La successione di Fibonacci
Leonardo Pisano detto il
Fibonacci (Pisa, settembre 1170 – Pisa, 1240 circa.) fu un matematico Italiano. Egli è considerato come uno dei più grandi matematici di tutti i tempi.Con altri matematici del tempo, contribuì alla rinascita delle scienze esatte dopo la decadenza dell'Età Tardo Antica e del basso Medioevo. Con lui, in Europa, ci fu il connubio fra i procedimenti della geometria greca euclidea (gli
Elementi) e gli strumenti matematici di calcolo elaborati dalla scienza araba e alessandrina (in particolare egli studiò per la parte algebrica il
Liber embadorum di Abraham ibn ‛Ezra)
Fibonacci è noto soprattutto per la sequenza di numeri da lui individuata e conosciuta, appunto, come "successione di Fibonacci"
- 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89 ... - in cui ogni termine, a
parte i primi due, è la somma dei due che lo precedono. Sembra che
questa sequenza sia presente in diverse forme naturali (per esempio,
negli sviluppi delle spirali delle conchiglie).
Una particolarità della sequenza o
successione di Fibonacci
è che il rapporto fra le coppie di termini successivi aumenta
progressivamente per poi tendere molto rapidamente al numero 1,61803...,
noto con il nome di rapporto aureo o sezione aurea.
Apparentemente, per chi non conoscesse gia' Fibonacci, si tratta di numeri piu'
o meno casuali. A colpo d'occhio si indovina che sono sempre crescenti (a parte
il secondo e il terzo che sono uguali), e che divergono (cioe' che al crescere dei
numeri cresce anche la differenza tra due numeri consecutivi), ma oltre a questo
non dicono molto.
La serie e' definita da una regola semplicissima, e i vari numeri che la compongono
sono anche molto facilmente calcolabili (tanto che per scrivere i primi numeri qui
sopra non ho consultato nessuna tabella e ho fatto i conti a mente in cinque minuti).
Ecco la regola:
Per definizione i primi due numeri sono 0 e 1. I successivi sono dati dalla somma
dei due precedenti. Cioe',
N
0=0
N
1=1
per ogni n>1 N
n=N
n-1+N
n-2
Si tratta di una definizione
ricorsiva, cioe' tale che il risultato, per
un particolare valore di n, e' dato dalla composizione dei risultati per altri valori
di n.
Data la definzione della regola, quindi, e' facile calcolare la sequenza:
N
0 = 0
N
1 = 1
N
2 = N
1+N
0 = 0+1 = 1
N
3 = N
2+N
1 = 1+1 = 2
N
4 = N
3+N
2 = 2+1 = 3
N
5 = N
4+N
3 = 3+2 = 5
N
6 = N
5+N
4 = 5+3 = 8
N
7 = N
6+N
5 = 8+5 = 13
N
8 = N
7+N
6 = 13+8 = 21
N
9 = N
8+N
7 = 21+13 = 34
N
10 = N
9+N
8 = 34+21 = 55
N
11 = N
10+N
9 = 55+34 = 89
...
A parte l'eleganza della definizione, sembrerebbe trattarsi di una costruzione del
tutto artificiosa e del tutto inutile, ma nella sua estrema semplicita' sembra proprio
avere tutta una serie di applicazioni pratiche sorprendenti. Ma tempo al tempo,
vediamoci prima la "sezione aurea".
La sezione aurea
La sezione aurea, o numero aureo, con qualche eccesso di pathos definita anche "proporzione
di Dio" e' un numero dato dal rapporto di due lunghezze, in modo che la prima sia
media proporzionale tra la somma delle due e la seconda.
Se ho un segmento AB si tratta di trovare un punto C interno al segmento in modo
che la lunghezza AC sia media proporzionale tra AB e CB, o in altre parole:
AB:AC=AC:CB.
(AB sta ad AC come AC sta a CB)

Chiamando AC=a e CB=b, la proporzione diventa:
(a+b):a=a:b
Il numero Aureo φ e' uguale proprio al rapporto a:b
Il suo valore si puo' calcolare come
Facilmente si ricava anche che (a+b):a=a:b=b:(a-b)
Il numero φ, assieme al suo reciproco

hanno un sacco di proprieta' matematiche.
Innanzitutto
φ=1,618033988749894848204586834... e' un numero irrazionale.
Sorprendentemente Φ = 0,618033988749894848204586834... (per chi non l'avesse
notato, la parte decimale e' identica!)
Ed e' anche vero che φ
2 = 2,618033988749894848204586834... (la parte
decimale e' di nuovo identica!).
Un'altra proprieta' matematica bizzarra e' che
φ
2 = φ
1+φ
0
e che in generale
φ
n = φ
n-1 + φ
n-2
Il che rende φ
n una sequenza calcolabile in modo ricorsivo, come
i numeri di Fibonacci:
φ
0 = 1
φ
1 = φ
φ
2 = φ
1+φ
0 = φ+1
φ
3 = φ
2+φ
1 = 2φ+1
φ
4 = φ
3+φ
2 = 3φ+2
...
Una caratteristica che a me sembra notevole e' che le potenze di φ crescenti
calcolano numeri sempre piu' "quasi interi". Cioe', non esattamente numeri interi
ma irrazionali che li approssimano sempre meglio.
Come tutti i numeri irrazionali, φ e' esprimibile come frazione continua (questa
proprio non me la ricordavo!). Una frazione continua, espressa come una sequenza
di numeri interi [a
1, a
2, a
3, a
4, ...]
e' il numero calcolato come

(evidentemente per i numeri irrazionali la sequenza di interi che compare nella
frazione continua e' una sequenza infinita)
Ebbene, il numero φ e' esprimibile come frazione continua [1, 1, 1, 1, 1, 1,
...], cioe'

Poiche' la sequenza e' composta da tutti numeri 1, cioe' l'intero piu' piccolo possibile,
ad ogni elemento che si aggiunge, cioe' ad ogni passo successivo dell'approssimazione,
visto che il numero compare al denominatore, si aggiunge la quantita' piu' grossa
possibile. Quindi, al passo n-esimo questa funzione continua calcola un numero razionale
che approssima il numero irrazionale φ e' in modo peggiore di quanto qualunque altra
sequenza, al passo n-esimo, approssimi un altro numero irrazionale.
In altre parole, φ e' il numero "piu' irrazionale" di tutti, cioe' quello che
sfugge di piu' di tutti dall'approssimazione tramite una frazione.
La sezione Aurea fu scoperta dai Greci nel VI sec. AC. Per i Greci, il numero 5
aveva un'importanza simbolica: era la somma del maschile (3) e del femminile (2).
Questa proprieta' ha contribuito all'attribuzione di una certa aura magica alla
sezione Aurea, infatti se si disegna il pentagono regolare e le sue diagonali (ottenendo
una stella a cinque punte inscritta nel pentagono), i vari segmenti sono in rapporto
tra loro come φ: nella figura

AB:AC=AC:CB
Ma siccome CD=AC-CB, allora anche
AC:CB=CB:CD
AC e' anche uguale al lato del pentagono, quindi tutti i segmenti disegnati in figura
sono uguali alla prima, all'ultima o alla media ragione della proporzione.
In mezzo alla stella poi, risulta un altro pentagono regolare. Disegnando quindi
le diagonali a questo pentagono si ottiene la figura

che ha ovviamente le stesse proprieta' della precedente, e cosi' via all'infinito.
Proprieta' analoghe si possono ricavare osservando il triangolo aureo...
Il significato simbolico della sezione Aurea ha influito nell'arte. Fidia utilizzo'
la sezione Aurea per proporzionare le statue del Partenone (per questo l'utilizzo
del simbolo φ per denominarne il valore). Leonardo utilizzo' φ per mappare
la Gioconda.

Basta comunque cercare un po' in rete per trovare numerosi altri esempi.
Ma che c'entra la successione di Fibonacci con la sezione Aurea?
Dunque, prendiamo la successione, escludiamo il primo numero (che e' zero) e calcoliamo
il rapporto tra il terzo e il secondo, tra il quarto e il terzo, tra il quinto e
il quarto e cosi' via.
Calcolo in un foglio Excel, e questo e' il risultato:
Nella prima colonna c'e' l'indice del numero di Fibonacci riportato nella seconda
colonna, alla sua destra. Nella terza colonna c'e' il valore del rapporto tra il
numero corrispondente nella seconda colonna e il suo precedente (ovviamente, non
potendo dividere per 0, si parte dal terzo numero diviso il secondo). Si nota che
i valori della terza colonna convergono molto velocemente al valore di φ. A fianco
sono mostrati graficamente quei valori, e si vede chiaramente la convergenza.
Matematicamente si puo' dire che
(per n tendente all'infinito, l'n-esimo numero di Fibonacci diviso per il suo predecessore
tende alla sezione Aurea)
Un altro fatto strano che riguarda i numeri di Fibonacci e la sezione Aurea
e' il modo in cui sono comparsi nella Storia.
La sezione Aurea e' stata inventata dagli antichi Greci, ma dopo il declino del
periodo Ellenistico e' andata in disuso e pressoche' dimenticata per oltre un millennio.
Nel tredicesimo secolo Fibonacci defini' la sua successione, per applicazioni totalmente
slegate dalle proprieta' della sezione Aurea, e infatti ne' lui ne' alcun altro
ne noto' la correlazione, che fu invece scoperta solo qualche secolo piu' tardi.
Tra l'altro Fibonacci fu il primo a scrivere una funzione ricorsiva, per altro ignorandone
l'importanza. Certo, anche la sezione Aurea e molti altri accrocchi matematici scoperti
prima possono essere calcolati mediante funzioni ricorsive (che, dall'informatico
che sono, trovo davvero geniali, addirittura affascinanti), ma la loro definizione
in questi termini e' stata trovata solo dopo Fibonacci.
Va be', si dira'. Si sono scoperte due cose matematiche e dopo oltre un millennio
le si sono messe assieme. Tutto molto affascinante, ma ancora non abbiamo trovato
a cosa serve tutto questo.
Applicazioni in natura
Prendiamo un foglio a quadretti e ripassiamo a penna un quadretto piu' o meno in
centro.
Sotto di esso evidenziamo in modo analogo il quadretto adiacente.
A destra di esso disegnamo un quadrato appoggiato ai due quadretti disegnati precedentemente,
che abbia lato la somma dei due (2 quadretti).
Al di sopra del disegno tracciato disegnamo un altro quadrato che ci si appoggi,
con lato pari alla lunghezza appena tracciata (2+1=3 quadretti).
A sinistra di tutti questi quadrati tracciamone un altro il cui lato si appoggi
alla figura. Il lato di questo quadrato sara' 3+2=5 quadretti.
Facciamo la stessa cosa di sotto. Il nuovo quadrato ha lato 5+3=8 quadretti.
Proseguiamo cosi' finche' c'e' spazio sul foglio.
E' evidente che i quadrati disegnati hanno lato corrispondente ai numeri di Fibonacci.

Ora possiamo inscrivere quarti di circonferenza nei vari quadrati in modo che ognuno
sia tangente a quello inscritto nel quadrato successivo e in quello precedente

La curva che abbiamo ottenuto si chiama Spirale di Fibonacci.
In realta' non e' esattamente una spirale: una spirale e' una curva tale che in
ogni punto la sua derivata in coordinate polari sia continua.
Qui invece non lo e': la curvatura e' costante per ogni

ed ha una discontinuita' rispetto al quadrante successivo. In altre parole una "vera"
spirale non e' disegnabile con un compasso.
La spirale di Fibonacci e' pero' una buona approssimazione della Spirale Aurea,
che e' una particolare spirale logaritmica di cui vi (e mi) risparmio i dettagli
matematici.
Il bello e' che in natura ci sono molti esempi di questa spirale. Un esempio e'
quello della disposizione dei semi nei fiori come il girasole.

Allo stesso modo si disongono gli eleementi delle pigne, degli ananas, i chicchi
di mais sulla pannocchia...
C'e' poi l'angolo aureo, cioe' un angolo che divide l'angolo giro in due parti tra
le quali la proporzione e' pari a φ.
Nella maggior parte delle piante le foglie sui rami si sviluppano in modo che ci
sia un angolo aureo tra le foglie precedenti e le successive.

Esistono una quantita' di casi in cui si possono notare le applicazioni della sezione
Aurea o dei numeri di Fibonacci.
Ad esempio, la maggior parte dei fiori ha un numero di petali pari ad un numero
di fibonacci
(da Wikipedia: "i gigli ne hanno tre, i ranuncoli cinque, il delphinium
spesso ne ha otto, la calendula tredici, l'astro ventuno e le margherite di solito
ne hanno trentaquattro o cinquantacinque o ottantanove")
Una giustificazione di questo comportamento in natura e' data proprio dal fatto
che, come abbiamo visto sopra, la sezione Aurea e' il numero "piu' irrazionale"
di tutti.
Ad esempio, nel disegno riportato qui sopra, il fatto che tra ogni coppia di foglie
successive ci sia l'angolo Aureo assicura che ogni foglia e' "coperta" da quelle
successive il meno possibile, e che quindi ognuna riceva la piu' grande quantita'
di luce possibile.
Un'altra ragione e' che, poiche' i numeri di Fibonacci non rispettano un ordine
replicabile, proprio per come sono stati costruiti, ognuno contribuisce nella solidita'
del tutto. Mi spiego: se la disposizione su una pannocchia dei semi di mais fosse
regolare, diciamo 50 semi per ogni giro, ogni seme si troverebbe esattamente allineaato
a quelli dei giri successivi e precedenti. La pannocchia rischierebbe di rompersi
lungo quelle linee. Inoltre su quelle linee ci sarebbe il massimo affollamento di
semi mentre tra una linea e l'altra non ci sarebbe alcun seme.
Certo una soluzione a questo problema potrebbe essere che i semi fossero disposti
a "esagono", come le celle dell'alveare. In questo modo i semi sarebbero distribuiti
il piu' uniformemente possibile. Ma si potrebbe comunque trovare un allineamento
(anzi tre, a

l'uno dall'altro), e lungo queste direzioni l'allineamento indebolirebbe la pannocchia.
In altre parole, anche se ne' la sezione Aurea ne' i numeri di Fibonacci sono stati
inventati per questo motivo, essi descrivono bene alcuni comportamenti della Natura.
Immagino che l'evoluzione darwiniana abbia sviluppato delle forme che rispecchiano
bene queste regole, poiche' vincenti rispetto a tutti gli altri schemi. La disposizione
delle foglie ad angoli aurei intorno ai rami assicura una migliore insolazione delle
foglie stesse, rispetto ad altre disposizioni piu' regolari.
(Parecchio materiale e alcune foto sono tratti da Psychic Research Institute e Wikipedia)