當(dāng)音樂(lè)擁抱數(shù)學(xué)（上）

你可能曾為巴赫鋼琴曲的壯麗而震撼，為肖邦圓舞曲的清新優(yōu)雅而沉醉，為柴可夫斯基樂(lè)章的悲壯與深情而感嘆，也會(huì)為貝多芬交響樂(lè)的激情澎湃而心旌搖曳。

你一定也曾驚嘆過(guò)數(shù)學(xué)的縝密邏輯，那些巧妙的定理，簡(jiǎn)潔或復(fù)雜的公式，這其中都揭示著某種深刻的規(guī)律。數(shù)學(xué)如此抽象，有時(shí)候難免讓人產(chǎn)生迷惑，但卻也激發(fā)了人們一探究竟的樂(lè)趣。

那么，充滿激情與幻想的音樂(lè)和強(qiáng)調(diào)理性與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)之間，有什么關(guān)系呢？音樂(lè)中是否蘊(yùn)含著數(shù)學(xué)知識(shí)，音樂(lè)的和諧柔美是否也隱藏著數(shù)學(xué)的奧秘呢？

?畢達(dá)哥拉斯素描像。畢達(dá)哥拉斯是古希臘著名的哲學(xué)家和數(shù)學(xué)家，他認(rèn)為“萬(wàn)物皆數(shù)”“數(shù)是萬(wàn)物的本質(zhì)”，是“存在由之構(gòu)成的原則”，而整個(gè)宇宙是數(shù)及其關(guān)系的和諧體系（繪圖/朱宇彤）

畢達(dá)哥拉斯的思考：

五度相生律

“do， re， mi……”隨著這幾個(gè)簡(jiǎn)單的音節(jié)，我們開(kāi)始了人生的第一堂音樂(lè)課，數(shù)字簡(jiǎn)譜以1、2、3、4、5、6、7代表音階中的7個(gè)基本音階，讀音為do、re、mi、fa、sol、la、si，休止以0表示。提到數(shù)學(xué)與音樂(lè)的關(guān)系，我們所能想到的第一個(gè)有關(guān)音樂(lè)與數(shù)學(xué)的結(jié)合，也許就是這7個(gè)基本音階了。但你可曾想過(guò)，這些音階是按照什么規(guī)律排列的呢？

讓我們回到2500年前，追隨大名鼎鼎的古希臘數(shù)學(xué)家畢達(dá)哥拉斯的腳步，看看他是怎么解答的吧。

據(jù)說(shuō)，畢達(dá)哥拉斯曾在散步時(shí)路過(guò)一家鐵匠鋪，鐵匠鋪里傳出的叮叮當(dāng)當(dāng)?shù)那脫袈曃怂淖⒁?，他走進(jìn)去，發(fā)現(xiàn)這些美妙的聲音原來(lái)是源于鐵錘和鐵砧的大小不一，故而發(fā)出的聲音也不同，這同時(shí)也激發(fā)了他的思考。那么，這些音樂(lè)的和諧與什么有關(guān)呢？眾所周知，畢達(dá)哥拉斯開(kāi)創(chuàng)了自己的數(shù)學(xué)學(xué)派，該學(xué)派信奉數(shù)是萬(wàn)物的起源，因此宇宙和諧的基礎(chǔ)應(yīng)當(dāng)是完美的數(shù)的比例，而音樂(lè)之所以給人以美的感受，很大程度上是因它有著一種和諧。在這種意識(shí)的啟發(fā)下，畢達(dá)哥拉斯用不同的樂(lè)器做了許多的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)聲音與發(fā)聲體體積有著一定的比例關(guān)系。而后，他又在琴弦上做了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)只要按比例劃分一根振動(dòng)著的弦，就可以產(chǎn)生悅耳的音程，而它們彼此間是存在著比例關(guān)系的。

那么，這個(gè)比例是什么呢，能不能通過(guò)數(shù)學(xué)的方法計(jì)算出來(lái)？畢達(dá)哥拉斯又進(jìn)一步進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)更多的實(shí)驗(yàn)和推算，畢達(dá)哥拉斯發(fā)現(xiàn)，當(dāng)弦長(zhǎng)比分別為2∶1、3∶2、4∶3時(shí)，發(fā)出的音律最為和諧。這就是我們后來(lái)所使用的“五度相生律”。

那么，為何弦長(zhǎng)符合這些比例時(shí)，我們會(huì)覺(jué)得音樂(lè)和諧悅耳呢？

眾所周知，聲音是由振動(dòng)產(chǎn)生的，但音的頻率是按照等差數(shù)列排列的，同一根弦，其有效弦長(zhǎng)與發(fā)音頻率成反比關(guān)系。因此，當(dāng)撥動(dòng)一根弦時(shí)，其各等分點(diǎn)為界的弦也在各自振動(dòng)，因而會(huì)產(chǎn)生一系列的音，我們將這些音稱作第一泛音、第二泛音、第三泛音……而這些音之間，某些分界點(diǎn)產(chǎn)生的音連接起來(lái)會(huì)顯得特別優(yōu)美，我們可以說(shuō)這些是泛音列中占優(yōu)勢(shì)的音程關(guān)系。而按照畢達(dá)哥拉斯的發(fā)現(xiàn)，這些純音程的頻率之比都是最簡(jiǎn)單的自然整數(shù)比。

?畢達(dá)哥拉斯當(dāng)年做測(cè)試時(shí)用的很可能就是豎琴。豎琴是一種大型撥弦樂(lè)器，可以認(rèn)為它是一切古典式弦琴的起源。它所發(fā)出的音色空靈純凈，清澈動(dòng)聽(tīng)，作為和聲伴奏極具感染力，而獨(dú)奏時(shí)又能演繹柔和優(yōu)美的抒情片段 （繪圖/朱宇彤）

美的東西，總是簡(jiǎn)單而和諧。依據(jù)五度相生律產(chǎn)生的基礎(chǔ)音階構(gòu)成的旋律，按照任意的方式組合，都有各自的美感，而將全部半音階推算出來(lái)后，旋律的緊張度和動(dòng)力性會(huì)得到增強(qiáng)，更能產(chǎn)生旋律之間動(dòng)態(tài)的美感和張力。所以自然界需要和諧，音樂(lè)也需要和諧。

中國(guó)先賢的探索：

三分損益律

德國(guó)著名數(shù)學(xué)家萊布尼茨曾說(shuō)過(guò)：“音樂(lè)是一種無(wú)意識(shí)的數(shù)學(xué)演算……就它的基礎(chǔ)來(lái)說(shuō)，是數(shù)學(xué)的，就它的出現(xiàn)來(lái)說(shuō)，是直覺(jué)的，音樂(lè)是心靈的算術(shù)練習(xí)，心靈在聽(tīng)音樂(lè)時(shí)計(jì)算著自己而不知?！笨梢?jiàn)，音樂(lè)和數(shù)學(xué)是有著內(nèi)在聯(lián)系的。不僅外國(guó)的先哲有如此發(fā)現(xiàn)，我國(guó)古代著名的思想家管仲（管子）也曾認(rèn)識(shí)到數(shù)學(xué)與音樂(lè)的關(guān)系。管仲不僅是政治家、軍事家和思想家，還有著很高的音樂(lè)修養(yǎng)，被后人稱為我國(guó)“音律學(xué)之祖”。

《管子·地員篇》里曾記載到：“凡將起五音，凡首，先主一而三之，四開(kāi)以合九九，以是生黃鐘小素之首，以成宮。三分而益之以一，為百有八，為徵。不無(wú)有三分而去其乘，適足以生商。有三分而復(fù)干其所，以是生羽。有三分去其乘，適足以是成角?！边@篇文章中記載的宮、商、角、徵、羽就是我國(guó)古代的五音階。

那么，管仲又是如何確定宮、商、角、徵、羽這五音階的呢？他首先將一個(gè)弦的長(zhǎng)度定為基音，而后將它三等分，增加一份（益一）或去掉一份（損一），就可以定出另一個(gè)音律的長(zhǎng)度，以此類推，直到獲得比基音高出一倍或低一半的音，最后就可以得到五音階。這種樂(lè)理又被后人稱為“三分損益律”。三分損益律是我國(guó)古代音樂(lè)的重要成就，為我國(guó)古代的音樂(lè)發(fā)展史做出了很大的貢獻(xiàn)。

用這種方法產(chǎn)生的律，被稱為“純律”。純律各音之間有最小的整數(shù)比關(guān)系，因此人們覺(jué)得純律的音色聽(tīng)起來(lái)最為純凈。如今，純律主要在無(wú)伴奏的合唱中使用，人們一般認(rèn)為中國(guó)的古琴應(yīng)用了純律。從中我們也可以看出，只有當(dāng)兩音的音程關(guān)系符合泛音列中占優(yōu)勢(shì)的音程關(guān)系時(shí)，才會(huì)使人感到音樂(lè)的美妙。音樂(lè)能夠反映出作為宇宙本質(zhì)的數(shù)理關(guān)系，能夠體現(xiàn)作為宇宙根本規(guī)律的和諧。

五度相生律和三分損益律在生律法原則上是一致的，它們生律的結(jié)果也是相同的，由此可見(jiàn)，無(wú)論是東方還是西方，先哲們都從悠揚(yáng)的樂(lè)聲中認(rèn)識(shí)到了數(shù)學(xué)的存在，他們發(fā)現(xiàn)的數(shù)學(xué)規(guī)律，也間接地促進(jìn)了音樂(lè)的發(fā)展。

“樂(lè)器之王”鋼琴是一種鍵盤樂(lè)器，發(fā)源于歐洲，至今已有三百多年的歷史。鋼琴曲大多運(yùn)用和弦，彈奏出來(lái)的曲子悅耳且不單調(diào)（繪圖/王江山）

完美樂(lè)音的秘密：

和弦

我們都曾聽(tīng)過(guò)電子音，也曾聽(tīng)過(guò)鋼琴曲，為何前者顯得單調(diào)，而后者卻顯得那么悅耳呢？

這就是和弦理論產(chǎn)生的差異。在音樂(lè)中，如果有兩個(gè)以上的音同時(shí)發(fā)聲就會(huì)達(dá)到和聲效果，三個(gè)或三個(gè)以上的音按三度疊置就構(gòu)成了和弦。和弦會(huì)使音樂(lè)更具生動(dòng)性和感染力，比單一的音符要好聽(tīng)得多，鋼琴曲大多運(yùn)用和弦，這也就是鋼琴曲比電子音更悅耳的秘密。

那么，為何和弦會(huì)有這種神奇的效果呢？

三個(gè)音按三度音程疊置成為各種和弦，其中三和弦是最常用的和聲素材。在這我們還要了解一下音程。其含義是表示音調(diào)間不同的距離，如果音調(diào)按不同音程關(guān)系由低至高順序排列，就構(gòu)成不同“調(diào)式”的音階。比如任意取一個(gè)音為調(diào)式主音，記為第一音，那么它的高八度音也是調(diào)式主音。音調(diào)每相差八度，可以在其間按等比等分成十二份，即十二個(gè)半音，每?jī)蓚€(gè)半音可以構(gòu)成一個(gè)全音，一個(gè)全音加上一個(gè)半音被稱為小三度，而兩個(gè)全音則構(gòu)成大三度，以此類推。許多曲目中都應(yīng)用大三和弦，就是在一個(gè)大三度上疊置一個(gè)小三度，而小三和弦就是小三度再疊置一個(gè)大三度。

讓我們來(lái)看看標(biāo)準(zhǔn)音的音頻頻率圖：

C1：264Hz d1：297Hz

e1：330Hz f1：352Hz

g1：396Hz a1：440Hz

b1：495Hz C2：528Hz

然后，我們也可以計(jì)算一下音程的頻率比：

純一度即c1：c1=264：264=1：1

純八度即c1：c2=264：528=1：2

純五度即c1：g1=264：396=2：3

純四度即c1：f1=264：352=3：4

大三度即c1：e1=264：330=4：5

小三度即a1：c2=440：528=5：6

大六度即c1：a1=264：440=3：5

小六度即e1：c2=330：528=5：6

大二度即c1：d1=264：297=8：9

從上面的列表中我們可以看出：音程關(guān)系越和諧，頻率比的數(shù)字就越小，在實(shí)際生活中，人們也普遍認(rèn)為大三和弦比小三和弦更加和諧動(dòng)聽(tīng)。這是因?yàn)榇笕拖业娜齻€(gè)音的頻率比為4∶5∶6，而小三和弦的三個(gè)頻率比是10∶12∶15，顯然前者的比值更接近小整數(shù)比。而當(dāng)兩個(gè)音或幾個(gè)音的頻率比更小時(shí)， 它們的諧波就有更多重合的地方，因此如果它們?cè)谝黄鸢l(fā)聲，人們就會(huì)覺(jué)得越和諧。反過(guò)來(lái)，頻率比越來(lái)越大，協(xié)和程度就越來(lái)越差，音樂(lè)聽(tīng)起來(lái)也不夠優(yōu)美和諧。所以，準(zhǔn)確地使用數(shù)學(xué)原理，可以幫助我們找到音階之間最佳的匹配方式，得到最動(dòng)聽(tīng)的琴音。讀者朋友們不妨試一試！

?中國(guó)古琴。古琴是中國(guó)古老的彈撥樂(lè)器之一，有文字可考的歷史就有四千余年，古琴的聲音非常獨(dú)特，它的樂(lè)聲安靜悠遠(yuǎn)。“靜”可以說(shuō)是琴音的最大特點(diǎn)，因此其琴音也被稱為“太古之音”“天地之音”（繪圖/朱宇彤）

音樂(lè)是數(shù)學(xué)在靈魂中無(wú)意識(shí)的運(yùn)算

音樂(lè)是人類靈魂的酣暢釋放，是感性思維中最唯美的表達(dá);數(shù)學(xué)是以數(shù)字為基本符號(hào)的排列組合，是理性思維最深刻的表現(xiàn)。然而在更抽象的層次，二者之間存在著緊密的聯(lián)系。正如萊布尼茨的名言所說(shuō)：“音樂(lè)是數(shù)學(xué)在靈魂中無(wú)意識(shí)的運(yùn)算?！币魳?lè)正如有情緒的數(shù)學(xué)，而數(shù)學(xué)則像最純粹的音樂(lè)，樂(lè)音激蕩，而數(shù)字翩躚，音樂(lè)與數(shù)學(xué)恰似人類心智開(kāi)出的兩朵玫瑰。就讓我們沉醉其中，縱情感受它們的魅力吧！