從數學角度探尋音樂的規(guī)律——以《獻給愛麗絲》為例

1、從數學角度探尋音樂的規(guī)律以獻給愛麗絲為例摘要：長久以來，大部分人對音樂的認識僅僅是停留在聽覺上面，即旋律與音高，但是讓我們撥開她的面紗，卻發(fā)現如此感性的東西當中竟然蘊藏著如此之多的理性數學。音樂的出現伴隨著數學，人們常說節(jié)奏是音樂的靈魂，可節(jié)奏不就是一種數學嗎？我們有時候說這首音樂聽起來真是完美極了，可這個世界上又什么東西是完美的，唯有數學，不同的組合，不同的序列，演藝出不同的音樂。關鍵詞：數學；萌芽；拍號；鍵盤；等比數列；變換；高潮；時間我們以獻給愛麗絲這首鋼琴曲為例，簡單的介紹一下音樂之中蘊藏的數學。 一、音樂中數學的萌芽相傳畢達哥拉斯路過一家鐵匠鋪時，在“鏗鏗鏘鏘”的打鐵聲音的啟發(fā)之下進

2、行了許多試驗，試圖尋找樂器發(fā)出更加協(xié)調、動聽的聲音的規(guī)律。經過多次地觀察與反復地比較，他終于發(fā)現三弦琴發(fā)聲的協(xié)調性與琴上三根弦的長度有著密切聯系，三根弦的長度比例為3: 4: 6 時最為適合。根據這項發(fā)現，畢達哥拉斯探索并完善了音樂數，如1: 2 產生八度，2: 3 產生五度，3: 4 產生四度等等。他發(fā)現每根振動著的弦只要按音樂數的比例劃分，就可以產生不同的音程。這和鐵匠鋪里的打鐵的聲音高低是隨著鐵錘的大小和敲擊力度的輕重變化而變化的原理一樣。后來，他繼而發(fā)現聲音在質上的差別如聲音的長短、高低、強弱等等是由發(fā)音體數量的差別而產生差別的。被撥動琴弦的每一組和諧組合都可以記為整數的比例，按照比例

3、增加弦的長度就能產生音階。如從產生音高C的弦開始，C 的16 /15 長度給出B，C 的6 /5 長度給出A，C 的4 /3 長度給出G，C 的3 /2 長度給出F，C 的8 /5 長度給出E，C的16 /9 長度給出D，C 的2 /1 長度給出低音C。由此他得出結論: 音樂能夠反映出的作為宇宙本質的數理關系，能夠體現作為宇宙根本規(guī)律的“和諧”。 二、拍號中的數學在每一首樂曲的開頭部分， 我們總能看到一個分數，比如，2/ 4 、3/ 4 、3/ 8 、6/ 8 等，這些分數是用來表示不同拍子的符號， 即是音樂中的拍號，其中分數的分子表示每小節(jié)單位拍的數目，分母表示單位拍的音符時值， 即表示以幾

4、分音符為一拍。 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， 這可以通過數學中的分數加法法則來檢驗。我們節(jié)選獻給愛麗絲的某些片段，獻給愛麗絲這首曲子的拍號是3/4拍，我們可以看到第一小節(jié)由6個八分音符組成，即6×（1/8）=3/4，同樣，下面的小結2×（1/8）+1/2=3/4，原來每首曲子的拍號并不是憑空加上去的，而是根據每小結音符的拍值計算上去的。 三、鍵盤上的數學 圖一如圖一所示，我們知道在鋼琴的鍵盤上，從一個C 鍵到下一個C 鍵就是音樂中的一個度音程(如圖1) 。 其中共包括13 個鍵，有8 個白鍵和5 個黑鍵，而5 個黑鍵分成2 組，一組有2 個

5、黑鍵，一組有3 個黑鍵。 2 、3 、5 、8 、13 恰好就是著名的斐波那契數列中的前幾個數。 四、音樂中的等比數列如果說斐波那契數在鋼琴鍵上的出現是一種巧合， 那么等比數列在音樂中的出現就決非偶然了: 1 、2 、3 、4 、5 、6 、7 、i 等音階就是利用等比數列規(guī)定的。 再來看圖一，顯然這個八度音程被黑鍵和白鍵分成了12 個半音，并且我們知道下一個C鍵發(fā)出樂音的振動次數(即頻率) 是第一個C 鍵振動次數的2倍，因為用2 來分割，所以這個劃分是按照等比數列而作出的。 我們容易求出分割比x ， 顯然x 滿足x12= 2 ，解這個方程可得x 是個無理數， 大約是1.06。于是我們說某個半

6、音的音高是那個音的音高的1.06 倍，而全音的音高是那個音的音高1.06平方倍。 實際上，在吉它中也存在著同樣的等比數列。 五、音樂中的平移變換平移是一種簡單的數學計算或者形式，那么在音樂中是否也存在這樣的平移呢？讓我們在先給愛麗絲這首鋼琴曲中尋找一下，看看是否有他們的身影。、，其中箭頭的方向為音符的平移方向，我們可以看出，第一幅圖中的音符經歷了向右向上平移，第二幅圖中的音符經歷了向右向下平移。六、音樂中的反射變換同樣以獻給愛麗絲為例，在曲譜中不難找出像這樣的對稱音符。音樂是我們感情表達的工具，其實讓我們仔細想一下，數學中的平移給我們更多的感覺是一種相同信號的輸出，就像我們高興時連續(xù)不斷的大笑

7、，或者悲傷時連續(xù)不斷的哭泣一樣。同樣，對稱給我們的感覺是平衡，就像我們情緒的上升和下降，比如大笑之后，小聲逐漸消失，直至趨于原始的平靜狀態(tài)。 七、獻給愛麗絲高潮位置的數學計算0.6 18 是蘇聯音樂理論家對數以千計的各種體裁。結構的器樂作品的高潮位置分析側定的結果。 x 表示主體結構的小節(jié)數(曲式的附屬部分一般不計算在內) G 代表高潮所在的小節(jié)位。在小型曲式的器樂作品中， 高潮所處的小節(jié)位置一般比較明顯， 稱為高湘點， 有時只在一兩小節(jié)之間。如舒柏特的蘇格蘭娜曲 是一首方整性的單二部曲式， 全曲共16 小節(jié)， 四二拍子， A、B 兩樂段均為八小節(jié)并結束在主調(G 大調) 上。第九小節(jié)至第十小

8、節(jié)之間出現了離調(到e 小側)， 調式、調性及寫法上與人樂段形成了對比。 力度上用sf 加強。伴奏聲部的音區(qū)提高， 增加了明亮的色彩。 通過以上的分析， 可得出: 高潮的位置在第九小節(jié)與第十小節(jié)之間。 可以運用以下公式來驗證：G=0.618×n（小結總數）我們以獻給愛麗絲為例，獻給愛麗絲一共有105小結，根據公式計算，我們可以得知獻給愛麗絲這首曲子的高潮位置大約在65小結左右，根據樂譜我們也可以看出，65小結左右確實為這首曲子的高潮部分。 八、計算樂曲時間根據作品所指示的速度并按照這個速度在較準確的時間范圍內去表現樂思， 對于每位演唱者、演奏者、音樂指導及音樂教師來說尤為重耍。 如何

9、計算音樂作品的約略時長? 如何估計一場音樂會的演出時間? 如何運用這個“尺度” 檢查學習者的演唱或演奏的時間是否符合作品的要求? 是我們在排練或教學中時常遇到的一些麻煩問題。根據公式我們就可以計算出樂曲的演奏實踐，假設我們以的速度演奏曲目，m=3，x=105，s=90，我們可以算出SH=3。5，也就是3。5分鐘。音樂的各個方面都與數學緊密的聯系在一起，數學體現著這個世界上某些事物的本質，音樂體現著完美，而數學正是完美的代表，讓我們在聆聽優(yōu)美音樂的同時，一起來感受數學所給我們帶來的震撼吧。參考文獻：劉衛(wèi)鋒，王尚志。數學與音樂。首都師范大學數學系，2005劉丹，張乃堯。清華大學自動化系。模糊數學在音樂特征描述中的應