SICP 연습문제 1.13 친절한 풀이

문제

ϕ=(1+5)/2ϕ=(1+\sqrt{5})/2일때 Fib(n)Fib(n)ϕn/5ϕ^n/5에 가장 가까운 정수임을 증명하라.

참고)
ψ=(15)/2ψ=(1-\sqrt{5})/2일때
Fib(n)=(ϕnψn)/5Fib(n)=(ϕ^n-ψ^n)/\sqrt{5}을 증명하라.

문제로 부터 얻은 것

수학문제를 풀고 마크다운으로 설명하는 짓은 미친 짓이다.

문제풀이

수식이 난해할 수 있으니 천천히 읽어주시기 바랍니다.

a. Fib(n)=(ϕnψn)/5Fib(n)=(ϕ^n-ψ^n)/\sqrt{5} 증명

(ϕnψn)/5(ϕ^n-ψ^n)/\sqrt{5}를 변형해 보면 피보나치 수열의 특징을 발견할 수 있다.

f(n)=(ϕnψn)/5f(n)=(ϕ^n-ψ^n)/\sqrt{5}이라고 하자.

f(n+1)f(n+1)
=(ϕn+1ψn+1)/5=(ϕ^{n+1}-ψ^{n+1})/\sqrt{5}
=(ϕ×ϕnψ×ψn)/5=(ϕ\timesϕ^{n}-ψ\timesψ^{n})/\sqrt{5}

f(n)+f(n+1)=((ϕ+1)ϕn(ψ+1)ψn)/5f(n)+f(n+1)=((ϕ+1)ϕ^n-(ψ+1)ψ^n)/\sqrt{5}

그런데 수를 대입해서 계산해 보면,
ϕ+1=ϕ2ϕ+1=ϕ^2,ψ+1=ψ2ψ+1=ψ^2라는 것을 알수 있으므로

f(n)+f(n+1)f(n)+f(n+1)
=((ϕ+1)ϕn(ψ+1)ψn)/5=((ϕ+1)ϕ^n-(ψ+1)ψ^n)/\sqrt{5}
=((ϕ2)ϕn(ψ2)ψn)/5=((ϕ^2)ϕ^n-(ψ^2)ψ^n)/\sqrt{5}
=(ϕn+2ψn+2)/5=(ϕ^{n+2}-ψ^{n+2})/\sqrt{5}
=f(n+2)=f(n+2)

f(n)+f(n+1)=f(n+2)∴ f(n)+f(n+1)=f(n+2)

f(n)은 피보나치 수열의 규칙을 따름을 알 수 있다.

b. Fib(n)Fib(n)ϕn/5ϕ^n/\sqrt{5}에 가장 가까운 정수임을 증명

어떤 수를 xx라 하고, xx에 가장 가까운 정수를 nn이라 한다면,
nn은 (x0.5nx+0.5x-0.5≤ n ≤ x+0.5)를 만족하는 수이다.

Fib(n)Fib(n)
=(ϕnψn)/5=(ϕ^n-ψ^n)/\sqrt{5}
=ϕn5ψn5=\frac{ϕ^n}{\sqrt{5}}-\frac{ψ^n}{\sqrt{5}}

ϕn5\frac{ϕ^n}{\sqrt{5}} - ψn5Fib(n)ϕn5+ψn5\frac{ψ^n}{\sqrt{5}} ≤ Fib(n) ≤ \frac{ϕ^n}{\sqrt{5}}+\frac{ψ^n}{\sqrt{5}}

만약(ψn50.5\frac{ψ^n}{\sqrt{5}} ≤ 0.5) 라면

ϕn50.5\frac{ϕ^n}{\sqrt5}-0.5 Fib(n)ϕn5+0.5≤ Fib(n) ≤ \frac{ϕ^n}{\sqrt{5}}+0.5를 만족한다.
그러므로 ψn50.5\frac{ψ^n}{\sqrt{5}} ≤ 0.5를 증명하면 Fib(n)Fib(n)ϕn/5ϕ^n/\sqrt{5}에 가장 가까운 수이다.

ψn50.5\frac{ψ^n}{\sqrt{5}} ≤ 0.5
ψn52ψ^n ≤ \frac{\sqrt{5}}{2}
((15)/2)n52((1-\sqrt{5})/2)^n ≤ \frac{\sqrt{5}}{2}

1<((15)/2)<1\because -1<((1-\sqrt{5})/2)<1이기 때문에,
((15)/2)152((1-\sqrt{5})/2)^1 ≤ \frac{\sqrt{5}}{2}이라면,
((15)/2)n52((1-\sqrt{5})/2)^n ≤ \frac{\sqrt{5}}{2}이다.

((15)/2)52((1-\sqrt{5})/2) ≤ \frac{\sqrt{5}}{2}
1551-\sqrt{5} ≤ \sqrt{5}
1251 ≤ 2\sqrt{5}
ψn50.5∴ \frac{ψ^n}{\sqrt{5}} ≤ 0.5

Fib(n)Fib(n)ϕn/5ϕ^n/\sqrt{5}에 가장 가까운 정수이다.

난해한 글 읽어주셔서 감사합니다.