音樂背后的數(shù)學

數(shù)學家萊布尼茲(Leibniz,1646-1716)說:“音樂是一種隱藏的算術練習,透過潛意識的心靈跟數(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)學而不是文學,音樂確實很像數(shù)學思想與數(shù)學關系!彼⒁鈱ⅰ跋駭(shù)學思想的東西”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)美動聽的旋律,貝多芬令人振奮的交響曲……,你當沉浸在這些美妙的音樂中時,你是否想到了它們與數(shù)學有著密切的聯(lián)系呢?

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

一 音律背后的比例和分數(shù)乘法

音的高低由弦振動的頻率決定。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.畢達哥拉斯琴弦律

畢達哥拉斯發(fā)現(xiàn)音律有一段美麗的故事。有一天畢達哥拉斯偶然經(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)有四個鐵錘的重量比恰為12:9:8:6,將兩個兩個一組來敲打都發(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。畢達哥拉斯進一步用單弦琴做實驗加以驗證,參見圖2。對于固定張力的弦,利用可自由滑動的琴馬來調(diào)節(jié)弦的長度,一面彈,一面聽。

 

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

(1)當兩個音的弦長成為簡單整數(shù)比時,同時或連續(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,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, 同時或連續(xù)彈奏,就會發(fā)出相差八度的諧音; 而如果兩條弦的長度的比是 3 : 2時, 就會發(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。

物理學家伽利略(1564-1642)發(fā)現(xiàn)弦振動的頻率跟弦長成反比。因此,我們可以將畢達哥拉斯所采用的“弦長”改為“頻率”來定一個音的高低。從而畢達哥拉斯的發(fā)現(xiàn)就是:兩音的頻率比為1:2,2:3及3:4時,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)學表現(xiàn)。不僅如此,和諧的比例還貫穿于整個藝術、大自然和人生之中。畢達哥拉斯的門徒們相信星球距離地球也成簡單整數(shù)比,它們繞地球運行時會發(fā)出美妙的球體音樂。

二 樂譜上的分數(shù)

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

在每一首樂曲的開頭部分,我們總能看到一個分數(shù),比如4/4,3/4 ,或6/8等,這些分數(shù)是用來表示不同拍子的符號,即拍號。其中分數(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。拍號一旦確定,那么每小節(jié)內(nèi)的音符就要遵循由拍號所確定的拍數(shù),這可以通過數(shù)學中的分數(shù)加法法則來檢驗。比如,就符合由拍號4/4和3/4分別所確定的拍數(shù)。因為1/2+1/4+1/4=4/4,1/2+1/8+1/8=3/4; 而不符合由拍號4/4和3/4分別所確定的拍數(shù),因為  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。

 

對樂聲本質(zhì)的研究,在19世紀法國數(shù)學家傅立葉的著作中達到了頂峰。他證明了所有的樂聲——不管是器樂還是聲樂——都能用數(shù)學表達式來描述,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,音量與曲線的振幅有關,而音色則與周期函數(shù)的形狀有關。

很少有人既通曉數(shù)學又通曉音樂,這使得把計算機用于合成音樂及樂器設計等方面難于成功。數(shù)學的發(fā)現(xiàn),即周期函數(shù),是現(xiàn)代樂器設計和計算機音響設計的精髓。

 

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)學家們將在音樂的創(chuàng)作與再創(chuàng)作方面,繼續(xù)擔任著同等重要的角色。

事實上,隨著對數(shù)學與音樂關系之認識的不斷加深,以數(shù)學計算代替作曲,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,以計算器的功能進行選擇,再將其結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。在音樂界,有一些數(shù)學素養(yǎng)很好的音樂家為音樂的發(fā)展做出了重要的貢獻。所以,對音樂表演和創(chuàng)造有愛好或特長的學生如果能學好數(shù)學,必然能更好地為從事音樂事業(yè)作知識預備。