拓
扑学:手帕折纸和斐波那契数列的联系
拓扑学,是研究几何形体及其变形、连续映射的一个分支学科。它的研究对象不仅包括欧氏空间中的几何图形,还包括具有相同拓扑结构的非欧几何形体。虽然拓扑学在数学领域中很有名,但普及度并不高。
在日常生活中,我们经常会折叠手帕或者纸巾,通常的方法就是对着一个较小的方块折叠。但是,如果手帕或纸巾的长度、宽度之比为黄金分割数1:1.618,这时将其对着一个三角形折叠,就会出现奇妙的变化。
首先,我们将手帕对着三角形底边折叠一次,再将底部再对折一次,但是这时我们需要折叠一端,否则效果并不是很好。接下来,依据同样的方法进行折叠,再次将底部对折并折叠一端。重复这个过程,最后的结果将会是一个黄金分割比例的正方形。
为什么会出现这种奇妙的变化呢?这就涉及到了拓扑学中的一个重要原理——同伦等价性。所谓同伦等价,就是指通过连续的形变可以将两个拓扑结构相同的图形变形成相互之间可以连续变形的状态。
手帕的折叠过程可以看成一种连续变形,而这种变形实际上与斐波那契数列存在一定的联系。
斐波那契数列,它的每个数都是前面两个数之和,该数列从1、1开始,1、1、2、3、5、8、13、21、34……这个数列的特殊之处在于,这些数字之间的比值会趋近于黄金分割数1:1.618,而这也是结构化手帕折纸中所用到的黄金分割数比例。
在结构化手帕折纸的过程中,每一次折叠都是由原始三角形中的更小的三角形经过缩小和交叉变形而成。这个过程恰好可以视为用斐波那契数列来描述,因为斐波那契数列的每一项都是由前两项的和来计算的。
此外,斐波那契数列还可以被视为一种“基因密码”,因为它在自然界中存在广泛的应用。一些植物的花瓣数量就是斐波那契数列的数字,漩涡云、壳图案、蜂窝状排列胶原质纤维也都会显示出类似的斐波那契比例关系。
拓扑学是一门极富创造性和实用价值的学科。手帕折纸和斐波那契数列的联系,向我们展示了拓扑学与生活生命科学、物理学甚至金融领域等有机结合的可能性。对于广大学生而言,拓扑学是一门值得进一步学习和研究的领域。