音樂背后的數(shù)學(xué)

數(shù)學(xué)家萊布尼茲(Leibniz,1646-1716)說:“音樂是一種隱藏的算術(shù)練習(xí),透過潛意識(shí)的心靈跟數(shù)目在打交道! 近代作曲家斯特拉文斯基 (Stravinsky,1882-1971)說:“音樂的形式較近于數(shù)學(xué)而不是文學(xué),音樂確實(shí)很像數(shù)學(xué)思想與數(shù)學(xué)關(guān)系!彼⒁鈱ⅰ跋駭(shù)學(xué)思想的東西”溶入他的音樂作品之中。

音樂為何悅耳、調(diào)和、美呢?可否說出一些道理?

  

田野中昆蟲啁啾的鳴叫,枝頭鳥兒清脆的叫聲,《牧笛》優(yōu)美動(dòng)聽的旋律,貝多芬令人振奮的交響曲……,你當(dāng)沉浸在這些美妙的音樂中時(shí),你是否想到了它們與數(shù)學(xué)有著密切的聯(lián)系呢?

人們對數(shù)學(xué)與音樂之間聯(lián)系的研究和認(rèn)識(shí),可以說源遠(yuǎn)流長。相信音樂的背后有數(shù)學(xué)規(guī)律可循,并且努力去追尋出音律,是公元前5、6世紀(jì)最著名的畢達(dá)哥拉斯學(xué)派。而中國古代的“三分損益法” 就是通過數(shù)學(xué)運(yùn)算研究音律的方法。人們常用的樂譜也是數(shù)學(xué)在音樂上應(yīng)用得最為顯著的地方之一。

一 音律背后的比例和分?jǐn)?shù)乘法

音的高低由弦振動(dòng)的頻率決定。如何定出音律,即定出音階:

C D E F G A B C
do re mi fa sol la si do

的頻率比?這是音樂的根本問題。

1.畢達(dá)哥拉斯琴弦律

畢達(dá)哥拉斯發(fā)現(xiàn)音律有一段美麗的故事。有一天畢達(dá)哥拉斯偶然經(jīng)過一家打鐵店門口,被鐵錘打鐵的有節(jié)奏的悅耳聲音所吸引。他感到很驚奇,于是走入店中觀察研究。他發(fā)現(xiàn)有四個(gè)鐵錘的重量比恰為12:9:8:6,將兩個(gè)兩個(gè)一組來敲打都發(fā)出和諧的聲音,分別是:12:6=2:1的一組,12:8=9:6=3:2的一組,12:9=8:6=4:3的一組。畢達(dá)哥拉斯進(jìn)一步用單弦琴做實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證,參見圖2。對于固定張力的弦,利用可自由滑動(dòng)的琴馬來調(diào)節(jié)弦的長度,一面彈,一面聽。

 

畢達(dá)哥拉斯經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn),終于初步發(fā)現(xiàn)了音樂的奧秘,歸結(jié)出畢達(dá)哥拉斯的琴弦律:

(1)當(dāng)兩個(gè)音的弦長成為簡單整數(shù)比時(shí),同時(shí)或連續(xù)彈奏,所發(fā)出的聲音是和諧悅耳的;

(2)兩音弦長之比為4:3,3:2及2:1時(shí),是和諧的,并且音程分別為四度、五度及八度。

也就是說,如果兩根繃得一樣緊的弦的長度之比是 2 : 1, 同時(shí)或連續(xù)彈奏,就會(huì)發(fā)出相差八度的諧音; 而如果兩條弦的長度的比是 3 : 2時(shí), 就會(huì)發(fā)出另一種諧音,短弦發(fā)出的音比長弦發(fā)出的音高五度; 等等。

物理學(xué)家伽利略(1564-1642)發(fā)現(xiàn)弦振動(dòng)的頻率跟弦長成反比。因此,我們可以將畢達(dá)哥拉斯所采用的“弦長”改為“頻率”來定一個(gè)音的高低。從而畢達(dá)哥拉斯的發(fā)現(xiàn)就是:兩音的頻率比為1:2,2:3及3:4時(shí),分別相差八度、五度及四度音。例如,頻率為200與300的兩音恰好相差五度音。
   單弦琴

畢達(dá)哥拉斯音律是弦長的簡單整數(shù)比。聲音透過一些簡單而固定的比例,形成令人喜悅的和諧音樂,這就是一種特別的數(shù)學(xué)表現(xiàn)。不僅如此,和諧的比例還貫穿于整個(gè)藝術(shù)、大自然和人生之中。畢達(dá)哥拉斯的門徒們相信星球距離地球也成簡單整數(shù)比,它們繞地球運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)出美妙的球體音樂。

二 樂譜上的分?jǐn)?shù)

在樂譜中, 我們可以找到拍號(hào)、 單純音符、附點(diǎn)音符等,莫不與分?jǐn)?shù)息息相關(guān)。譜寫樂曲要使音符適合于每音節(jié)的拍子數(shù),這實(shí)質(zhì)是分?jǐn)?shù)求和的過程——在一個(gè)固定的拍子里,不同時(shí)值的音符必須使它湊成一個(gè)特定的節(jié)拍。

在每一首樂曲的開頭部分,我們總能看到一個(gè)分?jǐn)?shù),比如4/4,3/4 ,或6/8等,這些分?jǐn)?shù)是用來表示不同拍子的符號(hào),即拍號(hào)。其中分?jǐn)?shù)的分子表示每小節(jié)中單位拍的數(shù)目,分母表示以幾分音符為一拍。如 ,4/4表示以四分音符為一拍,每小節(jié)4拍。拍號(hào)一旦確定,那么每小節(jié)內(nèi)的音符就要遵循由拍號(hào)所確定的拍數(shù),這可以通過數(shù)學(xué)中的分?jǐn)?shù)加法法則來檢驗(yàn)。比如,就符合由拍號(hào)4/4和3/4分別所確定的拍數(shù)。因?yàn)?/2+1/4+1/4=4/4,1/2+1/8+1/8=3/4; 而不符合由拍號(hào)4/4和3/4分別所確定的拍數(shù),因?yàn)?nbsp; 1/16+1/2+(1/4+1/8)=15/16≠4/4,1/8+1/2=5/8≠3/4。這些看似簡單的要求正是音樂作曲的基礎(chǔ)。

 

對樂聲本質(zhì)的研究,在19世紀(jì)法國數(shù)學(xué)家傅立葉的著作中達(dá)到了頂峰。他證明了所有的樂聲——不管是器樂還是聲樂——都能用數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述,它們是一些簡單的正弦周期函數(shù)的和。每種聲音都有三種品質(zhì):音調(diào)、音量和音色,并以此與其他的樂聲相區(qū)別。

傅立葉的發(fā)現(xiàn),使人們可以將聲音的三種品質(zhì)通過圖解加以描述并區(qū)分。音調(diào)與曲線的頻率有關(guān),音量與曲線的振幅有關(guān),而音色則與周期函數(shù)的形狀有關(guān)。

很少有人既通曉數(shù)學(xué)又通曉音樂,這使得把計(jì)算機(jī)用于合成音樂及樂器設(shè)計(jì)等方面難于成功。數(shù)學(xué)的發(fā)現(xiàn),即周期函數(shù),是現(xiàn)代樂器設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)音響設(shè)計(jì)的精髓。

 

許多樂器的制造都是把它們產(chǎn)生的聲音的圖象,與這些樂器理想聲音的圖象相比較然后加以改進(jìn)的。電子音樂的創(chuàng)作也跟周期圖象緊密聯(lián)系著的。音樂家和數(shù)學(xué)家們將在音樂的創(chuàng)作與再創(chuàng)作方面,繼續(xù)擔(dān)任著同等重要的角色。

事實(shí)上,隨著對數(shù)學(xué)與音樂關(guān)系之認(rèn)識(shí)的不斷加深,以數(shù)學(xué)計(jì)算代替作曲,已成為現(xiàn)代作曲家的一種創(chuàng)作方式。創(chuàng)作樂曲乃是將作曲的過程公式化,把音程、節(jié)奏、音色等素材都編成數(shù)碼,然后按照需求發(fā)出指令,以計(jì)算器的功能進(jìn)行選擇,再將其結(jié)果編寫成樂曲并演奏出來。在音樂理論、音樂作曲、音樂合成、電子音樂制作等等方面,都需要數(shù)學(xué)。在音樂界,有一些數(shù)學(xué)素養(yǎng)很好的音樂家為音樂的發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)。所以,對音樂表演和創(chuàng)造有愛好或特長的學(xué)生如果能學(xué)好數(shù)學(xué),必然能更好地為從事音樂事業(yè)作知識(shí)預(yù)備。