Die Fibonacci-Zahlen
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Category Concepts
Die Fibonacci-Folge — 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, … — ist die berühmteste ganzzahlige Folge der Mathematik. Jede Zahl ist die Summe der beiden vorangehenden, eine Regel, die so einfach ist, dass ein Kind sie fortsetzen kann, und die dennoch mit dem Goldenen Schnitt, der Geometrie der Pflanzen und einer überraschenden Menge tiefer Zahlentheorie verbunden ist.
Die Regel
Beginne mit 0 und 1. Addiere sie zu 1. Addiere die beiden letzten zu 2. Mach so weiter: Jedes Glied ist die Summe der beiden vorangehenden. In Symbolen: F(0) = 0, F(1) = 1 und F(n) = F(n−1) + F(n−2) für jedes n ≥ 2. Diese Rekursion erzeugt die gesamte Folge bis in alle Ewigkeit:
0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987, 1597, 2584, 4181, 6765, …
Mehrere davon kannst du hier als eigene Seiten aufrufen: 2, 3, 5, 8, 13, 21, 55, 89 und 144 — die zugleich eine Fibonacci-Zahl und eine Quadratzahl ist (12²), das einzige nichttriviale Quadrat in der gesamten Folge.
Leonardo von Pisa und die Kaninchen
Die Folge ist nach Leonardo von Pisa benannt, bekannt als Fibonacci („Sohn des Bonacci“), der sie in seinem Buch von 1202 Liber Abaci in die europäische Mathematik einführte. Er stellte sie als Rätsel über die idealisierte Kaninchenzucht: Beginnt man mit einem Paar und bringt jedes Paar jeden Monat ein neues Paar hervor, wobei Paare nach einem Monat fruchtbar werden, wie viele Paare gibt es nach einem Jahr? Die monatlichen Gesamtzahlen sind genau die Fibonacci-Zahlen.
Die Kaninchen sind ein Spielzeugmodell, doch Fibonaccis größere Leistung war das Buch selbst: Liber Abaci war eines der Werke, die die indisch-arabischen Dezimalziffern — die Ziffern 0–9, die wir heute verwenden — in ein Europa brachten, das sich noch mit den römischen Zahlen abmühte. Tatsächlich war die Folge bereits Jahrhunderte zuvor von indischen Gelehrten (Pingala, Virahanka, Hemachandra) im Zusammenhang mit dem Versmaß beschrieben worden, doch im Westen blieb der Name Fibonacci haften.
Der Goldene Schnitt
Hier ist die schönste Eigenschaft der Folge. Teile jede Fibonacci-Zahl durch die vorangehende — 3/2 = 1,5, 5/3 ≈ 1,667, 8/5 = 1,6, 13/8 = 1,625, 21/13 ≈ 1,615 — und die Verhältnisse nähern sich einer einzigen Zahl:
φ = (1 + √5) ⁄ 2 ≈ 1,6180339887…
Das ist der Goldene Schnitt, φ („Phi“). Je weiter du gehst, desto näher kommen ihm aufeinanderfolgende Fibonacci-Verhältnisse. Der Zusammenhang reicht tiefer als ein Grenzwert: Es gibt einen geschlossenen Ausdruck, die Formel von Binet, die die n-te Fibonacci-Zahl direkt aus φ liefert, ohne dass man alle früheren Glieder aufsummieren muss —
F(n) = (φn − ψn) ⁄ √5, wobei ψ = (1 − √5) ⁄ 2.
Es sieht so aus, als müsste sie irrationale Zahlen ergeben, doch die beiden irrationalen Teile heben sich stets auf und lassen eine ganze Zahl zurück. NumberWiki zeigt auf seinen Zahlenseiten die Ziffer an einer gegebenen Stelle von φ und √5, eine kleine Anspielung auf diesen Zusammenhang.
Warum sie in der Natur auftritt
Fibonacci-Zahlen tauchen bei Lebewesen bemerkenswert häufig auf: die Zahl der Blütenblätter vieler Blumen (3, 5, 8, 13, 21…), die spiraligen Samenzahlen in einem Sonnenblumenkopf, die Schuppen eines Kiefernzapfens, die Verzweigung mancher Pflanzen. Das ist keine Mystik — es ist Effizienz. Wenn eine Pflanze neue Elemente (Blätter, Samen, Röschen) in einem konstanten Winkel um einen Stängel wachsen lässt, ist der Winkel, der sie ohne Überlappung am gleichmäßigsten packt, der „Goldene Winkel“ von etwa 137,5°, der sich unmittelbar aus φ ergibt. Ein von diesem Winkel bestimmtes Wachstum erzeugt in den entstehenden Spiralen ganz natürlich Fibonacci-Zahlen. Die Folge tritt auf, weil sie die Arithmetik der optimalen Packung ist, nicht weil die Natur zählen könnte.
Man sollte ehrlicherweise einräumen, dass die Fibonacci-Folge auch vielfach überbeansprucht wird — in Kunst, Architektur und an der Börse wird sie häufig dort behauptet, wo die Belege dünn sind. Die echten Erscheinungen in der Phyllotaxis (Blattstellung) sind real und gut verstanden; viele der kulturellen Behauptungen sind nachträgliche Mustererkennung.
Verborgene mathematische Struktur
Unter ihrer freundlichen Oberfläche sind die Fibonacci-Zahlen erstaunlich reichhaltig:
- Die Teilbarkeit spiegelt die Indizes wider. F(m) teilt F(n) genau dann, wenn m ein Teiler von n ist. Und der größte gemeinsame Teiler zweier Fibonacci-Zahlen ist selbst eine Fibonacci-Zahl: ggT(F(m), F(n)) = F(ggT(m, n)).
- Jede positive ganze Zahl lässt sich eindeutig als Summe nicht aufeinanderfolgender Fibonacci-Zahlen schreiben — der Satz von Zeckendorf — was eine Art „Fibonacci-Basis“ für die ganzen Zahlen liefert.
- Summen teleskopieren sauber. Die ersten n Fibonacci-Zahlen summieren sich zu F(n+2) − 1, und die Summe ihrer Quadrate, F(1)² + … + F(n)², ist gleich F(n) · F(n+1) — eine Tatsache mit einem reizvollen visuellen Beweis durch ineinander geschachtelte Quadrate.
- Die Lucas-Zahlen (2, 1, 3, 4, 7, 11, 18, …) folgen derselben Regel des Addierens der letzten beiden, von einem anderen Anfang aus, und sind eng mit den Fibonacci-Zahlen verwoben.
Fibonacci auf NumberWiki
Zahlen der Folge sind mit Fibonacci getaggt — dort kannst du sie alle durchstöbern — und die eng verwandten Lucas-Zahlen haben ihr eigenes Tag. Da die Zugehörigkeit zu Fibonacci selten ist (nur etwa 30 Fibonacci-Zahlen liegen unter zehn Millionen), behandelt die Seite sie als redaktionell bedeutsame Eigenschaft: Eine Fibonacci-Seite ist nie „dünn“. Jede zeigt die Faktorzerlegung der Zahl, den umgebenden Kontext der Folge und wie sie sich in historischen Zahlensystemen darstellt.
Weiterführende Literatur
- Mario Livio, The Golden Ratio: The Story of Phi (Broadway Books, 2002) — eine sorgfältige, mythenentlarvende populäre Geschichte von φ und den Fibonacci-Zahlen.
- Alfred S. Posamentier und Ingmar Lehmann, The Fabulous Fibonacci Numbers (Prometheus, 2007) — ein zugänglicher, tiefer Einblick in die Eigenschaften der Folge.
- Ronald Knotts „Fibonacci Numbers and the Golden Section“ — eine langjährige und gründliche Bildungsressource.
- The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences, Folge A000045 — die Fibonacci-Zahlen.
Siehe auch
- Primzahlen — die Bausteine der Arithmetik.
- Alle Fibonacci-Zahlen auf NumberWiki →
- 144 — die einzige Fibonacci-Zahl, die zugleich eine Quadratzahl ist.
- 6765 — die zwanzigste Fibonacci-Zahl.