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        植物身上的數學奇趣

        來源:轉載 文章作者: 2008-08-12 14:40:45

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          人類很早就從植物中看到了數學特征:花瓣對稱地排列在花托邊緣,整個花朵幾乎完美無缺地呈現出輻射對稱形狀,葉子沿著植物莖稈相互疊起,有些植物的種子是圓的,有些是刺狀,有些則是輕巧的傘狀……所有這一切向我們展示了許多美麗的數學模式。

          創(chuàng)立坐標法的著名數學家笛卡爾,根據他所研究的一簇花瓣和葉形曲線特征,列出了x3+y3-3axy=0的方程式,這就是現代數學中有名的“笛卡爾葉線”(或者叫“葉形線”),數學家還為它取了一個詩意的名字——茉莉花瓣曲線。

          后來,科學家又發(fā)現,植物的花瓣、萼片、果實的數目以及其他方面的特征,都非常吻合于一個奇特的數列——著名的斐波那契數列:1、2、3、5、8、13、21、34、55、89……其中,從3開始,每一個數字都是前二項之和。

          向日葵種子的排列方式,就是一種典型的數學模式。仔細觀察向日葵花盤,你會發(fā)現兩組螺旋線,一組順時針方向盤繞,另一組則逆時針方向盤繞,并且彼此相嵌。雖然不同的向日葵品種中,種子順、逆時針方向和螺旋線的數量有所不同,但往往不會超出34和55、55和89或者89和144這三組數字,這每組數字都是斐波那契數列中相鄰的兩個數。前一個數字是順時針盤繞的線數,后一個數字是逆時針盤繞的線數。

          雛菊的花盤也有類似的數學模式,只不過數字略小一些。菠蘿果實上的菱形鱗片,一行行排列起來,8行向左傾斜,13行向右傾斜。挪威云杉的球果在一個方向上有3行鱗片,在另一個方向上有5行鱗片。常見的落葉松是一種針葉樹,其松果上的鱗片在兩個方向上各排成5行和8行,美國松的松果鱗片則在兩個方向上各排成3行和5行……

          如果是遺傳決定了花朵的花瓣數和松果的鱗片數,那么為什么斐波那契數列會與此如此的巧合?這也是植物在大自然中長期適應和進化的結果。因為植物所顯示的數學特征是植物生長在動態(tài)過程中必然會產生的結果,它受到數學規(guī)律的嚴格約束,換句話說,植物離不開斐波那契數列,就像鹽的晶體必然具有立方體的形狀一樣。由于該數列中的數值越靠后越大,因此兩個相鄰的數字之商將越來越接近0.618034這個值。例如34/55=0.6182,已經與之接近,這個比值的準確極限是“黃金數”。

          數學中,還有一個稱為黃金角的數值是137.5°,這是圓的黃金分割的張角,更精確的值應該是137.50776°。與黃金數一樣,黃金角同樣受到植物的青睞。

          車前草是西安地區(qū)常見的一種小草,它那輪生的葉片間的夾角正好是137.5°,按照這一角度排列的葉片,能很好地鑲嵌而又互不重疊,這是植物采光面積最大的排列方式,每片葉子都可以最大限度地獲得陽光,從而有效地提高植物光合作用的效率。建筑師們參照車前草葉片排列的數學模型,設計出了新穎的螺旋式高樓,最佳的采光效果使得高樓的每個房間都很明亮。1979年,英國科學家沃格爾用大小相同的許多圓點代表向日葵花盤中的種子,根據斐波那契數列的規(guī)則,盡可能緊密地將這些圓點擠壓在一起,他用計算機模擬向日葵的結果顯示,若發(fā)散角小于137.5°,那么花盤上就會出現間隙,且只能看到一組螺旋線;若發(fā)散角大于137.5°,花盤上也會出現間隙,而此時又會看到另一組螺旋線,只有當發(fā)散角等于黃金角時,花盤上才呈現彼此緊密鑲合的兩組螺旋線。

          所以,向日葵等植物在生長過程中,只有選擇這種數學模式,花盤上種子的分布才最為有效,花盤也變得最堅固壯實,產生后代的幾率也最高。

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