黄金分割率

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黄金分割率

黄金分割率
數表—无理数 $\color {blue}{\sqrt {2}}$ - $\color {blue}\varphi$ - $\color {blue}{\sqrt {3}}$ - $\color {blue}{\sqrt {5}}$ - $\color {blue}\delta _{S}$ - $\color {blue}e$ - $\color {blue}\pi$
黃金比例的線段
命名
名稱	黃金比例 黄金分割比
識別
種類	無理數
符號	$\varphi$
位數數列編號	A001622
性質
連分數	$1+{\cfrac {1}{1+{\cfrac {1}{1+{\cfrac {1}{1+{\cfrac {1}{1+\ddots }}}}}}}}$
以此為根的多項式或函數	$x^{2}-x-1=0$
表示方式
值	$\varphi \approx$1.61803...
代數形式	${\frac {1+{\sqrt {5}}}{2}}$
二进制	1.100111100011011101111001…
十进制	1.618033988749894848204586…
十六进制	1.9E3779B97F4A7C15F39CC060…

黃金比例（英語：golden ratio），又稱黄金分割比、黄金分割率，是一個數學常數，一般以希臘字母$\varphi$表示。可以透過以下代數式定義：

${\frac {a+b}{a}}={\frac {a}{b}}\,{\stackrel {\text{def}}{=}}\,\varphi \quad (a>b>0)$

這也是黃金比例一名的由來。
黄金比例的準確值為${\frac {1+{\sqrt {5}}}{2}}$，所以是无理数，而大約值則為（小數點後20位， A001622）：

$\varphi =1.61803398874989484820\ldots$

应用时一般取1.618，就像圆周率在应用时取3.1416一样。

黄金分割具有严格的比例性、艺术性、和谐性，蕴藏着丰富的美学价值，而且呈現於不少動物和植物的外觀。現今普遍很多工業產品、電子產品、建築物或藝術品均應用了黄金分割，提高其美觀性。

歷史

黃金比例是屬於數學領域的一個專有名詞，但是它最後涵蓋的內容不只是有關數學領域的研究，根据目前的文獻探討，我們可以說，黃金比例的發現和如何演進至今仍然是一個謎。但有研究指出公元前6世紀古希臘的畢達哥拉斯學派研究過正5邊形和正10邊形的作圖，因此現代數學家們推斷當時畢達哥拉斯學派已經觸及甚至掌握了黃金分割的一些規則，也發現無理數。它側重於從數學關係去探討美的規律，並認為美就是和諧與比例，按照這種比例關係就可以組成美的圖案，這其實是一個數字的比例關係，即將一條線分成兩部分，較長的一段與較短的一段之比等於全長與較長的一段之比，它們的比例大約是1.618:1，知名的費氏數列也體現了這個數學原則，按此種比例關係組成的任何事物都表現出其內部關係的和諧與均衡。

公元前4世紀，古希臘數學家歐多克索斯第一個系統研究了這一問題，並建立起比例理論。公元前300年前後歐幾里得撰寫《幾何原本》時吸收了歐多克索斯的研究成果，進一步系統論述了黃金分割，成為最早的有關黃金分割的論著（即中末比）。

中世紀後，黃金分割被披上神秘的外衣，義大利數學家卢卡·帕喬利稱中末比為神聖比例，並專門為此著書立說。德國天文學家约翰内斯·开普勒稱神聖比例為黃金分割。到19世紀黃金分割這一名稱才逐漸通行，而證據在於德國數學家马丁·欧姆所寫的《基本純數學》第2版注釋中寫到有關黃金比例的解釋：「人們習慣把按此方式將任一直線分割成兩部分的方法，稱為黃金分割」。而在1875年出版的《大英百科全書》的第9版中，蘇利有提到：「由費區那……提出的有趣、實驗性濃厚的想法宣稱，『黃金分割』在視覺比例上具有所謂的優越性。」可見黃金分割在當時已經流行了。20世紀時美國數學家马克·巴尔給它個名字叫phi。黃金分割有許多有趣的性質，人類對它的實際應用也很廣泛，造就了它今天的名氣。最著名的例子是優選學中的黃金分割法或0.618法，是由美國數學家杰克·基弗於1953年首先提出的，70年代在中國推廣。

基本計算

黃金分割是根據黃金比例，將一條線分割成兩段。總長度a+b与長度較長的a之比等于a与長度較短的b之比

兩個數值$a$和$b$構成黃金比例$\varphi$，如果：${\frac {a+b}{a}}={\frac {a}{b}}=\varphi$

一個得出$\varphi$數值的方法是從左邊的分數式入手。經過簡化和代入，

${\frac {a+b}{a}}={\frac {a}{a}}+{\frac {b}{a}}=1+{\frac {b}{a}}=1+{\frac {1}{\varphi }}$

於是：

$1+{\frac {1}{\varphi }}=\varphi$

兩邊乘以$\varphi$就得到：

$\varphi +1=\varphi ^{2}$

即是${\varphi }^{2}-\varphi -1=0$

找出該方程的正解，

$\varphi ={\frac {1+{\sqrt {5}}}{2}}=1.6180339887\ldots$

黄金分割奇妙之處，在於其倒數為自身減1，即：1.618...的倒數為$0.618\ldots =1.618\ldots -1$，並時常被稱為「黃金比例共軛」。

從上面的$1+{\frac {1}{\varphi }}=\varphi$得到：

${\frac {1}{\varphi }}=\varphi -1$

這個0.618...的數值常用希臘字母$\Phi$表示，即：

$\Phi ={1 \over \varphi }={1 \over 1.61803\,39887\ldots }=0.6180339887\ldots$，亦可表達為：

$\Phi =\varphi -1=1.6180339887\ldots -1=0.6180339887\ldots$

替代或其他形式

藉由有限連分數或者斐波納契數列的比例中看出近似於黃金比例的倒數。

公式$\varphi =1+{\frac {1}{\varphi }}$可以被遞歸擴展來獲得黃金比例的連分數：

$\varphi =[1;1,1,1,\dots ]=1+{\cfrac {1}{1+{\cfrac {1}{1+{\cfrac {1}{1+\ddots }}}}}}$

而它的倒數是：

$\varphi ^{-1}=[0;1,1,1,\dots ]=0+{\cfrac {1}{1+{\cfrac {1}{1+{\cfrac {1}{1+\ddots }}}}}}$

平方根表示：

$\varphi ={\sqrt {1+{\sqrt {1+{\sqrt {1+{\sqrt {1+...}}}}}}}}$

以三角函數的特殊值表示：

$\varphi ={\frac {13}{8}}+\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{(n+1)}(2n+1)!}{(n+2)!n!4^{(2n+3)}}}.$

即是：

$\varphi =1+2\sin(\pi /10)=1+2\sin 18^{\circ }$

$\varphi ={1 \over 2}\csc(\pi /10)={1 \over 2}\csc 18^{\circ }$

$\varphi =2\cos(\pi /5)=2\cos 36^{\circ }$

$\varphi =2\sin(3\pi /10)=2\sin 54^{\circ }.$

• 黃金分割率的乘冪與費氏數列的關係

$\varphi ^{n}=F_{n-1}+\varphi F_{n}$且$(1-\varphi )^{n}=F_{n+1}-\varphi F_{n}$，其中$n$為任意整數，$F_{n}$是費氏數列的第$n$項

黃金分割數高精度計算程式碼

C++

#include <iostream>
#include <stdio.h>

using namespace std;

int main() {
  long b, c, d = 0, e = 0, f = 100, i = 0, j, N;
  cout << "請輸入黃金分割數位數\n";
  cin >> N;
  N = N * 3 / 2 + 6;
  long* a = new long[N + 1];
  while (i <= N) a[i++] = 1;
  for (; --i > 0;
       i == N - 6 ? printf("\r0.61") : printf("%02ld", e += (d += b / f) / f),
       e = d % f, d = b % f, i -= 2)
    for (j = i, b = 0; j; b = b / c * (j-- * 2 - 1))
      a[j] = (b += a[j] * f) % (c = j * 10);
  delete[] a;
  cin.ignore();
  cin.ignore();
  return 0;
}

例子

• 黄金分割点

• 
  黄金矩形
• 
  鹦鹉螺的内部结构
• 
  帕特农神庙
• 
  最后的晚餐
• 
  联合国总部大楼
• 
  向日葵
• 
  蝴蝶花紋

貴金屬分割

主条目：貴金屬分割

貴金屬分割即${\frac {n+{\sqrt {n^{2}+4}}}{2}}$，其中$n$为正整数。$n=1$时为黄金分割（${\frac {1+{\sqrt {5}}}{2}}$），$n=2$时为白银分割（$1+{\sqrt {2}}$），$n=3$时为青铜分割（${\frac {3+{\sqrt {13}}}{2}}$）。用连分数可表示为$n+{\cfrac {1}{n+{\cfrac {1}{n+{\cfrac {1}{n+{\cfrac {1}{\ddots }}}}}}}}=[n;n,n,n,n,\dots ]$

参考文献

来源

• 《黃金比例》;遠流出版公司;2004年;ISBN 957-32-5270-8.

延伸读物

• Doczi, György. The Power of Limits: Proportional Harmonies in Nature, Art, and Architecture. Boston: Shambhala Publications. 2005 [1981]. ISBN 1-59030-259-1. 
• Huntley, H. E. The Divine Proportion: A Study in Mathematical Beauty. New York: Dover Publications. 1970. ISBN 0-486-22254-3. 
• Joseph, George G. The Crest of the Peacock: The Non-European Roots of Mathematics New. Princeton, NJ: Princeton University Press. 2000 [1991]. ISBN 0-691-00659-8. 
• Livio, Mario. The Golden Ratio: The Story of PHI, the World's Most Astonishing Number Hardback. NYC: Broadway (Random House). 2002 [2002]. ISBN 0-7679-0815-5. 

• Sahlqvist, Leif. Cardinal Alignments and the Golden Section: Principles of Ancient Cosmography and Design 3rd Rev. Charleston, SC: BookSurge. 2008. ISBN 1-4196-2157-2. 
• Schneider, Michael S. A Beginner's Guide to Constructing the Universe: The Mathematical Archetypes of Nature, Art, and Science. New York: HarperCollins. 1994. ISBN 0-06-016939-7. 
• Scimone, Aldo. La Sezione Aurea. Storia culturale di un leitmotiv della Matematica. Palermo: Sigma Edizioni. 1997. ISBN 978-88-7231-025-0. 
• Stakhov, A. P. The Mathematics of Harmony: From Euclid to Contemporary Mathematics and Computer Science. Singapore: World Scientific Publishing. 2009. ISBN 978-981-277-582-5. 
• Walser, Hans. The Golden Section. Peter Hilton trans. Washington, DC: The Mathematical Association of America. 2001 [Der Goldene Schnitt 1993]. ISBN 0-88385-534-8. 

外部链接

• 维基共享资源上的相關多媒體資源：黄金分割率