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你所不知道的黄金分割!

 山西山阴薛有山 2017-11-16


 

数学定义

        把一条线段分成两段,使其中较长的一段是原线段与较小一段的比例中项,叫做把这条线段黄金分割。

        如图,C为线段AB上一点,如果有

则点C叫做线段AB的黄金分割点。设AB=1,  AC=x,则

解得,

称之为黄金比,也叫中末比、中外比、黄金率。我国古代称为弦分割。黄金比的数值

后人还称为黄金数。

 

发展史

        黄金分割的发现,普遍认为是古希腊柏拉图(Plato,公元前427~前349年)学派的欧多克斯(Eudoxus,约公元前408~前335年)。也有学者认为是较之更早的毕达哥拉斯学派,因为毕达哥拉斯学派常用正五边形,其中多处包含黄金比,但这个结论值得商榷。

        黄金分割以中末比作图形式出现在欧几里得《几何原本》中,在《原本》第Ⅱ卷命题11中,欧几里得用几何方法证明了

但并未得到 

        黄金分割在文艺复兴前后,经过阿拉伯人传入欧洲,受到了欧洲人的欢迎。黄金分割是欧洲文艺复兴时期,由意大利著名艺术家、科学家达·芬奇(Leonardo da Vinci,1452~1519)冠以的美称。德国著名天文学家、数学家开普勒(Kepler,1571~1630年)把黄金分割与勾股定理并列,誉为古希腊几何学的两颗明珠,可见黄金分割地位之赫然。


 

拓展

1.分数与根式


        设x为黄金比,有

 可以推出

对等式右边分母中的x又以

代替,可得

以此类推,可得无穷连分数。对等式进行类似的代替,可得无穷连根号。

2. 斐波那契数列

        13世纪初意大利数学家斐波那契

(L.Fibonacci,1170~1250年)研究过这样一个有趣问题:'兔子出生以后两个月就能每月生小兔,若每次不多不少恰好生一对(一雌一雄),假如养了初生的小兔一对,试问一年以后共有多少对兔子(假设生下的小兔都成活的话)'.如果我们把每月的兔子(对)数排成一列数,即得数列

1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144,…,an,…有趣的是,比值

当n无限增加时,就能不断逼近黄金比。

3.几何中的黄金分割

        一个顶角为36°的等腰三角形,其底角平分线把一腰黄金分割,正是因为比为黄金比而被称为黄金三角形。

        将一个正五边形的所有对角线连结起来,这些对角线的交点都是所在线段的黄金分割点,正五角星里面所产生的所有三角形都是黄金分割三角形。

       如果矩形长宽之比为黄金比,则这样矩形称为黄金矩形。

       几何中还有很多这样的例子,此处不一一列举。

 

应用实例


        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,这一比值能够引起人们的美感,被认为是建筑和艺术中最理想的比例。

        我国早在战国时期就已知道并能应用黄金分割,长沙马王堆汉墓出土的文物中,有的长宽就是按黄金比制作的。清朝数学家梅文鼎对黄金分割有深入研究,他在《几何通解》和《几何补编》(1692年)中,对黄金分割有详细论述。

       

       达·芬奇笔下的“蒙娜丽莎”、拉斐尔的“花园中的母与子”中母与子有一个共同特点是:人物避开了正面和背影的刻画,而是选取了正中带侧或是背中带侧的角度。我们在对0°到180°之间进行黄金分割可以得到一个黄金角度,达·芬奇和拉斐尔所使用的就是这样一个角度。翻开西方的艺术史,有近90%的人物都用这个角度,你能说,这仅是一种巧合?

     

 

        埃及的金字塔、印度的泰姬陵以至法国的埃菲尔铁塔上,都可发现与黄金比有联系的数据。再如现今印刷的各种书籍、图片、门窗、桌面其长宽之比大多接近黄金比,这样制作,美观﹑大方,材料最省;在高塔的黄金分割点处建造楼阁或设置平台,能使瘦削单调的塔身变得壮观;在摩天大厦的黄金分割点处加道腰线或装饰物,会使整个大厦显得雅致;二胡演奏中的“千金”分弦,若符合黄金比,音调最和谐;独唱演员站在舞台的黄金分割点,给人感觉最适宜,音响效果最好。人体也符合黄金比,若人的肚脐是人体总长的黄金分割点,膝盖是肚脐到脚跟的黄金分割点,则其身材最匀称,古希腊的智慧女神雅典娜和太阳神阿波罗的塑像都采用这种身段比。

        大书法家启功在《书法概论》中介绍,那些公认的书法中可以给人较多美感,赏心悦目的作品的一个共同特点是:每个笔画同格线的交点,都会在一个方格的四个黄金分割点上或者附近。

       

        树枝的生长也满足黄金比,这是数学家泽林斯基在一次国际数学会议上提出的:


趋于黄金比。又如在峰房结构、波罗的鳞片、向日葵籽排列等问题中,都可找到与黄金数的联系.大自然“喜欢”用黄金分割“说话”,这反映了大自然内在的比例规律,也说明黄金分割的普遍性。

        随着生产和科学试验的需要,近40年来黄金分割在优选法中开辟了它的应用领域,在单因素优选法中,利用黄金数或其倒数逐次安排试验点,可以减少试验次数,并迅速可靠地搜索到符合生产要求的试验点,这可说是黄金分割绽开的又一朵新花!


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