Тождество Кассини — тождество, утверждающее, что для -го числа Фибоначчи выполняется следующее соотношение:

.

Тождество Кассини было опубликовано астрономом Джованни Кассини в 1680 году, когда он был директором Парижской обсерватории. Позднее оно было доказано Робертом Симсоном в 1753 году. Однако это соотношение встречается уже у Иоганна Кеплера ещё в 1608 году.

В 1879 году бельгийский математик Эжен Каталан обобщил результат. Полученное соотношение известно как тождество Каталана:

.

Соотношение Кассини лежит в основе геометрической головоломки об исчезающей клетке, популяризованной Льюисом Кэрроллом и позднее Сэмом Лойдом. Суть задачи в том, чтобы разрезать шахматную доску на четыре части таким образом, чтобы затем составить из этих частей прямоугольник.

Аналогичная конструкция разбивает любой квадрат на четыре части с размерами сторон клеток. В результате получается прямоугольник , и в соответствии с тождеством Кассини одна клетка либо прибавляется, либо утрачивается, в зависимости от того, чётно или нечётно .

Для последовательностей чисел Люка тождество Кассини имеет вид:

, где .

Тождества типа Кассини последовательностей чисел Якобсталя и Якобсталя-Люка соответсвенно равны:

Доказательство тождества Кассини

Доказательство по индукции Докажем базу индукции для :

.

Таким образом, базовое утверждение выполняется.

Докажем переход: предположим для некоторого , выполняется равенство:

.

Докажем, что тогда утверждение выполняется и для :

Рассмотрим левую часть предположения. Прибавим и вычтем слагаемое :

.

Перегруппируем слагаемые, выделяя общие множители:

.

Используя реккурентное соотношение для чисел Фибоначчи: и , получаем:

Умножим обе части на :

.

Таким образом, из истинности утверждения для следует его истинность для .

Следовательно, согласно математической индукции, тождество выполняется для всех .

Доказательство с использованием матриц Элегантное доказательство тождества Кассини было предложено Д. Кнутом в 1994 году в известной работе «Искусство программирования»:

Докажем по индукции матричное тождество:

Докажем базу индукции при :

База индукции выполнена.

Положим, что утверждение верно для некоторого . Тогда:

Используя реккурентное соотношение для чисел Фибоначчи: и , получаем:

что соответствует утверждению при . Шаг индукции доказан.

Теперь вычислим определители обеих частей равенства:

Доказательство тождества Каталана По формуле Бине,

Подставляем:

Аналогично для :

Так как , и заметим, что ,

Так как

Следовательно, , что и требовалось доказать.

Литература

Примечания

Категория:Тождества Категория:Целочисленные последовательности