线性代数视角下的斐波那契数列

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问题:求

[1110]10 \begin{bmatrix} 1&1 \\ 1&0 \\ \end{bmatrix} ^ {10}

解:题这么出,肯定不是要一个一个去算的。但是需要计算几个,找找感觉。

此过程不表。

算了几个之后,发现该矩阵的幂与斐波那契数列有着不可告人的秘密。

F0=0,F1=1,F2=1,Fn+2=Fn+1+Fn F_0 = 0 , F_1 = 1,F_2 = 1, F_{n+2} = F_{n+1} + F_{n}

我们要证明

[1110]n=[Fn+1FnFnFn1] \begin{bmatrix} 1&1 \\ 1&0 \\ \end{bmatrix} ^ {n} = \begin{bmatrix} F_{n+1}& F_{n}\\ F_{n}& F_{n-1} \\ \end{bmatrix}

采用数学归纳法证明上述结论。

显然当n=1时,上述式子成立。

假设n=k时成立,即

[1110]k=[Fk+1FkFkFn1] \begin{bmatrix} 1&1 \\ 1&0 \\ \end{bmatrix} ^ {k} = \begin{bmatrix} F_{k+1}& F_{k}\\ F_{k}& F_{n-1} \\ \end{bmatrix}

那么当n=k+1时,我们有

[1110]k+1=[1110]k[1110] \begin{bmatrix} 1&1 \\ 1&0 \\ \end{bmatrix} ^ {k+1} = \begin{bmatrix} 1&1 \\ 1&0 \\ \end{bmatrix} ^ {k} * \begin{bmatrix} 1&1 \\ 1&0 \\ \end{bmatrix}
=[Fk+1FkFkFn1][1110] = \begin{bmatrix} F_{k+1}& F_{k}\\ F_{k}& F_{n-1} \\ \end{bmatrix} * \begin{bmatrix} 1&1 \\ 1&0 \\ \end{bmatrix}
=[Fk+11+Fk1Fk+1Fk+1Fk] = \begin{bmatrix} F_{k+1}*1+F_k*1 & F_{k+1}\\ F_{k+1}& F_{k} \\ \end{bmatrix}
=[Fk+2Fk+1Fk+1Fk] = \begin{bmatrix} F_{k+2} & F_{k+1}\\ F_{k+1}& F_{k} \\ \end{bmatrix}

证毕

n1234567891011
FnF_n1123581321345589
[1110]10=[F11F10F10F9]=[89555534] \begin{bmatrix} 1&1 \\ 1&0 \\ \end{bmatrix} ^ {10} = \begin{bmatrix} F_{11}& F_{10}\\ F_{10}& F_{9} \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 89&55 \\ 55&34 \\ \end{bmatrix}