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『フィボナッチ数列で見る自然の美しさ』
中学生に数学の美しさを授業する



越智鈴穂(TOSS中学/JHS坊ちゃん)

フィボナッチ数列とは、1,1,2,3,5,8,13,…,…と続く数列で、木の枝分かれ,花びらの枚数,まつぼっくりのまつかさ,ひまわりやたんぽぽの種の配列などに表れている。植物だけでなく,オーム貝やかたつむりのうずまきにも見られる。TOSS中学関西セミナー(2005年3月20日)でC表13級。女教師ML全国大会(2005年10月)で1位に選ばれた授業です。

1.フィボナッチ数列について
 フィボナッチ数列とは,13世紀イタリアの数学者レオナルド・フィボナッチが発見した数列で「1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144,233,377,… 」と続く。
 この数列の特徴は,
@連続する2つの数の和は,その上位の数になる。(1+1=2,1+2=3,2+3=5,…)Aどの数も上位の数に対して0.618に近づいていく。(2/3 3/5 5/8 8/13 …)
Bどの数も下位の数に対して1.618に近づいていく。(3/2 5/3 8/5 13/8…)などがある。
1.618は正確には(1+√5)/2であり,1:(1+√5)/2の比は黄金比と呼ばれている。
 自然界では,木の枝分かれ,花びらの枚数,まつぼっくりのまつかさ,サボテンの針の配置,パイナップルのうろこの模様,ひまわりやたんぽぽの種の配列などに表れている。植物だけでなく,オーム貝やかたつむりのうずまき,昆虫の光に対する接近の仕方など生物の世界にも見られる。一見無秩序に見える自然の中に,規則が存在していることが不思議である。その規則が自然の美しさを作り出している。
 また,モールス信号や為替相場の動きなどにも使われ,生活の中でも役立っている。

2.授業の流れ
花の画像を見せる。

発問1 紫つゆくさ,3。さくら,5。コスモス,8。 矢車草,13。マーガレット,21。
何の数ですか。

(花びらの数)

説明1 花びらの枚数は,3,5,8,13,21,……と増えていきます。

 アブラナ(4枚)のように、すべての花がこの規則にあてはまるとは限らない。

指示1 次に来る,花びらの枚数は何枚ですか。予想をしてノートに書きなさい。

(34枚)

指示2 どのような規則がありますか。1行で書きなさい。式でも文でもかまいません。

(3+5=8,5+8=13となる)
(隣同士の数をたすと,次の数が求まる)
(差も同じ数列になる)

発問4 34の次の数は何ですか。

(55)

説明2 1,1,2を加えた,「1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,……」と並ぶ数の列をフィボナッチ数列と言います。マツバギクが34枚。ガーベラは55枚の花びらがあります。

マツバギク,ガーベラの画像を見せる。

説明3 花びらだけではありません。自然の中には,フィボナッチ数列になっているものがたくさん存在します。

説明4 植物の木の枝のつき方もフィボナッチ数列になっています。栄養をまんべんなく行き渡らせるための植物の知恵です。

クリックすると、木の枝の枝分かれの様子が分かります→フィボナッチの木

説明5 ひまわりの種です。右回りと左回りのらせん状に並んでいます。

説明6 まつぼっくりのかさもサボテンの針もらせん状に並んでいます。

説明7 右回りと左回りのらせんの本数の組み合わせは,13と21,21と34,34と55といったフィボナッチ数同士の組み合わせになります。

指示2 フィボナッチ数を1辺とする正方形をかいていきます。ノートの真ん中に,1辺が1cmの正方形をかきなさい。 

指示3 右隣に1辺が1cmの正方形をかきます。

指示4 上に1辺2cmの正方形をかきます。

指示5 右に1辺3cmの正方形をかきます。

指示6 下に1辺5cmの正方形をかきます。

フィボナッチ数を1辺とする正方形を隣へ隣へかいていき,最後に1/4円でつなぐと渦巻きができる。

指示7 最後に円を描くようにつないでいきなさい。

クリックすると渦巻きの様子が分かります→ フィボナッチの渦巻き

説明8 渦巻きができます。この渦巻きは,かたつむりやオーム貝に見られます。

説明9 今日は,自然の美しさを数学で表しました。自然が神秘的で美しいように数学もまた美しいのです。
 次は,違った角度から数学の美しさを追究していきましょう。


3.参考文献
『フィボナッチ数の小宇宙』(中村滋:日本評論社)
『黄金比とフィボナッチ数』(R.A.ダンラップ:日本評論社)
『自然にひそむ数学』(佐藤修一:講談社)


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