斐波那契数列的前 n 项和

结论

  • Sn= Fn+2 −1 S_n=F_{n+2}-1 Sn=Fn+2−1

正文

斐波那契数列

F1=1,F2=1 F_1=1,F_2=1 F1=1,F2=1,对满足 n≥3n\ge 3 n≥3 的 nn n 而言, Fn= Fn−1 + Fn−2 F_n=F_{n-1}+F_{n-2} Fn=Fn−1+Fn−2。满足这样的规则的数列,我们称其为斐波那契数列。

简单的分析

对比较小的 nn n 来说, Fn F_n Fn 以及前 nn n 项和 Sn S_n Sn 的值列举如下 ⬇️

nn n Fn F_n Fn Sn S_n Sn
11 1 11 1 11 1
22 2 11 1 22 2
33 3 22 2 44 4
44 4 33 3 77 7
55 5 55 5 1212 12
66 6 88 8 2020 20
77 7 1313 13 3333 33
88 8 2121 21 5454 54
99 9 3434 34 8888 88
1010 10 5555 55 143143 143
1111 11 8989 89 232232 232
1212 12 144144 144 376376 376
1313 13 233233 233 609609 609
1414 14 377377 377 986986 986
1515 15 610610 610 15961596 1596
1616 16 987987 987 25832583 2583
1717 17 15971597 1597 41804180 4180
1818 18 25842584 2584 67646764 6764
1919 19 41814181 4181 1094510945 10945
2020 20 67656765 6765 1771017710 17710

生成上方表格的 Python3Python3 Python3 代码如下 ⬇️

python 复制代码
print(r'| $n$ | $F_n$ | $S_n$ |')
print('| --- | --- | --- | ')

curr = 1
next = 1
sum = 0
for i in range(1, 21):
    sum += curr
    print(f'| ${i}$ | ${curr}$ | ${sum}$ |')
    curr, next = next, (curr + next)

通过观察这个表格,您也许会发现(没发现也没关系) Sn= Fn+2 −1 S_n=F_{n+2}-1 Sn=Fn+2−1 似乎总是成立。用数学归纳法应该可以证明它,我们来试试。

当 n=1n=1 n=1 时, S1=1=F3−1=2−1 S_1=1=F_{3}-1=2-1 S1=1=F3−1=2−1 成立。

假设 Sn= Fn+2 −1 S_n=F_{n+2}-1 Sn=Fn+2−1 对 n=1,2,3,⋯ ,kn=1,2,3,\cdots,k n=1,2,3,⋯,k 都成立。我们来看看 n=k+1n=k+1 n=k+1 时的情况。
Sk+1 =Sk+ Fk+1 S_{k+1}=S_k+F_{k+1} Sk+1=Sk+Fk+1
= Fk+2 −1+ Fk+1 =F_{k+2}-1+F_{k+1} =Fk+2−1+Fk+1
= Fk+1 + Fk+2 −1 =F_{k+1}+F_{k+2}-1 =Fk+1+Fk+2−1
= Fk+3 −1 =F_{k+3}-1 =Fk+3−1
= F(k+1)+2 −1 =F_{(k+1)+2}-1 =F(k+1)+2−1

所以 n=k+1n=k+1 n=k+1 时, Sn= Fn+2 −1 S_n=F_{n+2}-1 Sn=Fn+2−1 也成立,那么 Sn= Fn+2 −1 S_n=F_{n+2}-1 Sn=Fn+2−1 对任意正整数 nn n 都成立。

不用数学归纳法

不用数学归纳法,也可以证明 Sn= Fn+2 −1 S_n=F_{n+2}-1 Sn=Fn+2−1,一个可行的方案如下

  • F1=F3−F2 F_1=F_3-F_2 F1=F3−F2
  • F2=F4−F3 F_2=F_4-F_3 F2=F4−F3
  • F3=F5−F4 F_3=F_5-F_4 F3=F5−F4
  • ⋯\cdots ⋯
  • Fn= Fn+2 − Fn+1 F_n=F_{n+2}-F_{n+1} Fn=Fn+2−Fn+1

对以上 nn n 个等式求和,可以得到
∑k=1k=n Fk= Fn+2 −1 \sum_{k=1}^{k=n}{F_k}=F_{n+2}-1 k=1∑k=nFk=Fn+2−1

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