Введение

Взаимоотношения между музыкой и математикой В ней математика используется для изучения элементов музыки, таких как темпо, аккордная прогрессия, форма и метры. Попытка структурировать и передать новые способы композиции и прослушивания музыки привела к музыкальным применениям теории множеств, абстрактной алгебры и теории чисел. Хотя теория музыки не имеет аксиоматического основания в современной математике, основа музыкального звука может быть описана математически (с использованием акустики) и демонстрирует "замечательный массив числовых свойств".

История

Хотя древние китайцы, индийцы, египтяне и месопотамцы, как известно, изучали математические принципы звука, пифагорейцы (в частности Филолай и Архитас) древней Греции были первыми исследователями, которые, как известно, исследовали выражение музыкальных шкал с точки зрения числовых соотношений, особенно соотношений небольших целых чисел. Их основной доктриной было то, что "вся природа состоит из гармонии, возникающей из числа". Со времен Платона гармония считалась фундаментальной отраслью физики, теперь известной как музыкальная акустика. Ранние индийские и китайские теоретики демонстрируют схожие подходы: все стремились показать, что математические законы гармоник и ритмов были фундаментальными не только для нашего понимания мира, но и для благополучия человека. Конфуций, как и Пифагор, считал маленькие числа 1,2,3,4 источником всего совершенства.

Время, ритм и метры

Без границ ритмической структуры фундаментальное равное и регулярное расположение повторения импульса, акцента, фразы и продолжительности музыки было бы невозможно. Современное музыкальное использование таких терминов, как метр и мера, также отражает историческую важность музыки, наряду с астрономией, в развитии счета, арифметики и точного измерения времени и периодичности, которое является фундаментальным для физики. Элементы музыкальной формы часто строят строгие пропорции или гиперметрические структуры (силы чисел 2 и 3).

Музыкальная форма

Музыкальная форма - это план, по которому продлевается короткий музыкальный отрывок. Термин "план" также используется в архитектуре, с которой часто сравнивают музыкальную форму. Как и архитектор, композитор должен учитывать предназначение произведения и имеющиеся средства, экономить и использовать повторяемость и порядок. Общие типы формы, известные как бинарные и тройные ("двойные" и "тройные"), еще раз демонстрируют важность небольших интегральных значений для понимания и привлекательности музыки.

Системы тюнинга

Существует две основные семейства систем настройки: равномерный темперамент и просто настройка. Равномерные темпераментные шкалы строятся путем деления октавы на интервалы, которые равны по логарифмической шкале, что приводит к идеально равномерно разделенным шкалам, но с соотношениями частот, которые являются иррациональными числами. Просто масштабы построены путем умножения частот на рациональные числа, что приводит к простым соотношениям между частотами, но с неравномерным разделением масштаба. Одно из основных различий между настройками с равным темпераментом и настройками с справедливым настроением - это различия в акустическом ритме, когда две ноты звучат вместе, что влияет на субъективное ощущение согласия и диссонанса. Обе эти системы, и подавляющее большинство музыки в целом, имеют шкалы, которые повторяются в интервале каждой октавы, что определяется как частотное соотношение 2:1. Другими словами, каждый раз, когда частота удваивается, данная шкала повторяется. Ниже приведены файлы Ogg Vorbis, демонстрирующие разницу между правильной интонацией и равномерным темпераментом. Возможно, вам придется несколько раз проигрывать образцы, прежде чем вы сможете обнаружить разницу. Две синусоидные волны, воспроизводимые последовательно, этот образец имеет половину шага при 550 Гц (С в шкале справедливой интонации), за которым следует полшага при 554,37 Гц (С в шкале равной температуры). Те же две ноты, настраиваемые на педаль А440 этот образец состоит из "диада". Нижняя нота - это постоянная А (440 Гц в любой шкале), верхняя нота - это С в равной температурной шкале для первого 1 ", а С в шкале справедливой интонации для последнего 1 ". Различия фаз позволяют легче обнаружить переход, чем в предыдущей выборке.

Равные темпераментные настройки

При равной темпераменте октава делится на равные части по логарифмической шкале. Хотя можно построить равнотемпераментную шкалу с любым количеством нот (например, 24-тонная арабская система тонов), наиболее распространенным числом является 12, которое составляет равнотемпераментную хроматическую шкалу. В западной музыке обычно предполагается разделение на двенадцать интервалов, если не указано иное. Для хроматической шкалы октава разделена на двенадцать равных частей, каждый полутон (полуступень) является интервалом двенадцатого корня из двух, так что двенадцать из этих равных полуступеней составляют ровно октаву. При использовании фретов очень полезно использовать равномерный темперамент, чтобы фреты были равномерно выравниваются по струнам. В европейской музыкальной традиции равный темперамент использовался для музыки на лютье и гитаре гораздо раньше, чем для других инструментов, таких как музыкальные клавиатуры. Из-за этой исторической силы, двенадцатитонный равнотонный темперамент является доминирующей системой интонации в западном и большинстве не-западных стран. Использовались равномерно закаленные весы и инструменты, построенные с использованием различных других чисел равных интервалов. 19 равных темпераментов, впервые предложенных и использованных Гийом Костели в 16 веке, используют 19 одинаково расставленных тонов, предлагая лучшие основные трети и гораздо лучшие второстепенные трети, чем обычные 12 полутонов равных темпераментов за счет более плоской пятой. Общий эффект - более сильный. Двадцать четыре равных темперамента с двадцать четырьмя одинаково расставленными тонами широко распространены в педагогике и нотации арабской музыки. Однако, в теории и практике, интонация арабской музыки соответствует рациональным соотношениям, в отличие от иррациональных соотношений одинаково сдержанных систем. В то время как в арабских интонационных системах отсутствует какой-либо аналог равномерно темпераментированной четверти тона, часто встречаются аналоги трех четвертей тона или нейтральной секунды. Эти нейтральные секунды, однако, немного различаются в своих соотношениях в зависимости от макама, а также от географии. Действительно, арабский историк музыки Хабиб Хасан Тума писал, что "широта отклонений в этом музыкальном шаге является важнейшим компонентом особого вкуса арабской музыки. Если бы мы разделили октаву на 24 четверти тона, то потеряли бы один из самых характерных элементов этой музыкальной культуры". Трансформационная теория - это раздел теории музыки, разработанный Дэвидом Левином. Теория позволяет большую общность, потому что она подчеркивает преобразования между музыкальными объектами, а не сами музыкальные объекты. Теоретики также предложили музыкальные приложения более сложных алгебраических концепций. Теория регулярных темпераментов была широко разработана с помощью широкого спектра сложной математики, например, путем ассоциирования каждого регулярного темперамента с рациональной точкой на грассманнианском. Хроматическая шкала имеет свободное и транзитивное действие циклической группы, действие которой определяется посредством транспонирования нот. Таким образом, хроматическая шкала может рассматриваться как тосор для группы.

Номера и серии

Некоторые композиторы включили в свои произведения золотое сечение и числа Фибоначчи.

Теория категорий

Математик и музыковед Геррино Маццола использовал теорию категорий (теорию топосов) в качестве основы теории музыки, которая включает в себя использование топологии в качестве основы теории ритма и мотивов, а дифференциальная геометрия в качестве основы теории музыкальной фразы, темпа и интонации.