Мартин Гарднер - Когда ты была рыбкой, головастиком - я...

Секрет фокуса. Под столом быстро отсчитайте двадцать шесть карт. Переверните любую из двух полуколод, прежде чем выложить все карты на стол. Понимаете, каков здесь механизм? Перед тем как вы перевернули полуколоду, количество карт, лежащих рубашкой вниз в одной полуколоде, равно числу карт, лежащих рубашкой вверх, в другой. Переверните полуколоду — и те карты, что лежали рубашкой вниз, будут лежать рубашкой вверх (и наоборот). В результате в каждой полуколоде окажется равное число карт, повернутых рубашкой в одну сторону.

Классический ряд Фибоначчи начинается так: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21… Каждый член последовательности (кроме первых двух) — сумма двух предыдущих. Обобщенный случай ряда Фибоначчи — последовательность, в начале которой могут стоять два любых целых числа.

Числам Фибоначчи посвящено необозримое количество литературы. Существует даже периодическое издание — «Fibonacci Quarterly» («Ежеквартальник Фибоначчи»). Хорошим введением в эту тему может стать книга Альфреда Позантье и Ингмара Лемана «Феноменальные числа Фибоначчи» (Амхерст, штат Нью-Йорк: «Prometheus» , 2007).

Моя статья о некоторых малоизвестных свойствах чисел Фибоначчи вышла в «Journal of Recreational Mathematics» («Журнале развлекательной математики») (№ 34, 2005–2006, с. 183–190).

Ряд Фибоначчи — слыхали? —

1 да 1 — в начале,

потом — 2, 3, 5, 8,

отложите вопросы,

веселье мы вам обещали!

Прошло почти два десятка лет со времени моего последнего интервью с доктором Матриксом, которое я взял у него на математической конференции в Лиссабоне. (Это интервью завершает подборку моих колонок из журнала «Scientific American», составившую книгу «Использование покрытий Пенроуза для разгадки шифров» [52] M. Gardner, Penrose Tiles to Trapdoor Ciphers (New York: vv. H. Freeman, 1989). .) С тех пор я совершенно потерял след старого хрыча и его дочери Ивы, наполовину японки. Так что я с огромным удивлением и удовольствием повстречался с ним на конференции по теории чисел, проходившей в Стэнфордском университете. В программе значился его доклад «Некоторые малоизвестные факты о рядах Фибоначчи».

Ивы в Стэнфорде не было — теперь она уже не сопровождала отца в его вояжах, поскольку в 1991 году вышла замуж за одного японского фокусника. Ныне она живет в Токио вместе с мужем и двумя сыновьями-подростками — Ирвингом и Джошуа.

Сам доктор Матрикс заметно постарел. Волосы у него стали снежно-белыми, однако изумрудно-зеленые глаза сохранили всегдашнюю живость и пронзительность, а вышагивал он по-прежнему ровно и уверенно. Он передал мне текст своей лекции. Из нее, а также из наших дальнейших бесед я почерпнул необыкновенные сведения.

Пусть А, В, С, D — четыре любых последовательных члена обобщенного ряда Фибоначчи. Тогда произведение А и D даст одно число из пифагоровой тройки [53] Т.е. тройки целых чисел х, у, z, удовлетворяющих соотношению x2 + у2 = z2. , а удвоенное произведение В и С — другое число из той же тройки! Рассмотрим, к примеру, четыре первых члена простейшего ряда Фибоначчи — 1, 1, 2, 3. Подстановка этих чисел в наши формулы даст знакомые длины сторон прямоугольного пифагорова треугольника — 3, 4, 5. С помощью такой процедуры можно, разумеется, создать бесконечное количество пифагоровых троек, хотя, к сожалению, не все такие триады.

Вот уравнение для четырех последовательных элементов ряда Фибоначчи:

(А × D) 2+ (2 × В × С) 2= (В 2+ С 2) 2

Это равенство легко доказать. Доктор Матрикс не дал ссылки на эту диковинку, однако я связался с редактором «Fibonacci Quarterly» и установил, что ее некогда опубликовал А. Хорадам в «American Mathematical Monthly» [54] A. Horadam, «Fibonacci Number Triples», in American Mathematical Monthly 68:751–753, 1961. .

В ходе своего выступления доктор Матрикс продемонстрировал на экране старый парадокс с изменением площади (рис. 1). Перед нами квадрат площадью 64 «квадратные единицы». Если переложить четыре его части так, чтобы те составили прямоугольник, площадь неожиданно вырастет до 65 единиц! А если куски вновь переложить, как показано на рис. 2, общая площадь съежится до 63!

Отметьте, что длины в этом классическом парадоксе — 3, 5, 8 и 13, а это четыре члена ряда Фибоначчи. У этой последовательности есть известное свойство: если возвести в квадрат ее элемент, имеющий номер n , полученная величина будет равна произведению предшествующего и последующего члена ряда ±1 (т. е. членов с номерами n –1 и n +1).

В данном случае сторона квадрата — 8, площадь — 64. В ряду Фибоначчи 8 находится между 5 и 13. Следовательно, 5 и 13 автоматически становятся сторонами прямоугольника, площадь которого должна составлять 65: отсюда выигрыш в одну квадратную единицу.

Благодаря этому свойству нашего ряда мы можем построить квадрат со стороной, длина которой представляет любое число из этого ряда (больше 1), а затем разрезать фигуру в соотношении, определяемом двумя предшествующими членами ряда. Так, выбрав квадрат со стороной 13, можно разделить три из его сторон на сегменты с длинами 5 и 8, а затем провести линии разреза, как показано на рис. 3. Площадь этого квадрата — 169. Из его фрагментов можно сложить прямоугольник с длинами сторон 21 и 8, а площадь этого прямоугольника будет равна 168. Из-за своего рода «перекрывания», происходящего вдоль диагонали прямоугольника, здесь мы теряем, а не приобретаем одну квадратную единицу.

Потеря одной квадратной единицы происходит, если взять квадрат со стороной 5. И это подводит нас к забавному правилу. Каждый второй элемент ряда Фибоначчи, если принять его за длину стороны квадрата, создает «дополнительную площадь» вдоль диагонали прямоугольника и зримую прибавку одной квадратной единицы. Все остальные элементы ряда (если их также брать через один) дают перекрывание частей прямоугольника и потерю одной квадратной единицы. Чем дальше по ряду мы продвигаемся, тем менее заметна площадь такого перекрывания. И соответственно, чем ниже номера членов ряда, тем перекрывание виднее. Можно даже построить своего рода парадокс с квадратом, имеющим сторону всего в две единицы, но в таком случае полученный из него прямоугольник 3 на 1 потребует столь явного перекрывания, что пропадет весь эффект от парадокса.

По всей видимости, первую попытку обобщить этот парадокс квадрата и прямоугольника с помощью упомянутого ряда Фибоначчи предпринял В. Шлегель (см. его статью в «Zeitschrift fur Mathematik und Physik» [55] V. Schlegel, Zeitschrift fur Mathematik und Physik 24:123, 1879. ). Э.Б. Эскотт опубликовал похожий анализ в «Open Court» [56] E.B. Escott, Open Court 21: 502, 1907. , описав несколько иной метод разрезания квадрата. Льюис Кэрролл интересовался этим парадоксом и оставил ряд незавершенных заметок, где он приводит формулы для расчета других сторон фрагментов [57] W. Weaver, «Lewis Caroll and a Geometrical Paradox», American Mathematical Monthly 45:234,1938. .