为什么黄金分割是最美的?依据是什么?

因为黄金分割对应的是最简单的continued fraction,美感来自于这个“最”字。


看了一圈,没有人从数学表达式本身来讨论黄金分割,都是从自然界出发。

然而,要讨论美,就要尽量避开自然界,因为美学本身高于自然,依托于自然界的美,无法做到在所有可能的宇宙中都普适

要发现数学的美,我们首先要选取一个好的定义,也就是看问题的角度。

黄金分割可以从几何的角度来看,也可以从序列的角度来看,但是个人认为,最好的角度还是用连分数(continued fraction)

先简单介绍一下连分数是什么。我们一般习惯的都是基于小数的表达,就拿黄金分割来说,我们往往用1.618...这种小数形式。在这种角度下,黄金分割没有任何规律可言。

而连分数采用的是这样的形式:

$$ a_0 + \cfrac{1}{a_1 + \cfrac{1}{a_2 + \cfrac{1}{a_3 + ...}}} $$

我们所熟悉的小数形式的表达跟连分数形式的表达是等价的,然而神奇之处就在于:虽然等价,看上去没有区别,但连分数的形式可以更好体现出黄金分割的美感

黄金分割的连分数表达是什么?

$$ 1 + \cfrac{1}{1 + \cfrac{1}{1 + \cfrac{1}{1 + ...}}} $$

清一色的1,可以说是最为简单的连分数,而正因如此,才有了这一数学表达式本身的美感,不依托任何自然界的例子。

有没有感觉有点眼熟?我们可以再看一个类似的例子:为什么自然底数e如此有美感?我们可以说因为e的内蕴性质:$e^x$是differential operator的不动点。但是更加表面的一个原因,其实就是:在infinite series的表达中,极其有规律

$$ e = \sum_{n=0}^{\infty} \cfrac{1}{n!} $$

这种换了一个角度就突然发现规律的情况,有点类似坐标系的概念:在一个坐标系里有可能看上去毫无规律可言的东西,换了一个坐标系,就豁然开朗

这就导致了很多时候,数学其实就是文字游戏:为什么一个东西性质好?因为我们故意选了一个好的“视角”,强行让它性质好

但是仔细想想,这不仅跟美没有冲突,反而非常般配:美的定义也是一个纯粹精神的构造,正因如此,美才能凌驾于现实世界之上