斐波那契数列通项公式推导

一、斐波那契数列

  • 所谓斐波那契数列,是指【当前项】的值等于【前两项】之和的数列:
i i i 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
T ( i ) T(i) T(i) 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55
  • 该数列有递推公式如下:

T ( n ) = { 1 ( n = 0 ) 1 ( n = 1 ) T ( n − 1 ) + T ( n − 2 ) ( n > 2 ) T(n) = \begin{cases} 1 & (n = 0) \\ 1 & (n = 1) \\ T(n-1) + T(n-2) & (n > 2) \end{cases} T(n)=11T(n1)+T(n2)(n=0)(n=1)(n>2)

二、斐波那契数列通项公式

1、思路

  • 1)首先将 G ( n ) = T ( n ) + x T ( n − 1 ) G(n) = T(n) + xT(n-1) G(n)=T(n)+xT(n1) 作为一个新的数列,求出这个数列的通项公式,很容易知道这个数列一定是一个等比数列,所以一定可以求出如下形式,其中 q q q 为常数:
    G ( n ) G ( n − 1 ) = T ( n ) + x T ( n − 1 ) T ( n − 1 ) + x T ( n − 2 ) = q \frac{ G(n) } {G(n-1)}= \frac{T(n) + xT(n-1)} {T(n-1) + xT(n-2)} = q G(n1)G(n)=T(n1)+xT(n2)T(n)+xT(n1)=q
  • 2)于是,得到:
    G ( n ) = T ( n ) + x T ( n − 1 ) = q n − 1 ( T ( 1 ) + x T ( 0 ) ) G(n) = T(n) + xT(n-1) = q^{n-1} (T(1) + xT(0)) G(n)=T(n)+xT(n1)=qn1(T(1)+xT(0))
  • 3)继续构造 H ( n ) = T ( n ) + y q n H(n) = T(n) + yq^n H(n)=T(n)+yqn,同样有:
    H ( n ) H ( n − 1 ) = T ( n ) + y q n T ( n − 1 ) + y q n − 1 = Q \frac{ H(n) } {H(n-1)}= \frac{T(n) + yq^n} {T(n-1) + yq^{n-1}} = Q H(n1)H(n)=T(n1)+yqn1T(n)+yqn=Q
  • 4)然后求出 x 、 y 、 q , Q x、y、q,Q xyqQ 的值,代入即可求得最终公式;

2、详解

  • 要求这个数列的通项公式,也就是求类似 T ( n ) = a T ( n − 1 ) + b T ( n − 2 ) T(n) = aT(n-1) + bT(n-2) T(n)=aT(n1)+bT(n2) 的通项公式,当 a = b = 1 a = b = 1 a=b=1 的时候,就是斐波那契数列了。求解的方法有很多,这里介绍一种比较普适的做法;

  • 1)等式两边同时加上 x T ( n − 1 ) xT(n-1) xT(n1),等式关系不变,如下:
    T ( n ) + x T ( n − 1 ) = a T ( n − 1 ) + x T ( n − 1 ) + b T ( n − 2 ) = ( a + x ) T ( n − 1 ) + b T ( n − 2 ) \begin{aligned} T(n) + xT(n-1) &= aT(n-1) + xT(n-1) + bT(n-2) \\ &= (a+x)T(n-1) + bT(n-2) \end{aligned} T(n)+xT(n1)=aT(n1)+xT(n1)+bT(n2)=(a+x)T(n1)+bT(n2)

  • 2)必然能够找到一个常量 x x x, 使得 T ( n ) + x T ( n − 1 ) T(n) + xT(n-1) T(n)+xT(n1) 是一个等比数列,且公比为 a + x a+x a+x
    T ( n ) + x T ( n − 1 ) = a T ( n − 1 ) + x T ( n − 1 ) + b T ( n − 2 ) = ( a + x ) [ T ( n − 1 ) + b a + x T ( n − 2 ) ] \begin{aligned} T(n) + xT(n-1) &= aT(n-1) + xT(n-1) + bT(n-2) \\ &= (a+x) [ T(n-1) + \frac b{a+x} T(n-2) ] \end{aligned} T(n)+xT(n1)=aT(n1)+xT(n1)+bT(n2)=(a+x)[T(n1)+a+xbT(n2)]

  • 于是,便有:
    x = b a + x x = \frac b{a+x} x=a+xb

  • 3)化简后得到一元二次方程,如下:
    x 2 + a x − b = 0 x^2 + ax - b = 0 x2+axb=0

  • 4)一元二次方程求根,得到:
    x 1 = − a − a 2 + 4 b 2            x 2 = − a + a 2 + 4 b 2 x_1 = \frac {-a-\sqrt{a^2+4b} } {2} \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ x_2 = \frac {-a+\sqrt{a^2+4b} } {2} x1=2aa2+4b           x2=2a+a2+4b

  • 5)令公比 q = a + x q = a+x q=a+x,则有:
    T ( n ) + x T ( n − 1 ) T ( n − 1 ) + x T ( n − 2 ) = q \frac{T(n) + xT(n-1)} {T(n-1) + xT(n-2)} = q T(n1)+xT(n2)T(n)+xT(n1)=q

  • 6)通过累乘得到:
    T ( n ) + x T ( n − 1 ) T ( n − 1 ) + x T ( n − 2 ) ∗ T ( n − 1 ) + x T ( n − 2 ) T ( n − 2 ) + x T ( n − 3 ) ∗ . . . ∗ T ( 2 ) + x T ( 1 ) T ( 1 ) + x T ( 0 ) = q ∗ q . . . q ⏟ n − 1 \frac{T(n) + xT(n-1)} {T(n-1) + xT(n-2)} * \frac{T(n-1) + xT(n-2)} {T(n-2) + xT(n-3)} *...* \frac{T(2) + xT(1)} {T(1) + xT(0)}= \underbrace{q*q...q}_{\rm n-1} T(n1)+xT(n2)T(n)+xT(n1)T(n2)+xT(n3)T(n1)+xT(n2)...T(1)+xT(0)T(2)+xT(1)=n1 qq...q

  • 7)化简后,令 p = T ( 1 ) + x T ( 0 ) p=T(1) + xT(0) p=T(1)+xT(0),得到:
    T ( n ) + x T ( n − 1 ) = q n − 1 ( T ( 1 ) + x T ( 0 ) ) = q n − 1 p \begin{aligned}T(n) + xT(n-1) &= q^{n-1} (T(1) + xT(0))\\ &= q^{n-1}p\end{aligned} T(n)+xT(n1)=qn1(T(1)+xT(0))=qn1p

  • 8)继续参照上述方法,引入一个变量 y y y,等式两边同时加上 y q n yq^n yqn,使得 T ( n ) + y q n T(n) + yq^n T(n)+yqn 是一个公比为 − x -x x 的等比数列,如下:
    T ( n ) + y q n = − x T ( n − 1 ) + q n − 1 p + y q n = − x [ T ( n − 1 ) + q n − 1 p + y q n − x ] \begin{aligned} T(n) + yq^n &= -xT(n-1) + q^{n-1} p + yq^n \\ &= -x[T(n-1) + \frac {q^{n-1} p + yq^n} {-x}] \end{aligned} T(n)+yqn=xT(n1)+qn1p+yqn=x[T(n1)+xqn1p+yqn]

  • 9)于是便有:
    y q n − 1 = q n − 1 p + y q n − x yq^{n-1} = \frac {q^{n-1} p + yq^n} {-x} yqn1=xqn1p+yqn

  • 10)等式两边同时除上 q n − 1 q^{n-1} qn1,等式不变,如下:
    y = p + y q − x y = \frac {p + yq} {-x} y=xp+yq
    求得 y = − p x + q = − T ( 1 ) + x T ( 0 ) 2 x + a \begin{aligned} y &= - \frac {p}{x+q} \\ &= - \frac {T(1) + xT(0)}{2x+a} \end{aligned} y=x+qp=2x+aT(1)+xT(0)

  • 11)同样通过累乘得到:
    T ( n ) + y q n T ( n − 1 ) + y q n − 1 ∗ T ( n − 1 ) + y q n − 1 T ( n − 2 ) + y q n − 2 ∗ . . . ∗ T ( 1 ) + y q T ( 0 ) + y = ( − x ) ∗ ( − x ) . . . ( − x ) ⏟ n \frac{T(n) + yq^n} {T(n-1) + yq^{n-1}} * \frac{T(n-1) + yq^{n-1}} {T(n-2) + yq^{n-2}} *...* \frac{T(1) + yq} {T(0) + y}= \underbrace{(-x)*(-x)...(-x)}_{\rm n} T(n1)+yqn1T(n)+yqnT(n2)+yqn2T(n1)+yqn1...T(0)+yT(1)+yq=n (x)(x)...(x)

  • 12)最后得到 T ( n ) T(n) T(n) 通项公式如下(其中 x 、 y 、 q x、y、q xyq 均为常量):
    T ( n ) = ( − x ) n ∗ ( T ( 0 ) + y ) − y q n = ( − x ) n 2 x + 1 − x − 1 2 x + 1 + x + 1 2 x + 1 ( x + 1 ) n = ( x + 1 ) n + 1 − x n + 1 2 x + 1 = 1 5 [ ( 1 + 5 2 ) n + 1 − ( 1 − 5 2 ) n + 1 ] \begin{aligned} T(n) &= (-x)^n * (T(0)+y) - yq^n \\ &= (-x)^n \frac {2x+1-x-1}{2x+1} + \frac{x+1}{2x+1}(x+1)^n \\ &= \frac {(x+1)^{n+1} - x^{n+1}} {2x+1}\\ &= \frac {1}{\sqrt5} [(\frac {1+\sqrt5}{2})^{n+1} - (\frac {1-\sqrt5}{2})^{n+1}] \end{aligned} T(n)=(x)n(T(0)+y)yqn=(x)n2x+12x+1x1+2x+1x+1(x+1)n=2x+1(x+1)n+1xn+1=5 1[(21+5 )n+1(215 )n+1]

  • 所以,斐波那契数列的通项公式如下:

T ( n ) = 1 5 [ ( 1 + 5 2 ) n + 1 − ( 1 − 5 2 ) n + 1 ] T(n) = \frac {1}{\sqrt5} [(\frac {1+\sqrt5}{2})^{n+1} - (\frac {1-\sqrt5}{2})^{n+1}] T(n)=5 1[(21+5 )n+1(215 )n+1]

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