Back to Home

Vài note linh tinh về dãy Fibonacci

Định nghĩa

Dãy Fibonacci được định nghĩa như sau:

Fn={1,n=0,1Fn−1+Fn−2,n>1F_n = \begin{cases} 1, & n= 0,1\\ F_{n-1} + F_{n-2}, & n \gt 1 \end{cases}

Công thức tổng quát tính FnF_n - Công thức Binet

Fn=15(1+52)n−15(1−52)n\boxed{ F_n = \frac 1 {\sqrt 5} \left( \frac {1 + \sqrt 5} 2 \right)^n - \frac 1 {\sqrt 5} \left( \frac {1 - \sqrt 5} 2 \right)^n}

Chứng minh:

Dựa vào định nghĩa, ta có thể đưa về dạng ma trận như sau:

(Fk+2Fk+1)=(1110)(Fk+1Fk)\left( \begin{matrix} F_{k+2} \\ F_{k+1} \end{matrix} \right) = \left( \begin{matrix} 1 & 1 \\ 1 & 0 \end{matrix} \right) \left( \begin{matrix} F_{k+1} \\ F_k \end{matrix} \right)

Gọi ma trận A=(1110)\mathbf A = \left( \begin{matrix} 1 & 1 \\ 1 & 0 \end{matrix} \right), vector F→k+1=(Fk+2Fk+1),F→k=(Fk+1Fk)\overrightarrow F_{k+1} = \left( \begin{matrix} F_{k+2} \\ F_{k+1} \end{matrix} \right), \overrightarrow F_{k} = \left( \begin{matrix} F_{k+1} \\ F_{k} \end{matrix} \right) ta có:

F→k+1=AF→k\overrightarrow F_{k+1} = \mathbf A \overrightarrow F_k

Suy ra:

F→n=AnF→0\overrightarrow F_{n} = \mathbf A^n \overrightarrow F_0

Ma trận A\mathbf A có các trị riêng (eigen value) là: φ=12(1+5)\displaystyle \varphi = \frac 1 2 (1 + \sqrt 5) và ψ=−φ−1=12(1−5)\displaystyle \psi=-\varphi^{-1} = \frac 1 2 (1 - \sqrt 5) tương ứng với các vector riêng (eigen vector): μ=(φ1)\mu = \left( \begin{matrix} \varphi \\ 1 \end{matrix} \right) và ν=(ψ1)\nu = \left( \begin{matrix} \psi \\ 1 \end{matrix} \right).

Với giá trị khởi đầu là F→0=(10)=15μ−15ν\displaystyle \overrightarrow F_0 = \left( \begin{matrix} 1 \\ 0 \end{matrix} \right) = \frac 1 {\sqrt 5} \mu - \frac 1 {\sqrt 5}\nu. Từ đó ta có:

F→n=15Anμ−15Anν=15φnμ−15ψnν=15φnμ−15(−φ)−nν=15(1+52)n(φ1)−15(1−52)n(−φ−11)=(Fn+1Fn)\begin{align*} \overrightarrow F_n &= \frac 1 {\sqrt 5} \mathbf A ^n \mu - \frac 1 {\sqrt 5} \mathbf A ^n \nu \\ &= \frac 1 {\sqrt 5} \varphi^n \mu - \frac 1 {\sqrt 5} \psi^n \nu = \frac 1 {\sqrt 5} \varphi^n \mu - \frac 1 {\sqrt 5} (-\varphi)^{-n} \nu \\ &= \frac 1 {\sqrt 5}\left( \frac {1 + \sqrt 5} 2 \right)^n \left( \begin{matrix} \varphi \\ 1\end{matrix} \right) - \frac 1 {\sqrt 5}\left( \frac {1 - \sqrt 5} 2 \right)^n \left( \begin{matrix} -\varphi^{-1} \\ 1\end{matrix} \right) \\ &= \left( \begin{matrix} F_{n+1} \\ F_n\end{matrix} \right) \end{align*} \\

Nếu rút trích công thức ra ta sẽ có:

Fn=15(1+52)n−15(1−52)nF_n = \frac 1 {\sqrt 5} \left( \frac {1 + \sqrt 5} 2 \right)^n - \frac 1 {\sqrt 5} \left( \frac {1 - \sqrt 5} 2 \right)^n

Công thức 1: F12+F22+⋯+Fn2=FnFn+1F_1^2+F_2^2+\dots+F_n^2 = F_nF_{n+1}

Chứng minh: Dùng pp quy nạp.

Đầu tiên, công thức đúng với n=1:F12=12=F1F2=1.1n = 1: F_1 ^2 = 1^2 = F_1F_2 = 1. 1

Giả sử công thức đúng tới kk, nghĩa là: F12+F22+⋯+Fk2=FkFk+1F_1^2+F_2^2+\dots+F_k^2 = F_kF_{k+1}, ta chứng minh công thức đúng tới k+1k+1. Nghĩa là cần chứng minh:

F12+F22+⋯+Fk2+Fk+12=Fk+1Fk+2F_1^2+F_2^2+\dots+F_k^2 + F_{k+1}^2 = F_{k+1}F_{k+2}

Ta có:

F12+F22+⋯+Fk2+Fk+12=FkFk+1+Fk+12=Fk+1(Fk+Fk+1)=Fk+1Fk+2✓F_1^2+F_2^2+\dots+F_k^2 + F_{k+1}^2 = F_kF_{k+1} + F_{k+1}^2 = F_{k+1}(F_k + F_{k+1}) = F_{k+1}F_{k+2} \quad \checkmark

Công thức 2: Fm−1Fn+FmFn+1=Fm+nF_{m-1}F_n + F_mF_{n+1} = F_{m+n}

Chứng minh: Giữ cố định, ta chứng minh công thức đúng với mọi bằng phương pháp quy nạp.

Với n=1,F1=F2=1n=1, F_1 = F_2 = 1 ta có Fm−1Fn+FmFn+1=Fm−1+Fm=Fm+1✓F_{m-1}F_n + F_mF_{n+1} = F_{m-1} + F_m = F_{m+1} \quad \checkmark

Giả sử công thức đúng với kk, ta chứng minh công thức đúng với k+1k+1

Fm−1Fk+1+FmFk+2=Fm−1(Fn−1+Fn)+Fm(Fn+Fn+1)=Fm−1Fn−1+Fm−1Fn+FmFn+FmFn+1=(Fm−1Fn−1+FmFn)+(Fm−1Fn+FmFn+1)=Fm+n−1+Fm+n=Fm+n+1✓\begin{align*} F_{m-1}F_{k+1} + F_mF_{k+2} &= F_{m-1}(F_{n-1}+F_n) + F_m(F_n + F_{n+1})\\ &= F_{m-1}F_{n-1} + F_{m-1}F_n + F_mF_n+F_mF_{n+1} \\ &=(F_{m-1}F_{n-1}+F_mF_n) + (F_{m-1}F_n + F_mF_{n+1}) \\ &= F_{m+n-1} +F_{m+n} \\ &= F_{m+n+1} & \checkmark \end{align*}

Vì công thức không phụ thuộc nên công thức đúng với mọi mm và nn

Định lý 1:

Nếu nn chia hết cho mm thì FnF_n cũng chia hết cho FmF_m.

Chứng minh: Vì nn chia hết cho mm nên n=mkn=mk. Ta chứng minh quy nạp theo kk và áp dụng Công Thức 2 ở trên:

  • k=1k=1 đúng

  • Giả sử đúng tới kk ta có FmkF_{mk} chia hết cho FmF_m

  • Kiểm tra trường hợp Fm(k+1)F_{m(k+1)}, ta có: Fm(k+1)=Fmk+m=FmkFm−1+Fmk+1FmF_{m(k+1)} = F_{mk+m} = F_{mk}F_{m-1} + F_{mk+1}F_m

Rõ ràng FmkFm−1F_{mk}F_{m-1} chia hết cho FmF_m và Fmk+1FmF_{mk+1}F_m cũng chia hết cho FmF_m nên ta có Fm(k+1)F_{m(k+1)} cũng chia hết cho FmF_m.

Định lý 2:

gcd⁡(Fn,Fm)=Fgcd⁡(m,n)\gcd(F_n,F_m) = F_{\gcd(m,n)}

Chứng minh:

Nhắc lại định lý: Nếu gcd⁡(m,n)=1\gcd(m,n)=1 thì gcd⁡(m,nk)=gcd⁡(m,k)\gcd(m,nk) =\gcd(m,k)(bạn có thể tự chứng minh định lý này)

Vì m,nm,n là độc lập tương đương nên ta giả sử n=m+r,0≤r<mn=m+r, 0 \le r \lt m, ta có:

gcd⁡(Fm,Fn)=gcd⁡(Fm,Fmk+1Fr+FmkFr−1)=gcd⁡(Fm,Fmk+1Fr)=gcd⁡(Fm,Fr)(since gcd⁡(Fm,Fmk+1)=1)\begin{align*} \gcd(F_m, F_n) &= \gcd(F_m, F_{mk+1}F_r + F_{mk}F_{r-1}) \\ &=\gcd(F_m,F_{mk+1}F_r) \\ &=\gcd(F_m,F_r) \quad (\text {since }\gcd(F_m,F_{mk+1})=1) \end{align*}

Nếu ta liên tục lặp đi lặp lại công thức trên nhiều lần như thuật toán Euclide tìm ước số chung lớn nhất của hai số sẽ có:

gcd⁡(Fn,Fm)=gcd⁡(Fm,Fmk+r)=gcd⁡(Fm,Fr)=gcd⁡(Fr,Frk+q)=gcd⁡(Fr,Fq)=…\gcd(F_n,F_m) = \gcd(F_m,F_{mk+r}) = \gcd(F_m,F_r)=\gcd(F_r, F_{rk+q})=\gcd(F_r, F_q)= \dots

Dãy này liên tục giảm tương ứng cho đến giá trị gcd⁡(m,n)\gcd(m,n) suy ra điều phải chứng minh.

Comments

0/300

Leave name/email blank to comment anonymously

No comments yet. Be the first to comment!