音樂背后的數(shù)學

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上音樂背后的數(shù)學張慧芳(教育部北師大課程中心數(shù)學工作室)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。”他特意將“像數(shù)學思想的東西”溶入他的音樂作品之中。音樂為何悅耳、調和、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？人們對數(shù)學與音樂

2、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，這在歷史上最早且最著名的當推畢達哥拉斯學派（約公元前5-6世紀）。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：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（筆者在家鄉(xiāng)小城鎮(zhèn)曾見識過打鐵店，現(xiàn)在已不多見了）。他感到很驚奇，于是走入店中觀察研究

3、，參見圖1。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節(jié)弦的長度，一面彈，一面聽。畢達哥拉斯經過反復的試驗，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

4、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。圖1圖2 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

5、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。開普勒（1571-1630）從音樂長久為人所尊敬的神奇比例中，發(fā)現(xiàn)天上行星運行的規(guī)則：從太陽的位置觀察，土星在近日點時，是以每天 135 秒速度移動一個弧度距離，在遠日點則只需 106 秒，這兩個數(shù)字之比約為 5：4，恰等于產生大三度音程的兩根弦的振動比例；而木星會產生一個小三度音程；火星則是完全五度音程。這樣，每個星球似乎都會產生一個音樂上的比例數(shù)字。博伊西斯（475-524）則將和諧分為三個等級：最初級的是樂器的音樂，包括歌唱及樂器演奏出來的音樂；其次是人類的音樂，講究

6、身體與靈魂的調和、平衡與恰當?shù)谋壤?；最完美的調和是世界的音樂，包括行星的井然有序之運行、元素的適當比例混合、四季的循環(huán)以及大自然、宇宙的和諧。2、“三分損益法”定音階定音階的頻率比就是要在1與2之間插入六個簡單整數(shù)比：，并使其中含有四度音及五度音。畢達哥拉斯通過單弦琴的實驗，調整弦的長度成特定整數(shù)比，就能夠產生全部的音階，即畢達哥拉斯音律的頻率比如下：事實上，畢達哥拉斯音律可以采用“三分損益法”（又叫 “管子法”）。公元前4世紀，管子一書的地圓篇記載有此法。所謂“三分損益法”就是交互使用了“三分損一法”（即去掉三分之一的長）以及“三分益一法”（即將所剩在增加三分之一的長）。即為：由一個音出發(fā)，

7、其頻率為1，“三分損一法”就是1乘以（長度之比的倒數(shù)），“三分益一法”就是將乘以，如此交互相生，得到由小排到大就得到所謂的“五聲音階”再補上及第四音就得到畢達哥拉斯音階(或叫七音音階)：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 ,或等, 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，

8、每小節(jié)4拍。拍號一旦確定,那么每小節(jié)內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。比如和就符合由拍號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;而和不符合由拍號4/4和3/4分別所確定的拍數(shù)，因為1/16+1/2+(1/4+1/8)=15/164/4,1/8+1/2=5/83/4。這些看似簡單的要求正是音樂作曲的基礎。（劉衛(wèi)鋒、王尚志，2005：20）關于識讀樂譜，義務教育音樂課程標準（實驗稿）中3-6年級的教學目標提出：“結合所學歌曲認識音名、音符、休止符及一些常用記號。”并且在教學建議中提到“樂譜是記載音樂的符號，是學習音樂的基本工具。要求學生具有一定的識譜能力，有利于進行音樂表演和創(chuàng)造等教學活動?！币虼?，學生學習了一定的樂譜基礎知識，那么其背后的數(shù)學也是能夠引導學生領略到的。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。除了上述數(shù)學與音律、樂譜的明顯聯(lián)系外, 音樂還與指數(shù)、 曲線、