi ^{-1}\\1&1\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}\varphi ^{n}&0\\0&(-\varphi )^{-n}\end{pmatrix}}{\frac {1}{\sqrt {5}}}{\begin{pmatrix}1&\varphi ^{-1}\\-1&\varphi \end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}1\\0\end{pmatrix}},\end{aligned}}} lo que nuevamente produce Fnorte=φnorte(φ)norte5.{\displaystyle F_{n}={\cfrac {\varphi ^{n}-(-\varphi )^{-n}}{\sqrt {5}}}.}

La matriz A tiene un determinante de −1, y por lo tanto es una matriz unimodular de 2 × 2 .

Esta propiedad puede entenderse en términos de la representación en fracción continua de la proporción áurea φ : φ=1+11+11+11+.{\displaystyle \varphi =1+{\cfrac {1}{1+{\cfrac {1}{1+{\cfrac {1}{1+\ddots }}}}}}.} The convergents of the continued fraction for φ are ratios of successive Fibonacci numbers: φn = Fn+1 / Fn is the n-th convergent, and the (n + 1)-st convergent can be found from the recurrence relation φn+1 = 1 + 1 / φn.[31] The matrix formed from successive convergents of any continued fraction has a determinant of +1 or −1. The matrix representation gives the following closed-form expression for the Fibonacci numbers: (1110)n=(Fn+1FnFnFn1).{\displaystyle {\begin{pmatrix}1&1\\1&0\end{pmatrix}}^{n}={\begin{pmatrix}F_{n+1}&F_{n}\\F_{n}&F_{n-1}\end{pmatrix}}.} For a given n, this matrix can be computed in O(log n) arithmetic operations,[b] using the exponentiation by squaring method.

Taking the determinant of both sides of this equation yields Cassini's identity, (1)n=Fn+1Fn1Fn2.{\displaystyle (-1)^{n}=F_{n+1}F_{n-1}-{F_{n}}^{2}.}

Moreover, since AnAm = An+m for any square matrixA, the following identities can be derived (they are obtained from two different coefficients of the matrix product, and one may easily deduce the second one from the first one by changing n into n + 1), FmFn+Fm1Fn1=Fm+n1,FmFn+1+Fm1Fn=Fm+n.{\displaystyle {\begin{aligned}{F_{m}}{F_{n}}+{F_{m-1}}{F_{n-1}}&=F_{m+n-1},\\[3mu]F_{m}F_{n+1}+F_{m-1}F_{n}&=F_{m+n}.\end{aligned}}}

In particular, with m = n, F2n1=Fn2+Fn12F2n1=(Fn1+Fn+1)Fn=(2Fn1+Fn)Fn=(2Fn+1Fn)Fn.{\displaystyle {\begin{aligned}F_{2n-1}&={F_{n}}^{2}+{F_{n-1}}^{2}\\[6mu]F_{2n{\phantom {{}-1}}}&=(F_{n-1}+F_{n+1})F_{n}\\[3mu]&=(2F_{n-1}+F_{n})F_{n}\\[3mu]&=(2F_{n+1}-F_{n})F_{n}.\end{aligned}}}

These last two identities provide a way to compute Fibonacci numbers recursively in O(log n) arithmetic operations. This matches the time for computing the n-th Fibonacci number from the closed-form matrix formula, but with fewer redundant steps if one avoids recomputing an already computed Fibonacci number (recursion with memoization).[32]

Combinatorial identities

Combinatorial proofs

Most identities involving Fibonacci numbers can be proved using combinatorial arguments using the fact that Fn{\displaystyle F_{n}} can be interpreted as the number of (possibly empty) sequences of 1s and 2s whose sum is n1{\displaystyle n-1}. This can be taken as the definition of Fn{\displaystyle F_{n}} with the conventions F0=0{\displaystyle F_{0}=0}, meaning no such sequence exists whose sum is −1, and F1=1{\displaystyle F_{1}=1}, meaning the empty sequence "adds up" to 0. In the following, |...|{\displaystyle |{...}|} is the cardinality of a set:

F0=0=|{}|{\displaystyle F_{0}=0=|\{\}|}
F1=1=|{()}|{\displaystyle F_{1}=1=|\{()\}|}
F2=1=|{(1)}|{\displaystyle F_{2}=1=|\{(1)\}|}
F3=2=|{(1,1),(2)}|{\displaystyle F_{3}=2=|\{(1,1),(2)\}|}
F4=3=|{(1,1,1),(1,2),(2,1)}|{\displaystyle F_{4}=3=|\{(1,1,1),(1,2),(2,1)\}|}
F5=5=|{(1,1,1,1),(1,1,2),(1,2,1),(2,1,1),(2,2)}|{\displaystyle F_{5}=5=|\{(1,1,1,1),(1,1,2),(1,2,1),(2,1,1),(2,2)\}|}

In this manner the recurrence relation Fn=Fn1+Fn2{\displaystyle F_{n}=F_{n-1}+F_{n-2}} puede entenderse dividiendo elFnorte{\displaystyle F_{n}}secuencias en dos conjuntos que no se superponen, donde todas las secuencias comienzan con 1 o 2: Fnorte=|{(1,...),(1,...),...}|+|{(2,...),(2,...),...}|{\displaystyle F_{n}=|\{(1,...),(1,...),...\}|+|\{(2,...),(2,...),...\}|} Excluyendo el primer elemento, los términos restantes en cada secuencia sumannorte2{\displaystyle n-2}onorte3{\displaystyle n-3}y la cardinalidad de cada conjunto esFnorte1{\displaystyle F_{n-1}}oFnorte2{\displaystyle F_{n-2}}dando un total deFnorte1+Fnorte2{\displaystyle F_{n-1}+F_{n-2}}secuencias, mostrando que esto es igual aFnorte{\displaystyle F_{n}}.

De manera similar se puede demostrar que la suma de los primeros números de Fibonacci hasta el n -ésimo es igual al ( n + 2) -ésimo número de Fibonacci menos  1. [ 33 ] En símbolos: i=1norteFi=Fnorte+21{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}F_{i}=F_{n+2}-1}

Esto se puede observar dividiendo todas las secuencias que sumannorte+1{\displaystyle n+1}basado en la ubicación de los dos primeros. Específicamente, cada conjunto consta de aquellas secuencias que comienzan(2,...),(1,2,...),...,{\displaystyle (2,...),(1,2,...),...,}hasta los dos últimos sets{(1,1,...,1,2)},{(1,1,...,1)}{\displaystyle \{(1,1,...,1,2)\},\{(1,1,...,1)\}}cada uno con cardinalidad 1.

Siguiendo la misma lógica que antes, al sumar la cardinalidad de cada conjunto vemos que

Fnorte+2=Fnorte+Fnorte1+...+|{(1,1,...,1,2)}|+|{(1,1,...,1)}|{\displaystyle F_{n+2}=F_{n}+F_{n-1}+...+|\{(1,1,...,1,2)\}|+|\{(1,1,...,1)\}|}

... donde los dos últimos términos tienen el valorF1=1{\displaystyle F_{1}=1}De esto se deduce quei=1norteFi=Fnorte+21{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}F_{i}=F_{n+2}-1}.

Un argumento similar, agrupando las sumas por la posición del primer  1 en lugar del primer  2, da dos identidades más: i=0norte1F2i+1=F2norte{\displaystyle \sum _{i=0}^{n-1}F_{2i+1}=F_{2n}} y i=1norteF2i=F2norte+11.{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}F_{2i}=F_{2n+1}-1.} En palabras, la suma de los primeros números de Fibonacci con índice impar hastaF2norte1{\displaystyle F_{2n-1}}es el (2 n ) -ésimo número de Fibonacci, y la suma de los primeros números de Fibonacci con índice par hastaF2norte{\displaystyle F_{2n}}es el (2 n + 1) -ésimo número de Fibonacci menos  1. [ 34 ]

Se puede utilizar otro truco para demostrarlo. i=1norteFi2=FnorteFnorte+1{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}F_{i}^{2}=F_{n}F_{n+1}} o en palabras, la suma de los cuadrados de los primeros números de Fibonacci hastaFnorte{\displaystyle F_{n}}es el producto de los números de Fibonacci n -ésimo y ( n + 1) -ésimo. Para ver esto, comencemos con un rectángulo de Fibonacci de tamañoFnorte×Fnorte+1{\displaystyle F_{n}\times F_{n+1}}y descomponerlo en cuadrados de tamañoFnorte,Fnorte1,...,F1{\displaystyle F_{n},F_{n-1},...,F_{1}}; a partir de esto, la identidad se deduce comparando áreas:

Pruebas por inducción

Las identidades de Fibonacci a menudo se pueden demostrar fácilmente utilizando la inducción matemática .

Por ejemplo, reconsiderar i=1norteFi=Fnorte+21.{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}F_{i}=F_{n+2}-1.} AgregarFnorte+1{\displaystyle F_{n+1}}a ambas partes da

i=1norteFi+Fnorte+1=Fnorte+1+Fnorte+21{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}F_{i}+F_{n+1}=F_{n+1}+F_{n+2}-1}

y así tenemos la fórmula paranorte+1{\displaystyle n+1}i=1norte+1Fi=Fnorte+31{\displaystyle \sum _{i=1}^{n+1}F_{i}=F_{n+3}-1}

De manera similar, agregueFnorte+12{\displaystyle {F_{n+1}}^{2}}a ambos lados de i=1norteFi2=FnorteFnorte+1{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}F_{i}^{2}=F_{n}F_{n+1}} dar i=1norteFi2+Fnorte+12=Fnorte+1(Fnorte+Fnorte+1){\displaystyle \sum _{i=1}^{n}F_{i}^{2}+{F_{n+1}}^{2}=F_{n+1}\left(F_{n}+F_{n+1}\right)}i=1norte+1Fi2=Fnorte+1Fnorte+2{\displaystyle \sum _{i=1}^{n+1}F_{i}^{2}=F_{n+1}F_{n+2}}

Demostraciones de fórmulas de Binet

La fórmula de Binet es 5Fnorte=φnorteψnorte.{\displaystyle {\sqrt {5}}F_{n}=\varphi ^{n}-\psi ^{n}.} Esto puede utilizarse para demostrar identidades de Fibonacci.

Por ejemplo, para demostrar quei=1norteFi=Fnorte+21{\textstyle \sum _{i=1}^{n}F_{i}=F_{n+2}-1} tenga en cuenta que el lado izquierdo multiplicado por5{\displaystyle {\sqrt {5}}}se convierte 1+φ+φ2++φnorte(1+ψ+ψ2++ψnorte)=φnorte+11φ1ψnorte+11ψ1=φnorte+11ψψnorte+11φ=φnorte+2+φ+ψnorte+2ψφψ=φnorte+2ψnorte+2(φψ)=5(Fnorte+21){\displaystyle {\begin{aligned}1+&\varphi +\varphi ^{2}+\dots +\varphi ^{n}-\left(1+\psi +\psi ^{2}+\dots +\psi ^{n}\right)\\&={\frac {\varphi ^{n+1}-1}{\varphi -1}}-{\frac {\psi ^{n+1}-1}{\psi -1}}\\&={\frac {\varphi ^{n+1}-1}{-\psi }}-{\frac {\psi ^{n+1}-1}{-\varphi }}\\&={\frac {-\varphi ^{n+2}+\varphi +\psi ^{n+2}-\psi }{\varphi \psi }}\\&=\varphi ^{n+2}-\psi ^{n+2}-(\varphi -\psi )\\&={\sqrt {5}}(F_{n+2}-1)\\\end{aligned}}} según sea necesario, utilizando los hechos.φψ=1{\textstyle \varphi \psi =-1}yφψ=5{\textstyle \varphi -\psi ={\sqrt {5}}}para simplificar las ecuaciones.

Otras identidades

Se pueden derivar numerosas otras identidades utilizando diversos métodos. Aquí hay algunos de ellos: [ 35 ]

Las identidades de Cassini y Catalán

La identidad de Cassini afirma que Fnorte2Fnorte+1Fnorte1=(1)norte1{\displaystyle F_{n}^{2}-F_{n+1}F_{n-1}=(-1)^{n-1}} La identidad catalana es una generalización: Fnorte2Fnorte+rFnorter=(1)norterFr2{\displaystyle F_{n}^{2}-F_{n+r}F_{n-r}=(-1)^{n-r}F_{r}^{2}}

La identidad de d'Ocagne

FmetroFnorte+1Fmetro+1Fnorte=(1)norteFmetronorte{\displaystyle F_{m}F_{n+1}-F_{m+1}F_{n}=(-1)^{n}F_{m-n}}F2norte=Fnorte+12Fnorte12=Fnorte(Fnorte+1+Fnorte1)=FnorteLnorte{\displaystyle F_{2n}=F_{n+1}^{2}-F_{n-1}^{2}=F_{n}\left(F_{n+1}+F_{n-1}\right)=F_{n}L_{n}} donde L n es el n - ésimo número de Lucas . El último es una identidad para duplicar n ; otras identidades de este tipo son F3norte=2Fnorte3+3FnorteFnorte+1Fnorte1=5Fnorte3+3(1)norteFnorte{\displaystyle F_{3n}=2F_{n}^{3}+3F_{n}F_{n+1}F_{n-1}=5F_{n}^{3}+3(-1)^{n}F_{n}} por la identidad de Cassini.

F3norte+1=Fnorte+13+3Fnorte+1Fnorte2Fnorte3{\displaystyle F_{3n+1}=F_{n+1}^{3}+3F_{n+1}F_{n}^{2}-F_{n}^{3}}F3norte+2=Fnorte+13+3Fnorte+12Fnorte+Fnorte3{\displaystyle F_{3n+2}={F_{n+1}}^{3}+3F_{n+1}^{2}F_{n}+F_{n}^{3}}F4norte=4FnorteFnorte+1(Fnorte+12+2Fnorte2)3Fnorte2(Fnorte2+2Fnorte+12){\displaystyle F_{4n}=4F_{n}F_{n+1}\left(F_{n+1}^{2}+2F_{n}^{2}\right)-3F_{n}^{2}\left(F_{n}^{2}+2F_{n+1}^{2}\right)} These can be found experimentally using lattice reduction, and are useful in setting up the special number field sieve to factorize a Fibonacci number.

More generally,[35]

Fkn+c=i=0k(ki)FciFniFn+1ki.{\displaystyle F_{kn+c}=\sum _{i=0}^{k}{\binom {k}{i}}F_{c-i}F_{n}^{i}F_{n+1}^{k-i}.}

or alternatively

Fkn+c=i=0k(ki)Fc+iFniFn1ki.{\displaystyle F_{kn+c}=\sum _{i=0}^{k}{\binom {k}{i}}F_{c+i}F_{n}^{i}F_{n-1}^{k-i}.}

Putting k = 2 in this formula, one gets again the formulas of the end of above section Matrix form.

Generating functions

Ordinary

The ordinary generating function of the Fibonacci sequence is the power series

s(z)=k=0Fkzk=0+z+z2+2z3+3z4+5z5+.{\displaystyle s(z)=\sum _{k=0}^{\infty }F_{k}z^{k}=0+z+z^{2}+2z^{3}+3z^{4}+5z^{5}+\cdots .}

This series is convergent for any complex numberz{\displaystyle z} satisfying |z|<1/φ0.618,{\displaystyle |z|<1/\varphi \approx 0.618,} and its sum has a simple closed form:[36]

s(z)=z1zz2.{\displaystyle s(z)={\frac {z}{1-z-z^{2}}}.}

This can be proved by multiplying by (1zz2){\textstyle (1-z-z^{2})}: (1zz2)s(z)=k=0Fkzkk=0Fkzk+1k=0Fkzk+2=k=0Fkzkk=1Fk1zkk=2Fk2zk=0z0+1z10z1+k=2(FkFk1Fk2)zk=z,{\displaystyle {\begin{aligned}(1-z-z^{2})s(z)&=\sum _{k=0}^{\infty }F_{k}z^{k}-\sum _{k=0}^{\infty }F_{k}z^{k+1}-\sum _{k=0}^{\infty }F_{k}z^{k+2}\\&=\sum _{k=0}^{\infty }F_{k}z^{k}-\sum _{k=1}^{\infty }F_{k-1}z^{k}-\sum _{k=2}^{\infty }F_{k-2}z^{k}\\&=0z^{0}+1z^{1}-0z^{1}+\sum _{k=2}^{\infty }(F_{k}-F_{k-1}-F_{k-2})z^{k}\\&=z,\end{aligned}}} where all terms involving zk{\displaystyle z^{k}} for k2{\displaystyle k\geq 2} cancel out because of the defining Fibonacci recurrence relation.

Using z=10n{\displaystyle z={10}^{-n}} lays out the Fibonacci numbers through the second-last number with n{\displaystyle n} digits in the decimal expansion of s(z){\displaystyle s(z)}. For example, s(103)=0.0010.998999=1000998999=000.001001002003005008013.{\displaystyle s(10^{-3})={\frac {0.001}{0.998999}}={\frac {1000}{998999}}=000.\,001\,001\,002\,003\,005\,008\,013\,\ldots .}

The partial fraction decomposition is given by s(z)=15(11φz11ψz){\displaystyle s(z)={\frac {1}{\sqrt {5}}}\left({\frac {1}{1-\varphi z}}-{\frac {1}{1-\psi z}}\right)} where φ=12(1+5){\textstyle \varphi ={\tfrac {1}{2}}\left(1+{\sqrt {5}}\right)} is the golden ratio and ψ=12(15){\displaystyle \psi ={\tfrac {1}{2}}\left(1-{\sqrt {5}}\right)} is its conjugate.

Exponential

The exponential generating function of the Fibonacci sequence may also be derived from the recurrence relation, giving a homogeneouslinear differential equation: k=0Fk+2xkk!=k=0Fk+1xkk!+k=0Fkxkk!F(x)=F(x)+F(x){\displaystyle {\begin{aligned}\sum _{k=0}^{\infty }F_{k+2}{\frac {x^{k}}{k!}}={}&\sum _{k=0}^{\infty }F_{k+1}{\frac {x^{k}}{k!}}+\sum _{k=0}^{\infty }F_{k}{\frac {x^{k}}{k!}}\\F^{\prime \prime }(x)={}&F^{\prime }(x)+F(x)\end{aligned}}} The characteristic polynomial of this equation is r2=r+1{\textstyle r^{2}=r+1}, to which the solutions are exactly the golden ratioφ{\textstyle \varphi } and its conjugateψ{\textstyle \psi }. Combined with the initial values F0=F(0)=0{\textstyle F_{0}=F(0)=0} and F1=F(0)=1{\textstyle F_{1}=F^{\prime }(0)=1}, the exponential generating function of the Fibonacci numbers is given by the entire functionF(x)=eφxeψx5{\displaystyle F(x)={\frac {e^{\varphi x}-e^{\psi x}}{\sqrt {5}}}} Evaluating the derivatives of the exponential generating function at x=0{\textstyle x=0} gives Binet's formula: F(n)(0)=Fn=φnψn5{\displaystyle F^{(n)}(0)=F_{n}={\frac {\varphi ^{n}-\psi ^{n}}{\sqrt {5}}}}

Reciprocal sums

Infinite sums over reciprocal Fibonacci numbers can sometimes be evaluated in terms of theta functions. For example, the sum of every odd-indexed reciprocal Fibonacci number can be written as k=11F2k1=54ϑ2(0,352)2,{\displaystyle \sum _{k=1}^{\infty }{\frac {1}{F_{2k-1}}}={\frac {\sqrt {5}}{4}}\;\vartheta _{2}\!\left(0,{\frac {3-{\sqrt {5}}}{2}}\right)^{2},}

and the sum of squared reciprocal Fibonacci numbers as k=11Fk2=524(ϑ2(0,352)4ϑ4(0,352)4+1).{\displaystyle \sum _{k=1}^{\infty }{\frac {1}{{F_{k}}^{2}}}={\frac {5}{24}}\!\left(\vartheta _{2}\!\left(0,{\frac {3-{\sqrt {5}}}{2}}\right)^{4}-\vartheta _{4}\!\left(0,{\frac {3-{\sqrt {5}}}{2}}\right)^{4}+1\right).}

If we add 1 to each Fibonacci number in the first sum, there is also the closed form k=111+F2k1=52,{\displaystyle \sum _{k=1}^{\infty }{\frac {1}{1+F_{2k-1}}}={\frac {\sqrt {5}}{2}},}

and there is a nested sum of squared Fibonacci numbers giving the reciprocal of the golden ratio, k=1(1)k+1j=1kFj2=512.{\displaystyle \sum _{k=1}^{\infty }{\frac {(-1)^{k+1}}{\sum _{j=1}^{k}{F_{j}}^{2}}}={\frac {{\sqrt {5}}-1}{2}}.}

The sum of all even-indexed reciprocal Fibonacci numbers is[37]k=11F2k=5(L(ψ2)L(ψ4)){\displaystyle \sum _{k=1}^{\infty }{\frac {1}{F_{2k}}}={\sqrt {5}}\left(L(\psi ^{2})-L(\psi ^{4})\right)} with the Lambert seriesL(q):=k=1qk1qk,{\displaystyle \textstyle L(q):=\sum _{k=1}^{\infty }{\frac {q^{k}}{1-q^{k}}},} since 1F2k=5(ψ2k1ψ2kψ4k1ψ4k).{\displaystyle \textstyle {\frac {1}{F_{2k}}}={\sqrt {5}}\left({\frac {\psi ^{2k}}{1-\psi ^{2k}}}-{\frac {\psi ^{4k}}{1-\psi ^{4k}}}\right)\!.}

So the reciprocal Fibonacci constant is[38]k=11Fk=k=11F2k1+k=11F2k=3.359885666243{\displaystyle \sum _{k=1}^{\infty }{\frac {1}{F_{k}}}=\sum _{k=1}^{\infty }{\frac {1}{F_{2k-1}}}+\sum _{k=1}^{\infty }{\frac {1}{F_{2k}}}=3.359885666243\dots }

Moreover, this number has been proved irrational by Richard André-Jeannin.[39]

Millin's series gives the identity[40]k=01F2k=752,{\displaystyle \sum _{k=0}^{\infty }{\frac {1}{F_{2^{k}}}}={\frac {7-{\sqrt {5}}}{2}},} which follows from the closed form for its partial sums as N tends to infinity: k=0N1F2k=3F2N1F2N.{\displaystyle \sum _{k=0}^{N}{\frac {1}{F_{2^{k}}}}=3-{\frac {F_{2^{N}-1}}{F_{2^{N}}}}.}

Primes and divisibility

Divisibility properties

Every third number of the sequence is even (a multiple of F3=2{\displaystyle F_{3}=2}) and, more generally, every k{\displaystyle k}-th number of the sequence is a multiple of Fk{\displaystyle F_{k}}. Thus the Fibonacci sequence is an example of a divisibility sequence. In fact, the Fibonacci sequence satisfies the stronger divisibility property[41][42]gcd(Fa,Fb,Fc,)=Fgcd(a,b,c,){\displaystyle \gcd(F_{a},F_{b},F_{c},\ldots )=F_{\gcd(a,b,c,\ldots )}\,} where gcd is the greatest common divisor function. (This relation is different if a different indexing convention is used, such as the one that starts the sequence with F0=1{\displaystyle F_{0}=1} and F1=1{\displaystyle F_{1}=1}.)

In particular, any three consecutive Fibonacci numbers are pairwise coprime because both F1=1{\displaystyle F_{1}=1} and F2=1{\displaystyle F_{2}=1}. That is, gcd(Fn,Fn+1)=gcd(Fn,Fn+2)=gcd(Fn+1,Fn+2)=1{\displaystyle \gcd(F_{n},F_{n+1})=\gcd(F_{n},F_{n+2})=\gcd(F_{n+1},F_{n+2})=1} for every n.

Every prime numberp divides a Fibonacci number that can be determined by the value of pmodulo 5. If p is congruent to 1 or 4 modulo 5, then p divides Fp−1, and if p is congruent to 2 or 3 modulo 5, then, p divides Fp+1. The remaining case is that p = 5, and in this case p divides Fp.

{p=5pFp,p±1(mod5)pFp1,p±2(mod5)pFp+1.{\displaystyle {\begin{cases}p=5&\Rightarrow p\mid F_{p},\\p\equiv \pm 1{\pmod {5}}&\Rightarrow p\mid F_{p-1},\\p\equiv \pm 2{\pmod {5}}&\Rightarrow p\mid F_{p+1}.\end{cases}}}

These cases can be combined into a single, non-piecewise formula, using the Legendre symbol:[43]pFp (5p).{\displaystyle p\mid F_{p\,-~\!\left({\frac {5}{p}}\right)}.}

Primality testing

The above formula can be used as a primality test in the sense that if nFn (5n),{\displaystyle n\mid F_{n\,-~\!\left({\frac {5}{n}}\right)},} where the Legendre symbol has been replaced by the Jacobi symbol, then this is evidence that n is a prime, and if it fails to hold, then n is definitely not a prime. If n is composite and satisfies the formula, then n is a Fibonacci pseudoprime. When m is large say a 500-bit number then we can calculate Fm (mod n) efficiently using the matrix form. Thus

(Fm+1FmFmFm1)(1110)m(modn).{\displaystyle {\begin{pmatrix}F_{m+1}&F_{m}\\F_{m}&F_{m-1}\end{pmatrix}}\equiv {\begin{pmatrix}1&1\\1&0\end{pmatrix}}^{m}{\pmod {n}}.} Here the matrix power Am is calculated using modular exponentiation, which can be adapted to matrices.[44]

Fibonacci primes

A Fibonacci prime is a Fibonacci number that is prime. The first few are:[45]

2, 3, 5, 13, 89, 233, 1597, 28657, 514229, ...

Fibonacci primes with thousands of digits have been found, but it is not known whether there are infinitely many.[46]

Fkn is divisible by Fn, so, apart from F4 = 3, any Fibonacci prime must have a prime index. As there are arbitrarily long runs of composite numbers, there are therefore also arbitrarily long runs of composite Fibonacci numbers.

No Fibonacci number greater than F6 = 8 is one greater or one less than a prime number.[47]

The only nontrivial square Fibonacci number is 144.[48] Attila Pethő proved in 2001 that there is only a finite number of perfect power Fibonacci numbers.[49] In 2006, Y. Bugeaud, M. Mignotte, and S. Siksek proved that 8 and 144 are the only such non-trivial perfect powers.[50]

The only triangular Fibonacci numbers are 1, 3, 21, and 55, which was conjectured by Vern Hoggatt and proved by Luo Ming.[51]

No Fibonacci number can be a perfect number.[52] More generally, no Fibonacci number other than 1 can be multiply perfect,[53] and no ratio of two Fibonacci numbers can be perfect.[54]

Prime divisors

With the exceptions of 1, 8 and 144 (F1 = F2, F6 and F12) every Fibonacci number has a prime factor that is not a factor of any smaller Fibonacci number (Carmichael's theorem).[55] As a result, 8 and 144 (F6 and F12) are the only Fibonacci numbers that are the product of other Fibonacci numbers.[56]

The divisibility of Fibonacci numbers by a prime p is related to the Legendre symbol(p5){\displaystyle {\bigl (}{\tfrac {p}{5}}{\bigr )}} which is evaluated as follows: (p5)={0if p=51if p±1(mod5)1if p±2(mod5).{\displaystyle \left({\frac {p}{5}}\right)={\begin{cases}0&{\text{if }}p=5\\1&{\text{if }}p\equiv \pm 1{\pmod {5}}\\-1&{\text{if }}p\equiv \pm 2{\pmod {5}}.\end{cases}}}

If p is a prime number then Fp(p5)(modp)andFp(p5)0(modp).{\displaystyle F_{p}\equiv \left({\frac {p}{5}}\right){\pmod {p}}\quad {\text{and}}\quad F_{p-\left({\frac {p}{5}}\right)}\equiv 0{\pmod {p}}.}[57][58]

For example, (25)=1,F3=2,F2=1,(35)=1,F4=3,F3=2,(55)=0,F5=5,(75)=1,F8=21,F7=13,(115)=+1,F10=55,F11=89.{\displaystyle {\begin{aligned}{\bigl (}{\tfrac {2}{5}}{\bigr )}&=-1,&F_{3}&=2,&F_{2}&=1,\\{\bigl (}{\tfrac {3}{5}}{\bigr )}&=-1,&F_{4}&=3,&F_{3}&=2,\\{\bigl (}{\tfrac {5}{5}}{\bigr )}&=0,&F_{5}&=5,\\{\bigl (}{\tfrac {7}{5}}{\bigr )}&=-1,&F_{8}&=21,&F_{7}&=13,\\{\bigl (}{\tfrac {11}{5}}{\bigr )}&=+1,&F_{10}&=55,&F_{11}&=89.\end{aligned}}}

It is not known whether there exists a prime p such that

Fp (p5)0(modp2).{\displaystyle F_{p\,-~\!\left({\frac {p}{5}}\right)}\equiv 0{\pmod {p^{2}}}.}

Such primes (if there are any) would be called Wall–Sun–Sun primes.

Also, if p ≠ 5 is an odd prime number then:[59]5Fp±122{12(5(p5)±5)(modp)if p1(mod4)12(5(p5)3)(modp)if p3(mod4).{\displaystyle 5{F_{\frac {p\pm 1}{2}}}^{2}\equiv {\begin{cases}{\tfrac {1}{2}}\left(5{\bigl (}{\tfrac {p}{5}}{\bigr )}\pm 5\right){\pmod {p}}&{\text{if }}p\equiv 1{\pmod {4}}\\{\tfrac {1}{2}}\left(5{\bigl (}{\tfrac {p}{5}}{\bigr )}\mp 3\right){\pmod {p}}&{\text{if }}p\equiv 3{\pmod {4}}.\end{cases}}}

Example 1.p = 7, in this case p ≡ 3 (mod 4) and we have: (75)=1:12(5(75)+3)=1,12(5(75)3)=4.{\displaystyle {\bigl (}{\tfrac {7}{5}}{\bigr )}=-1:\qquad {\tfrac {1}{2}}\left(5{\bigl (}{\tfrac {7}{5}}{\bigr )}+3\right)=-1,\quad {\tfrac {1}{2}}\left(5{\bigl (}{\tfrac {7}{5}}{\bigr )}-3\right)=-4.}F3=2 and F4=3.{\displaystyle F_{3}=2{\text{ and }}F_{4}=3.}5F32=201(mod7) and 5F42=454(mod7){\displaystyle 5{F_{3}}^{2}=20\equiv -1{\pmod {7}}\;\;{\text{ and }}\;\;5{F_{4}}^{2}=45\equiv -4{\pmod {7}}}

Example 2.p = 11, in this case p ≡ 3 (mod 4) and we have: (115)=+1:12(5(115)+3)=4,12(5(115)3)=1.{\displaystyle {\bigl (}{\tfrac {11}{5}}{\bigr )}=+1:\qquad {\tfrac {1}{2}}\left(5{\bigl (}{\tfrac {11}{5}}{\bigr )}+3\right)=4,\quad {\tfrac {1}{2}}\left(5{\bigl (}{\tfrac {11}{5}}{\bigr )}-3\right)=1.}F5=5 and F6=8.{\displaystyle F_{5}=5{\text{ and }}F_{6}=8.}5F52=1254(mod11) and 5F62=3201(mod11){\displaystyle 5{F_{5}}^{2}=125\equiv 4{\pmod {11}}\;\;{\text{ and }}\;\;5{F_{6}}^{2}=320\equiv 1{\pmod {11}}}

Example 3.p = 13, in this case p ≡ 1 (mod 4) and we have: (135)=1:12(5(135)5)=5,12(5(135)+5)=0.{\displaystyle {\bigl (}{\tfrac {13}{5}}{\bigr )}=-1:\qquad {\tfrac {1}{2}}\left(5{\bigl (}{\tfrac {13}{5}}{\bigr )}-5\right)=-5,\quad {\tfrac {1}{2}}\left(5{\bigl (}{\tfrac {13}{5}}{\bigr )}+5\right)=0.}F6=8 and F7=13.{\displaystyle F_{6}=8{\text{ and }}F_{7}=13.}5F62=3205(mod13) and 5F72=8450(mod13){\displaystyle 5{F_{6}}^{2}=320\equiv -5{\pmod {13}}\;\;{\text{ and }}\;\;5{F_{7}}^{2}=845\equiv 0{\pmod {13}}}

Example 4.p = 29, in this case p ≡ 1 (mod 4) and we have: (295)=+1:12(5(295)5)=0,12(5(295)+5)=5.{\displaystyle {\bigl (}{\tfrac {29}{5}}{\bigr )}=+1:\qquad {\tfrac {1}{2}}\left(5{\bigl (}{\tfrac {29}{5}}{\bigr )}-5\right)=0,\quad {\tfrac {1}{2}}\left(5{\bigl (}{\tfrac {29}{5}}{\bigr )}+5\right)=5.}F14=377 and F15=610.{\displaystyle F_{14}=377{\text{ and }}F_{15}=610.}5F142=7106450(mod29) and 5F152=18605005(mod29){\displaystyle 5{F_{14}}^{2}=710645\equiv 0{\pmod {29}}\;\;{\text{ and }}\;\;5{F_{15}}^{2}=1860500\equiv 5{\pmod {29}}}

For odd n, all odd prime divisors of Fn are congruent to 1 modulo 4, implying that all odd divisors of Fn (as the products of odd prime divisors) are congruent to 1 modulo 4.[60]

For example, F1=1, F3=2, F5=5, F7=13, F9=34=217, F11=89, F13=233, F15=610=2561.{\displaystyle F_{1}=1,\ F_{3}=2,\ F_{5}=5,\ F_{7}=13,\ F_{9}={\color {Red}34}=2\cdot 17,\ F_{11}=89,\ F_{13}=233,\ F_{15}={\color {Red}610}=2\cdot 5\cdot 61.}

All known factors of Fibonacci numbers F(i) for all i < 50000 are collected at the relevant repositories.[61][62]

Periodicity modulo n

If the members of the Fibonacci sequence are taken mod n, the resulting sequence is periodic with period at most 6n.[63] The lengths of the periods for various n form the so-called Pisano periods.[64] Determining a general formula for the Pisano periods is an open problem, which includes as a subproblem a special instance of the problem of finding the multiplicative order of a modular integer or of an element in a finite field. However, for any particular n, the Pisano period may be found as an instance of cycle detection.

Generalizations

The Fibonacci sequence is one of the simplest and earliest known sequences defined by a recurrence relation, and specifically by a linear difference equation. All these sequences may be viewed as generalizations of the Fibonacci sequence. In particular, Binet's formula may be generalized to any sequence that is a solution of a homogeneous linear difference equation with constant coefficients.

Some specific examples that are close, in some sense, to the Fibonacci sequence include:

  • Generalizing the index to negative integers to produce the negafibonacci numbers.
  • Generalizing the index to real numbers using a modification of Binet's formula.[35]
  • Starting with other integers. Lucas numbers have L1 = 1, L2 = 3, and Ln = Ln−1 + Ln−2. Primefree sequences use the Fibonacci recursion with other starting points to generate sequences in which all numbers are composite.
  • Letting a number be a linear function (other than the sum) of the 2 preceding numbers. The Pell numbers have Pn = 2Pn−1 + Pn−2. If the coefficient of the preceding value is assigned a variable value x, the result is the sequence of Fibonacci polynomials.
  • Not adding the immediately preceding numbers. The Padovan sequence and Perrin numbers have P(n) = P(n − 2) + P(n − 3).
  • Generating the next number by adding 3 numbers (tribonacci numbers), 4 numbers (tetranacci numbers), or more. The resulting sequences are known as k-Step Fibonacci numbers.[65] They are also commonly referred to as k-bonacci numbers.[66]

Applications

Mathematics

The Fibonacci numbers are the sums of the diagonals (shown in red) of a left-justified Pascal's triangle.

The Fibonacci numbers occur as the sums of binomial coefficients in the "shallow" diagonals of Pascal's triangle:[67]Fn=k=0n12(nk1k).{\displaystyle F_{n}=\sum _{k=0}^{\left\lfloor {\frac {n-1}{2}}\right\rfloor }{\binom {n-k-1}{k}}.} This can be proved by expanding the generating function x1xx2=x+x2(1+x)+x3(1+x)2++xk+1(1+x)k+=n=0Fnxn{\displaystyle {\frac {x}{1-x-x^{2}}}=x+x^{2}(1+x)+x^{3}(1+x)^{2}+\dots +x^{k+1}(1+x)^{k}+\dots =\sum \limits _{n=0}^{\infty }F_{n}x^{n}} and collecting like terms of xn{\displaystyle x^{n}}.

To see how the formula is used, we can arrange the sums by the number of terms present:

which is (50)+(41)+(32){\displaystyle \textstyle {\binom {5}{0}}+{\binom {4}{1}}+{\binom {3}{2}}}, where we are choosing the positions of k twos from nk−1 terms.

Use of the Fibonacci sequence to count {1,2}-restricted compositions

These numbers also give the solution to certain enumerative problems,[68] the most common of which is that of counting the number of ways of writing a given number n as an ordered sum of 1s and 2s (called compositions); there are Fn+1 ways to do this (equivalently, it's also the number of domino tilings of the 2×n{\displaystyle 2\times n} rectangle). For example, there are F5+1 = F6 = 8 ways one can climb a staircase of 5 steps, taking one or two steps at a time:

The figure shows that 8 can be decomposed into 5 (the number of ways to climb 4 steps, followed by a single-step) plus 3 (the number of ways to climb 3 steps, followed by a double-step). The same reasoning is applied recursively until a single step, of which there is only one way to climb.

The Fibonacci numbers can be found in different ways among the set of binarystrings, or equivalently, among the subsets of a given set.

  • El número de cadenas binarias de longitud n sin unos consecutivos es el número de Fibonacci F n +2 . Por ejemplo, de las 16 cadenas binarias de longitud 4, hay F 6 = 8 sin unos consecutivos : son 0000 , 0001 , 0010 , 0100 , 0101 , 1000 , 1001 y 1010 . Dichas cadenas son las representaciones binarias de los números de Fibonacci . De forma equivalente, F n +2 es el número de subconjuntos S de {1, ..., n } sin enteros consecutivos, es decir, aquellos S para los que { i , i + 1} ⊈ S para cada i . Una biyección con las sumas hasta n +1 es reemplazar 1 por 0 y 2 por 10 , y eliminar el último cero.
  • El número de cadenas binarias de longitud n sin un número impar de 1 consecutivos es el número de Fibonacci F n +1 . Por ejemplo, de las 16 cadenas binarias de longitud 4, hay F 5 = 5 sin un número impar de 1 consecutivos : son 0000 , 0011 , 0110 , 1100 , 1111 . De forma equivalente, el número de subconjuntos S de {1, ..., n } sin un número impar de enteros consecutivos es F n +1 . Una biyección con las sumas a n es reemplazar 1 por 0 y 2 por 11 .
  • El número de cadenas binarias de longitud n sin un número par de 0 o 1 consecutivos es 2 F n . Por ejemplo, de las 16 cadenas binarias de longitud 4, hay 2 F 4 = 6 sin un número par de 0 o 1 consecutivos : son 0001 , 0111 , 0101 , 1000 , 1010 , 1110 . Existe una afirmación equivalente sobre subconjuntos.
  • Yuri Matiyasevich pudo demostrar que los números de Fibonacci se pueden definir mediante una ecuación diofántica , lo que le llevó a resolver el décimo problema de Hilbert . [ 69 ]
  • Los números de Fibonacci también son un ejemplo de secuencia completa . Esto significa que cada entero positivo se puede escribir como una suma de números de Fibonacci, donde cada número se usa como máximo una vez.
  • Además, todo entero positivo puede escribirse de forma única como la suma de uno o más números de Fibonacci distintos, de manera que la suma no incluya dos números de Fibonacci consecutivos. Esto se conoce como el teorema de Zeckendorf , y una suma de números de Fibonacci que satisface estas condiciones se denomina representación de Zeckendorf. La representación de Zeckendorf de un número puede utilizarse para derivar su codificación de Fibonacci .
  • Comenzando con 5, cada segundo número de Fibonacci es la longitud de la hipotenusa de un triángulo rectángulo con lados enteros, o dicho de otro modo, el mayor número en una terna pitagórica , obtenido a partir de la fórmula(FnorteFnorte+3)2+(2Fnorte+1Fnorte+2)2=F2norte+32.{\displaystyle (F_{n}F_{n+3})^{2}+(2F_{n+1}F_{n+2})^{2}={F_{2n+3}}^{2}.}La secuencia de triángulos pitagóricos obtenida a partir de esta fórmula tiene lados de longitudes (3,4,5), (5,12,13), (16,30,34), (39,80,89), ... . El lado medio de cada uno de estos triángulos es la suma de los tres lados del triángulo precedente. [ 70 ]
  • El cubo de Fibonacci es un grafo no dirigido con un número de nodos igual a la longitud de Fibonacci que se ha propuesto como una topología de red para la computación paralela .
  • Los números de Fibonacci aparecen en el lema del anillo , utilizado para demostrar conexiones entre el teorema del empaquetamiento de círculos y las aplicaciones conformes . [ 71 ]

Ciencias de la Computación

Árbol de Fibonacci de altura 6. Los factores de equilibrio son verdes; las alturas, rojas. Las claves en el lomo izquierdo son los números de Fibonacci.

Naturaleza

Inflorescencia de manzanilla amarilla que muestra la disposición en espirales de 21 (azul) y 13 (cian). Este tipo de disposiciones, que involucran números de Fibonacci consecutivos, aparecen en una gran variedad de plantas.

Fibonacci sequences appear in biological settings,[80] such as branching in trees, arrangement of leaves on a stem, the fruitlets of a pineapple,[81] the flowering of artichoke, the leaves of the spiral aloe[82] (Aloe polyphylla), the arrangement of a pine cone,[83] and the family tree of honeybees.[84][85]Kepler pointed out the presence of the Fibonacci sequence in nature, using it to explain the (golden ratio-related) pentagonal form of some flowers.[86] Field daisies most often have petals in counts of Fibonacci numbers.[87] In 1830, Karl Friedrich Schimper and Alexander Braun discovered that the parastichies (spiral phyllotaxis) of plants were frequently expressed as fractions involving Fibonacci numbers.[88]

Przemysław Prusinkiewicz advanced the idea that real instances can in part be understood as the expression of certain algebraic constraints on free groups, specifically as certain Lindenmayer grammars.[89]

Illustration of Vogel's model for n = 1 ... 500

A model for the pattern of florets in the head of a sunflower was proposed by Helmut Vogel in 1979.[90] This has the form

θ=2πφ2n, r=cn{\displaystyle \theta ={\frac {2\pi }{\varphi ^{2}}}n,\ r=c{\sqrt {n}}}

donde n es el índice de la flor y c es un factor de escala constante; las flores se encuentran así en la espiral de Fermat . El ángulo de divergencia , aproximadamente 137,51°, es el ángulo áureo , que divide el círculo en la proporción áurea. Debido a que esta proporción es irracional, ninguna flor tiene un vecino exactamente al mismo ángulo del centro, por lo que las flores se empaquetan de manera eficiente. Debido a que las aproximaciones racionales a la proporción áurea son de la forma F ( j ): F ( j +1) , los vecinos más cercanos de la flor número n son aquellos en n ± F ( j ) para algún índice j , que depende de r , la distancia desde el centro. Los girasoles y flores similares suelen tener espirales de flores en sentido horario y antihorario en la cantidad de números de Fibonacci adyacentes, [ 91 ] típicamente contados por el rango más externo de radios. [ 92 ]

Los números de Fibonacci también aparecen en los pedigríes ancestrales de las abejas (que son haplodiploides ), según las siguientes reglas:

  • Si se pone un huevo pero no se fertiliza, nacerá un macho (o zángano en el caso de las abejas melíferas).
  • Sin embargo, si un óvulo es fertilizado, produce una hembra.

Así, una abeja macho siempre tiene un progenitor, y una abeja hembra tiene dos. Si se rastrea el pedigrí de cualquier abeja macho (1 abeja), tiene 1 progenitor (1 abeja), 2 abuelos, 3 bisabuelos, 5 tatarabuelos, y así sucesivamente. Esta secuencia de números de progenitores es la secuencia de Fibonacci. El número de ancestros en cada nivel, F n , es el número de ancestros femeninos, que es F n −1 , más el número de ancestros masculinos, que es F n −2 . [ 93 ] [ 94 ] Esto se basa en la suposición poco realista de que los ancestros en cada nivel no están relacionados entre sí.

El número de ancestros posibles en la línea de herencia del cromosoma X en una generación ancestral determinada sigue la secuencia de Fibonacci. (Según Hutchison, L. «Growing the Family Tree: The Power of DNA in Reconstructing Family Relationships». [ 95 ] )

It has similarly been noticed that the number of possible ancestors on the human X chromosome inheritance line at a given ancestral generation also follows the Fibonacci sequence.[95] A male individual has an X chromosome, which he received from his mother, and a Y chromosome, which he received from his father. The male counts as the "origin" of his own X chromosome (F1=1{\displaystyle F_{1}=1}), and at his parents' generation, his X chromosome came from a single parent (F2=1{\displaystyle F_{2}=1}). The male's mother received one X chromosome from her mother (the son's maternal grandmother), and one from her father (the son's maternal grandfather), so two grandparents contributed to the male descendant's X chromosome (F3=2{\displaystyle F_{3}=2}). The maternal grandfather received his X chromosome from his mother, and the maternal grandmother received X chromosomes from both of her parents, so three great-grandparents contributed to the male descendant's X chromosome (F4=3{\displaystyle F_{4}=3}). Five great-great-grandparents contributed to the male descendant's X chromosome (F5=5{\displaystyle F_{5}=5}), etc. (This assumes that all ancestors of a given descendant are independent, but if any genealogy is traced far enough back in time, ancestors begin to appear on multiple lines of the genealogy, until eventually a population founder appears on all lines of the genealogy.)

Other

  • In optics, when a beam of light shines at an angle through two stacked transparent plates of different materials of different refractive indexes, it may reflect off three surfaces: the top, middle, and bottom surfaces of the two plates. The number of different beam paths that have k reflections, for k > 1, is the k-th Fibonacci number. (However, when k = 1, there are three reflection paths, not two, one for each of the three surfaces.)[96]
  • Fibonacci retracement levels are widely used in technical analysis for financial market trading.
  • Since the conversion factor 1.609344 for miles to kilometers is close to the golden ratio, the decomposition of distance in miles into a sum of Fibonacci numbers becomes nearly the kilometer sum when the Fibonacci numbers are replaced by their successors. This method amounts to a radix 2 number register in golden ratio baseφ being shifted. To convert from kilometers to miles, shift the register down the Fibonacci sequence instead.[97]
  • Los valores medidos de voltajes y corrientes en el circuito de cadena de resistencias infinita (también llamado escalera de resistencias o circuito serie-paralelo infinito) siguen la secuencia de Fibonacci. Los resultados intermedios de la suma de las resistencias alternas en serie y en paralelo producen fracciones compuestas por números de Fibonacci consecutivos. La resistencia equivalente de todo el circuito es igual a la proporción áurea. [ 98 ]
  • Brasch et al. (2012) muestran cómo una secuencia de Fibonacci generalizada también puede vincularse al campo de la economía . [ 99 ] En particular, se muestra cómo una secuencia de Fibonacci generalizada se incorpora a la función de control de problemas de optimización dinámica de horizonte finito con un estado y una variable de control. El procedimiento se ilustra con un ejemplo conocido como el modelo de crecimiento económico de Brock-Mirman.
  • Mario Merz incluyó la secuencia de Fibonacci en algunas de sus obras de arte a partir de 1970. [ 100 ]
  • Joseph Schillinger (1895–1943) desarrolló un sistema de composición que utiliza intervalos de Fibonacci en algunas de sus melodías; consideraba que estos eran el equivalente musical de la elaborada armonía evidente en la naturaleza. [ 101 ] Véase también Proporción áurea §  Música .
  • En el desarrollo de software , los números de Fibonacci son utilizados frecuentemente por equipos ágiles que operan bajo el marco Scrum para dimensionar los elementos de su backlog de producto . [ 102 ]

Véase también

Referencias

Notas a pie de página explicativas

  1. "Para cuatro, al mezclarse variaciones de metros de dos [y] tres, se obtiene cinco. Para cinco, al mezclarse variaciones de dos anteriores, tres [y] cuatro, se obtiene ocho. De esta manera, para seis, al mezclarse [variaciones] de cuatro [y] de cinco, se obtiene trece. Y así, al mezclarse variaciones de dos metros anteriores, siete moras [son] veintiuna. De esta forma, el proceso debe seguirse en todos los mātrā-vṛttas" [ 14 ]
  2. Esto considera las operaciones aritméticas de precisión arbitraria como O (1) . Si se tiene en cuenta la longitud de bits, la exponenciación por cuadrado sigue siendo una mejora notable, pero la complejidad general está dominada por el último paso de multiplicación; hay O ( n ) dígitos en el resultado, y la tarea requiere producirlos todos.

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  • Períodos de secuencias de Fibonacci (Mod m) en MathPages
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