数学与音乐

数学与音乐

在这一轮课程改革中,“数学与文化”成为了数学和数学教育工作者最为关注的问题之一.实际上,在很长一段时间内,许多数学和数学教育工作者已经在思考和研究这个问题,在即将推行的“高中数学课程标准”中,明确的要求把“数学文化”贯穿高中课程的始终.对于涉及“数学文化”的一系列理论问题,应该承认还没有讨论得很清楚,还有很多的争论,例如,很多学者对“数学文化”这个说法也有疑义,我们认为这是很正常的.对这些问题的研究,我们建议从两个方面同时进行,一方面进行理论上的研究;另一方面,积极地开发一些“数学与文化”的实例,案例,课例,探索如何将“数学文化”渗透到课堂教学中,如何让学生从“数学文化”中提高数学素养,在此基础上再进行一些理论上的思考,从实践到理论,做一些实证研究.下面是我们提供的一个实例———数学与音乐,也可以看作一个素材,很希望工作在一线的教师能作进一步的开发,能使这样的素材以不同的形式进入课堂或课外活动.我们也希望有更多的人来开发这样的素材,并希望这些素材能出现在教材中.

在数学课程标准的研制过程中,我们结识了一些音乐界的专家,他们给我们讲述了很多音乐和数学的联系,数学在音乐中的应用,他们特别强调,在计算机和信息技术飞速发展的今天,音乐和数学的联系更加密切,在音乐理论、音乐作曲、音乐合成、电子音乐制作等等方面,都需要数学.他们还告诉我们,在音乐界,有一些数学素养很好的音乐家为音乐的发展做出了重要的贡献.他们和我们都希望有志于音乐事业的同学们学好数学,因为在将来的音乐事业中,数学将起着非常重要的作用.

《梁祝》优美动听的旋律《,十面埋伏》的铮铮琵琶声,贝多芬令人激动的交响曲,田野中昆虫啁啾的鸣叫……当沉浸在这些美妙的音乐中时,你是否想到了它们与数学有着密切的联系?

其实,人们对数学与音乐之间联系的研究和认识可以说源远流长.这最早可以追溯到公元前六世纪,当时毕达哥拉斯学派用比率将数学与音乐联系起来[1].他们不仅认识到所拨琴弦产生的声音与琴弦的长度有着密切的关系,从而发现了和声与整数之间的关系,而且还发现谐声是由长度成整数比的同样绷紧的弦发出的.于是,毕达哥拉斯音阶(thePythagorean Scale)和调音理论诞生了 ,而且在西方音乐界占据了统治地位.虽然

托勒密(C. Ptolemy ,约100—165年)对毕达哥拉斯音阶的缺点进行了改造 ,得出了较为理想的纯律音阶(the Just Scale)及相应的调音理论 ,但是毕达哥拉斯音阶和调音理论的这种统治地位直到十二平均律音阶(the temperedScale)及相应的调音理论出现才被彻底动摇.在我国,最早产生的完备的律学理论是三分损益律,时间大约在春秋中期《,管子.地员篇》和《吕氏春秋.音律篇》中分别有述;明代朱载(1536 - 1610)在其音乐著作《律学新说》对十二平均律的计算方法作了概述,在《律吕精义 ?内篇》中对十二平均律理论作了论述,并把十二平均律计算的十分精确,与当今的十二平均律完全相同,这在世界上属于首次.由此可见,在古代,音乐的发展就与数学紧密地联系在了一起.从那时起到现在,随着数学和音乐的不断发展,人们对它们之间关系的理解和认识也在不断地加深.

感觉的音乐中处处闪现着理性的数学.

乐谱的书写离不开数学.

如今人们记录音乐最常用的方法是简谱和五线谱,它们都与数学有密切的联系.简谱不正是用阿拉伯数字 1、2、3、4、5、6、7来表示 do、Re、Mi、Fa、Sol、La、Si 的吗 ?难怪有人开玩笑说 ,学音乐要上达到 8.为什么呢 ?因为阿拉伯数字 8在五线谱中也发挥着重要的作用,它常常在器乐谱中以或的面目出现,这就是移动八度记号.如果标记在五线谱的上方,那么虚线内的音符要移高一个八度演奏,而标记在五线谱的下方,显然虚线内的音符要移低一个八度演奏.另外还要下达到0,因为在简谱中 0表示休止符.再看简谱和五线谱上,一般都会出现

这样的标记 ,这种标记就是用来表示音乐进行的快慢的,即音乐的速度.比如,132就表示以四分音符为单位拍,每分钟 132拍.此外,在每一首乐曲的开头部分,我们总能看到一个分数,比如,2/ 4、3/ 4、3/ 8、6/ 8等,这些分数是用来表示不同拍子的符号,即是音乐中的拍号(the TimeSignature) ,其中分数的分子表示每小节单位拍的数目,分母表示单位拍的音符时值,即表示以几分音符为一拍.拍号一旦确定,那么每小节内的音符就要遵循由拍号所确定的拍数,这可以通过数学中的分数

加法法则来检验.比如,和就符合由拍号4/ 4和3/ 4分别所确定的拍数,因为1/ 2 +1/ 4 +1/ 4 = 4/ 4,1/ 2 +1/ 8 + 1/ 8 = 3/ 4;而又因为1/ 16 + 1/ 2 + (1/ 4 + 1/ 8)= 15/ 16≠ 4/ 4 ,1/ 8 + 1/ 2 = 5/ 8≠ 3/ 4 ,所以不符合由拍号4/ 4和3/ 4分别所确定的拍数.这些看似简单的要求正是音乐作曲的基础.

钢琴键盘上的数学.

看一下乐器之王———钢琴的键盘吧,其上也恰好与斐波那契数列有关.我们知道在钢琴的键盘上,从一个 C键到下一个 C键就是音乐中的一个八度音程(如图1) .其中共包括13个键,有8个白键和5个黑键 ,而 5个黑键分成 2组 ,一组有 2个黑键 ,一组有3个黑键.2、3、5、8、13恰好就是著名的斐波那契数列中的前几个数.

音乐中的等比数列.

如果说斐波那契数在钢琴键上的出现是一种巧合,那么等比数列在音乐中的出现就决非偶然了: 1、2、3、4、5、6、7、i等音阶就是利用等比数列规定的.再来看图1,显

然这个八度音程被黑键和白键分成了12个半音,并且我们知道下一个 C键发出乐音的振动次数(即频率)是第一个 C键振动次数的 2倍,因为用2来分割,所以这个划分是按照等比数列而作出的.我们容易求出分割比 x ,显然 x满足 x12= 2 ,解这个方程可得 x是个无理数 ,大约是 1106.于是我们说某个半音的音高是那个音的音高的1106倍 ,而全音的音高是那个音的音高 11062倍.实际上,在吉它中也存在着同样的等比数列[3].

音乐中的数学变换.

数学中存在着平移变换,音乐中是否也存在着平移变换呢 ?我们可以通过图 2的两个音乐小节[2]来寻找答案.显然可以把第一个小节中的音符平移到第二个小节中去,就出现了音乐中的平移,这实际上就是音乐中的反复.把图 2的两个音节移到直角坐标系中,那么就表现为图 3.显然,这正是数学中的平移.我们知道作曲者创作音乐作品的目的在于想淋漓尽致地抒发自己内心情感,可是内心情感的抒发是通过整个乐曲来表达的,并在主题处得到升华,而音乐的主题有时正是以某种形式的反复出现的.比如,图 4就是西方乐曲 When the Saints GoMarching In的主题[2] ,显然 ,这首乐曲的主题就可以看作是通过平移得到的.

如果我们把五线谱中的一条适当的横线作为时间轴(横轴 x) ,与时间轴垂直的直线作为音高轴(纵轴y) ,那么我们就在五线谱中建立了时间 -音高的平面直角坐标系.于是,图 4中一系列的反复或者平移,就可以用函数, ,近似地表示出来[2] ,如图 5所示,