数学与音乐

数学与音乐

难道不可以把音乐描述为感觉的数学，把数学描述为理智的音乐吗？──J．J．西尔威斯特

数学与音乐与计算是分不开的，人们想到数学，想到数学家，说到陈景润与“哥德巴赫猜想”，都会自然想到计算，甚至觉得数学家简单到只需一只笔和一堆纸就可以工作。那么，数学计算对于科学发展有多大意义呢？音乐也需要数学计算吗？若干世纪以来，音乐和数学一直被联系在一起。在中世纪时期，算术、几何、天文和音乐都包括在教育课程之中。今天的新式计算机正在使这条纽带绵延不断。

有学者认为：西方音乐，在其发生之初便与数学有着不容忽视的血缘关系。这种血缘关系可以上溯到毕达哥拉斯时代，毕达哥拉斯认为“数”是世界万物的本源、根基。即使现有的音阶序列——五度音程或八度音程——也更多是出于推理而不完全是人耳分辨的纯粹“自然”的结果。也就是说音乐是社会的产物，与科技发展有着密切关系。人在成其为人之后，其发声不可能自然地形成五度或八度音程，最初的人的发声，同其他动物声音一样，是简单的。正如鲁迅所说，最早的音乐是“吭唷吭唷”派。由于推理和计算，形成了五度、八度音程，就西方来说，在最早的键盘乐器上得以体。在中国古代，则体现为多弦乐器上不同的弦及弦的不同部位或最早的打孔乐器不同的孔表示不同的音高。又由于西方音乐发展过程中逐渐把键盘乐器摆在“霸主”地位，这或许由于教堂管风琴的影响。使得键盘乐器同人声与弦乐器之间总存在着难以弥合的音差，比如键盘乐器就无法表达出弦乐器揉弦的声音。这给调音带来麻烦，于是不得不迁就钢琴，在有钢琴参与的演奏中，所有乐器的调音是以钢琴为准的。因为钢琴统领着一切乐器，是乐器之王，其形体也是个庞然大物。

键盘乐器每个音之间的音差，不是人耳自然分辨的结果，而是一种数学计算和推理。被小提琴大师梅纽因万分佩服的巴赫的赋格曲和平均律音阶，正是西方严肃音乐中所有基本逻辑和数学般严密的音响推理的集中体现。巴赫的48首十二平均律钢琴曲，实际上是数学计算得出的数据所显示的声音和谐，音乐的和谐与美感体现是的数字的和谐与美感。这种数学的或数字的关系，到勋伯格发展到了极端化——12音体系——也由听音乐产生美感转变为看乐谱看到美感，因而勋伯格的音乐也就排斥了普通人。乐谱的书写是表现数学对音乐的影响的第一个显著的领域。在乐稿上，我们看到速度、节拍（4／4拍、3／4拍，等等）、全音符、二分音符、四分音符、八分音符、十六分音符，等等。书写乐谱时确定每小节内的某分音符数，与求公分母的过程相似──不同长度的音符必须与某一节拍所规定的小节相适应。作曲家创作的音乐是在书写出的乐谱的严密结构中非常美丽而又毫不费力地融为一体的。如果将一件完成了的作品加以分析，可见每一小节都使用不同长度的音符构成规定的拍数。

除了数学与乐谱的明显关系外，音乐还与比率、指数曲线、周期函数和计算机科学相联系。毕达哥拉斯学派（公元前585～前400）是最先用比率将音乐与数学联系起来的。他们认识到拨动琴弦所产生的声音与琴弦长度有关，从而发现了和声与整数的关系。他们还发现谐声是由长度成整数比的同样绷紧的弦发出的──事实上被拨弦的每一和谐组合可表示

成整数比。按整数比增加弦的长度，能产生整个音阶。例如，从产生音符C的弦开始，C的16／15长度给出B，C的6／5长度给出A，C的4／3长度给出G，C的3／2长度给出F，C 的8／5长度给出E，C的16／9长度给出D，C的2／1长度给出低音C。

你是否曾对大型钢琴为何制作成那种形状表示过疑问？实际上许多乐器的形状和结构与各种数学概念有关。指数函数和指数曲线就是这样的概念。指数曲线由具有y＝k x形式的

方程描述，式中k＞0。一个例子是y＝2x。它的坐标图如下。

图表 1 图表2

不管是弦乐器还是由空气柱发声的管乐器，它们的结构都反映出一条指数曲线的形状。

19世纪数学家约翰·傅里叶的工作使乐声性质的研究达到顶点。他证明所有乐声──器乐和声乐──都可用数学式来描述，这些数学式是简单的周期正弦函数的和。每一个声音有三个性质，即音高、音量和音质，将它与其他乐声区别开来。傅里叶的发现使声音的这三个性质可以在图形上清楚地表示出来。音高与曲线的频率有关，音量和音质分别与周期函数（周期函数即以等长区间重复着形状的函数）的振幅和形状有关。

图表3

如果不了解音乐的数学，在计算机对于音乐创作和乐器设计的应用方面就不可能有进展。数学发现，具体地说即周期函数，在乐器的现代设计和声控计算机的设计方面是必不可少的。许多乐器制造者把他们的产品的周期声音曲线与这些乐器的理想曲线相比较。电子音乐复制的保真度也与周期曲线密切相关。音乐家和数学家将继续在音乐的产生和复制方面发挥同等重要的作用。

听音乐多了，有时想到音乐艺术中不仅有八度音程，更有那么多不同的音区、调式，难道是人类与生俱来的？感觉不像，于是很长时间里多少在这方面有所思考。可是我忽然又想到：“速度就是内容”这话不错，快与慢，往往表达着完全不同的情感。可是婚礼进行曲与哀乐，却都是慢速度的，为什么表达的情感去完全不同呢？想了想，我明白了：人们由于生活和情感表达的需要，也要有慢速度演奏的音乐表达庄重、喜悦、和谐、幸福等等，但人们聪明就在于把速度降下来的，却把节拍改变了，所以那些慢速度表达喜悦、喜庆之类情感的音乐，都是3/4拍的，这样，无论演奏快慢，都不会影响所表达的情感。这难道又是一种数学关系？