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Fibonacci-Zahlen – Das Problem

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Die Autor/-innen
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André Otto
Fibonacci-Zahlen – Das Problem
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Beschreibung Fibonacci-Zahlen – Das Problem

Herzlich Willkommen! In folgendem Video befassen wie uns mit der Fibonacci Zahlenfolge. Zu Begin werden dir der Unterschied zwischen einer expliziten und implizite Zahlenfolge an einem Bsp. verdeutlich. Im Anschluss werden wir das sog. „ Kaninchenproblem “ behandeln und untersuchen, was das Problem mit der Fibonacci - Zahlenfolge zu tun hat. Wir wollen davon ausgehen, dass wir ein Pärchen von Kaninchen haben. Sie sollen nach zwei Monaten zeugungsfähig sein. Jedem Monat wird ein weibliches und männliches Kaninchen geboren. Wie viel Kaninchen gibt es nach einem Monat, zwei Monaten und n - Monaten? Was haben die Geburten mit der Fibonacci - Folge zu tun? Finde es heraus!

1 Kommentar

1 Kommentar
  1. Dieses Video ist wirklich sehr hilfreich!!!!!

    Von Mercedes, vor mehr als 8 Jahren

Fibonacci-Zahlen – Das Problem Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Fibonacci-Zahlen – Das Problem kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe, was rekursive und explizite Darstellungen von Folgen sind.

    Tipps

    Sowohl die rekursive als auch die explizite Darstellung der Folgen führen zu denselben Folgegliedern.

    • Ein Synonym für „rekursiv“ ist „zurückführend“.
    • Eine explizite Darstellung ist eine direkte Darstellung.
    Lösung

    Rekursive Darstellung

    In einer rekursiven Darstellung einer Folge werden Folgeglieder mit Hilfe vorhergehender Folgeglieder beschrieben.

    Hier siehst du ein Beispiel: $a_{n+1}=a_n+2$. Du musst dann in diesem Beispiel ein Folgeglied kennen und schon geht es los. Zum Beispiel sei $a_0=3$.

    Dann ist $a_1=a_0+2=3+2=5$, $a_2=a_1+2=5+2=7$, ...

    Der Nachteil dieser Darstellung liegt darin, dass du die ersten $400$ Folgeglieder berechnet haben musst, um das $401.$ Folgeglied zu berechnen.

    Dies ist bei expliziten Darstellungen nicht der Fall.

    Explizite Darstellung

    In einer expliziten Darstellung wird ein Folgeglied direkt in Abhängigkeit des Folgeindizes $n$ angegeben.

    Schau dir noch einmal die obige Formel sowie die ersten Folgenglieder an: $a_{n+1}=a_n+2$ mit $a_0=3$, also

    • $a_0=3=3+0\cdot 2$,
    • $a_1=5=3+1\cdot 2$,
    • $a_2=7=3+2\cdot 2$,
    • $a_3=9=3+3\cdot 2$.
    Du addierst also jeweils zu $3$ das $n$-fache von $2$. Dies führt zu der expliziten Darstellung $a_n=2n+3$.

  • Gib eine rekursive Darstellung der Fibonacci-Folge an.

    Tipps

    Addiere doch einmal $a_1$, $a_2$ und $a_3$.

    Du kannst jede der Aussagen direkt überprüfen.

    Übrigens: Das nächste Folgeglied in der Fibonacci-Folge ist $a_6=8$.

    Lösung

    Du kennst bereits einige Folgeglieder der Fibonacci-Folge: $a_0=0$; $a_1=1$; $a_2=1$; $a_3=2$; $a_4=3$; $a_5=5$.

    Fällt dir etwas auf?

    • $a_0+a_1=0+1=1=a_1$
    • $a_1+a_2=1+1=2=a_3$
    • $a_2+a_3=1+2=3=a_4$
    • $a_3+a_4=2+3=5=a_5$
    Richtig: Wenn du zwei aufeinanderfolgende Folgeglieder addierst, erhältst du das nächste Folgeglied.

    Damit kannst du auch schon $a_6=a_4+a_5=3+5=8$ berechnen.

    Die rekursive Darstellung der Fibonacci-Folge lautet somit $a_{n+2}=a_{n+1}+a_n$ mit $a_0=0$ und $a_1=1$.

  • Ermittle weitere Folgeglieder der Fibonacci-Folge.

    Tipps

    Hier siehst du die ersten Folgenglieder: $a_0=0$, $a_1=1$, $a_2=1$, $a_3=2$, $a_4=3$, $a_5=5$ und $a_6=8$.

    Du benötigst für die folgende Rechnung nur $a_5$ sowie $a_6$.

    Beachte, dass die Folgeglieder immer größer werden.

    Addiere immer die letzten beiden bekannten Folgeglieder.

    Lösung

    Du kennst die Rekursionsformel $a_{n+2}=a_{n+1}+a_n$ sowie $a_0=0$ und $a_1=1$ für die Fibonacci-Folge.

    Damit kannst du die Folgeglieder berechnen:

    Verwende $a_5=5$ sowie $a_6=8$.

    • $a_7=a_6+a_5=8+5=13$
    • $a_8=a_7+a_6=13+8=21$
    • $a_9=a_8+a_7=21+13=34$
    • $a_{10}=a_9+a_8=34+21=55$
  • Leite eine explizite Darstellungsform der Folge her.

    Tipps

    Zweierpotenzen haben die Form $2^k$. Dabei ist $k$ der Exponent.

    Überprüfe die explizite Darstellung an einigen Folgegliedern.

    Lösung

    Es gibt leider kein allgemein gültiges „Rezept“, um eine rekursive Darstellung in eine explizite umzuformen.

    Eine Möglichkeit ist, dass du dir einige Folgeglieder anschaust. Vielleicht erkennst du eine Regelmäßigkeit. Diese kannst du dann verwenden, um eine explizite Darstellung der Folge anzugeben.

    Das schauen wir uns einmal an dem obigen Beispiel an: $a_{n+1}=2a_n$ mit $a_0=3$. Schreibe zunächst einige Folgeglieder auf:

    • $a_0=3$,
    • $a_1=2\cdot a_0=2\cdot 3=6$,
    • $a_2=2\cdot a_1=2\cdot 6=12$,
    • $a_3=2\cdot 12=24$ und
    • $a_4=2\cdot 24=48$.
    In jedem der Folgeglieder steckt der Faktor $3$. Der jeweils andere Faktor ist eine Zweierpotenz:

    • $a_0=3=3\cdot 1=3\cdot 2^0$,
    • $a_1=6=3\cdot 2=3\cdot 2^1$,
    • $a_2=12=3\cdot 4=3\cdot 2^2$,
    • $a_3=24=3\cdot 8=3\cdot 2^3$ und
    • $a_4=48=3\cdot 16=3\cdot 2^4$.
    Du siehst, der Folgeindex taucht immer als Exponent in der Zweierpotenz auf. Dies führt zu der expliziten Darstellung $a_n=3\cdot 2^n$.

  • Berechne die Folgeglieder der Fibonacci-Folge.

    Tipps

    Du verwendest für die Berechnung jedes Folgegliedes $a_n$ ab $n=2$ die beiden vorhergehenden Folgeglieder. Diese addierst du.

    Zum Beispiel ist $a_7=a_6+a_5=8+5=13$.

    Lösung

    Die rekursiv definierte Folge $a_{n+2}=a_{n+1}+a_n$ mit $a_0=0$ und $a_1=1$ ist bekannt als die Fibonacci-Folge.

    Hier kannst du noch einmal ausführlich sehen, wie du diese Rekursion verwendest:

    • $a_2=a_1+a_0=1+0=1$
    • $a_3=a_2+a_1=1+1=2$
    • $a_4=a_3+a_2=2+1=3$
    • $a_5=a_4+a_3=3+2=5$
    • $a_6=a_5+a_4=5+3=8$
  • Berechne einige Folgeglieder.

    Tipps

    Da es zu aufwändig wäre, alle Folgeglieder bis zu dem gesuchten zu berechnen, ist es sinnvoller, nach einer expliziten Darstellung zu suchen.

    Es ist $a_1=1$; $a_2=4$; $a_3=7$.

    Schreibe jedes Folgeglied in der Form „$...=...-2$“.

    Zum Beispiel ist $a_{12}=34=36-2$.

    Lösung

    In dieser Aufgabe ist es sinnvoll, eine explizite Darstellung zu suchen. Warum? Wenn du zum Beispiel das $10000.$ Folgeglied berechnen willst, musst du bei der rekursiven Darstellung auch das $9999.$ kennen und damit das $9998.$, usw. Das ist sehr viel Aufwand.

    Schreibe zur Herleitung der expliziten Darstellung die ersten Folgeglieder auf:

    • $a_0=-2$,
    • $a_1=a_0+3=-2+3=1$,
    • $a_2=a_1+3=1+3=4$,
    • $a_3=7$.
    Schreibe nun jedes Folgeglied in der Form „$...-2$“:

    • $a_0=-2=0-2=0\cdot 3-2$,
    • $a_1=1=3-2=1\cdot 3-2$,
    • $a_2=4=6-2=2\cdot 3-2$,
    • $a_3=7=9-2=3\cdot 3-2$.
    Nun kannst du sicher die Regelmäßigkeit sehen: $a_n=3n-2$.

    Damit kannst du für beliebige $n$ die Folgeglieder berechnen:

    • $a_{111}=3\cdot 111-2=333-2=331$,
    • $a_{500}=3\cdot 500-2=1500-2=1498$,
    • $a_{1234}=3\cdot 1234-2=3702-2=3700$ und
    • $a_{10000}=3\cdot 10000-2=30000-2=29998$.
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