題:
從數學上講,是否可以創造出與間隔比率匹配的相等氣質?
ZenBerry
2020-04-08 19:30:22 UTC
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我已經編寫了一個Python應用程序,該程序可以讓我們在八度音程中具有任意數量的半音,以便嘗試微調音樂。我想問問是否有可能創造出這樣一種平等的氣質,而這種氣質只會匹配間隔比率?

https://en.wikipedia.org/wiki/Equal_temperament#/media/File :Equal_Temper_w_limits.svg

如上圖所示,有9種不同的相等氣質,而72-tet僅比12-tet的間隔比更接近匹配。在數學上是否可以將八度音階劃分為與間隔比率完全匹配的方式?例如100 tet,150 tet等?在此先感謝!

匹配遠遠超出人耳的界限以區分差異是微不足道的。我希望這足以滿足您的意圖:-)
如果您忽略聲學乾擾,那麼@CarlWitthoft可能是正確的,但如果您不忽略聲學乾擾,則它會變得不那麼瑣碎。
五 答案:
ggcg
2020-04-08 19:54:01 UTC
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根據定義,這是不可能的。

正義的語調比率是有理數,N / M,其中N,M是整數。

相等的氣質基於將最小比率定義為2、2的第n個根^(1 / n)。對於12TET n =12。

您基本上要問的是,是否可以使無理數精確地匹配整數比。

由於您正在使用計算機和代碼,因此您可能知道2 ^ 1/12不能以有限的精度用二進製表示。這在該領域提出了一個更有趣的問題。真正的問題是,您是否可以在s / w中生成相等的回火調整,使其僅在一定的誤差容限內匹配?對此的答案可能是肯定的,但純粹主義者會認為近似值並非真正相等!實用主義者會意識到,無論我們多麼努力,我們都無法確保對樂器進行調音,使f(n + 1/2)/ f(n)= 2 ^(1/12)成為問題。最後,在某些時候,人耳無法分辨出差異,因為我們的耳+腦系統的分辨率存在物理限制。

如果您願意追踪人類分辨率的極限並考慮計算機算術中的有限精度,那麼您可能能夠生成一個近似的“ TET”算法,該算法可為您提供兩種頻率均正的在人體音高辨別極限之內,並且在一定的誤差容限之內。那是你所希望的最好的。

我建議通過刪除短語“按定義”(這是不可能的,但不能按定義)並明確解釋2的第n個根始終是無理數這一事實來改進此答案。如果有人不知道2的第n個根始終是不合理的,就讀了這個答案,我認為這個答案對他們來說不太可能。 (對於以前的評論,我深表歉意;我的態度太苛刻了。)
我理解這個問題是在問“真”相等的氣質,但是每個八度音階中有n個半音而不是12個半音。為此,您不僅要證明2 ^(1/12)是非理性的,而且要證明2 ^(m / n)對於所有n> 1和所有1 <= m
其他所有評論怎麼了?沒有理由將其刪除!這個答案似乎吸引了巨魔。 “根據定義”階段不是指數學中的定義,而是調諧系統本身的定義。我也不是,我也從未聲稱過您專注於數學。我正在解釋為什麼兩個調整系統無法對齊,並且在該解釋中使用了已知的事實而不是數學。
我們中的任何人都可以參考數學課本以獲取更多詳細信息,但是在此處引出論題或複制證明並不能增加解釋。至於不知道2的第n個根是不合理的閱讀,對於某些人來說這可能是新信息。您是否真的認為如果讀者從未聽說過無理數或2的第n個根表示這樣的事實,您會理解相同的證明?那可能沒有幫助。我認為你們都誤解了OP的含義和答案。
phoog
2020-04-09 00:10:03 UTC
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其他答案是通過除以八度並表明相等的除法必須是非理性的來解決的。另一種看待這種情況的方式是考慮是否可以通過有理數的連續乘法來組成八度音階。結果當然是相同的:我們不能。

算術基本定理開始:

每個大於1的整數要么是素數本身,要么可以表示為素數的乘積,而且這種表示是唯一的,直到(除)因子的順序為止。

因此,我們需要定義不可約分數

每個有理數都可能以不可約分數a / b唯一表示,其中a和b是互素數整數,並且b> 0。

兩個數字在沒有素數因子共同的情況下是“ coprime”。因此,有理數可以表示為素數集(具有指數),該素數定義了其唯一的不可約表達式。例如, 81:64 可以表示為 3 4 sup> * 2 −6 sup> 。當您乘以比率時,您要添加其主要因子的指數。因此 3:2 5:4 的乘積( 2 −1 sup> * 3 1 sup> 2 −2 sup> * 5 1 sup> )是 2 −3 sup> * 3 1 sup> * 5 1 sup> 15:8

您正在尋找均等的比率R將一個八度音階劃分為N個部分,這意味著R N sup>等於2。我們可以確定這樣的比率嗎?

經典的例子是完美的第五個例子,比率為3:2。通過將該比率提高到一定的冪,通過乘以2或乘以2的冪來調整八度,可以找到其他間隔。例如,主要秒數可以是9:8,即(3:2) 2 sup> / 2。主要的三分之一可以是81:64,即(3:2) 4 sup> / 4。要生成五分之一圈中的所有音高,請保持相乘。回到C(有些作者將其稱為B♯)時,最終音高比開始時的音高稍高七個八度。這兩個頻率之比為3 12 sup>:2 12 sup>。由於素數分解包括3且非零指數,所以不能精確地達到相同的音調等級。

通過概括,我們可以證明每個都一樣>比率R本身不是2的冪。(如果R是2的冪,則您定義了一個單音相等的氣質,該系統中只有一個音調等級,並且基音間隔是八度音階或與之無關的倍數,這與使用2的第一個根除以倍頻程相同,當然是2。)

考慮比率R與至少一個素數P不相等到2。就像完美五分之一的例子一樣,每次將頻率乘以R,結果頻率中P指數的大小就會大於原始頻率。目的是獲得一個結果,其中P的指數為零,但每次相乘會使我們離該結果更遠。因此,這是不可能的。

當然,關於均等氣質的事情之一是2 7/12 sup>是如此接近1.5,以至於五分之一的完美五分之一在大多數情況下都接近於純淨。從比率的角度來看,這是因為3 ^ 12(531,441)的值與2 ^ 19(524,288)相當接近。您可能會通過尋找在數值上近似於2的冪的數字來找到體面的近似值。選擇了N,以使N的2的根的某個冪的值接近1.25(正整數三分之比)。如果您對其他間隔感興趣,則可以嘗試使用N的值來找到該間隔的近似值。在八度音程中,該系統對人類音樂家沒有用。它只會對計算機有用。如果您正在研究像可變音調只是準音的近似系統,那麼程序員(或程序)將不得不選擇使用幾個音符中的哪一個。在53音相等的氣質中,整個步幅可以是8/53或9/53倍八度。在可變音高的正調中,整個步驟可以是10:9的比例或9:8的比例。這基本上是相同的問題。為什麼不對計算機進行編程以使其使用可變音高正調?

儘管這很有趣,但是它如何解決這個問題。您似乎在批評將八度音階劃分為相等步長的假設,然後使用這些非理性的事實來說明與Just的比較不起作用。但這實際上是TET調整系統的定義(不是)嗎?首先假設不是,我們還能獲得更多的信息?還是到達那裡的另一種方式。
@ggcg我並不是在批評將八度音階等分的決定。我證明這些步驟不能定義為比率。該問題詢問是否有可能在合理的地方建立ET調整系統。其他答案通過詢問均等劃分是否合理來解決這個問題。這個答案問比率是否可以定義相等的除法。 “首先……假設我們沒有得到什麼?”:證明兩件事不能共存的一種方法是假設它們確實存在並形成邏輯矛盾。 “或者這是到達那裡的另一種方式”:是的。
例如,以@ggcg為例,經典的證明二的平方根是非理性的就是假設它是有理數,然後證明其不可約分的分數表示必須同時具有偶數作為分子和分母。但是,這意味著分子和分母不是互質的,這意味著分數實際上不是不可約的,這與假設相反,證明了該假設是錯誤的。在這種情況下,我們假設存在一個八度的有理等分,然後表明它不存在。
這很有趣,但對於討論來說不是必需的,我們可以使用我們所知道的知識來討論這兩個系統之間的不匹配,而無需證明或反證有關它們的已知事實。事實是2的第n個根是不合理的,tet系統將2的第n個根作為步長的比率。從那裡開始。
如果您已經知道2的第N個根是不合理的,則為@ggcg,是的(其中N大於1)。但是,如果您知道您可能不會問這個問題。
不確定是真的。知道某件事是非理性的並不意味著您知道關於理性的所有其他事實,甚至不知道正義語調的基本定義。
在實踐中,使用53。
@EricDuminil畢達哥拉斯五分之二的比率是“ 3 ** 12/2 ** 12”,略大於七個八度音階。畢達哥拉斯逗號“ 3 ** 12/2 ** 19”是音高比稍高七個八度音階與音高正好比七個八度音階之間的比率。這個答案的敘述描述了前者。
@Rob我更喜歡使用有理區間。當您不使用鍵盤時,將八度音等分的意義何在? (而且,如果您對八度有53個分度,我敢說您沒有使用鍵盤。)
當長時間嘗試使用精確的Just Intonation時,@phoog達到了53的最佳近似值。這是對2 ^ a * 3 ^ b * 5 ^ c的極好的近似。 (5個限制)。我當時在iPad上使用了完全沒有品格的樂器,可以在其中進行任何形式的動態音調。它是如此接近,以至於我可以將屏幕繪製為精確的5極限並在同一像素內。
@Rob我正在研究一種僅計算語調比的工具。我可以插入不同的氣質。當我將53-TET放入其中時,確實確實接近語調,但是我能聽到區別。此外,僅調整音調更容易計算:為一個和弦選擇正確的53-TET音高,我必須計算出正確的比率,然後四捨五入到53-TET。 (但是我說的是調整現有的少於12個音調類的音樂;也許您正在談論撰寫新音樂。)
guidot
2020-04-08 19:38:56 UTC
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據我所知,這是純粹的數學:

不,這是不可能的。不管有多少個除法,例如n,步長將始終是2的n個根,因此是一個無理數。

正義關係是有理數,因此總會有近似值,您選擇的越多,我e。 n越高,您越接近。

但是請注意,在物理世界中,用有限精度的數字表示(無論是否使用計算機)都不可能實現。我們一直在這樣做:我們使用羅盤繪製圓,然後繪製並構建矩形。我們還可以將鋼琴調至所需的任何非理性間隔,以達到執行和測量精度的極限(在我們的模擬世界中,對於所有實際目的而言,本質上是無限的)。
確實是@Peter-ReinstateMonica。這使我想起了將1/3表示為小數的可能性。我認為“這意味著不可能將其他任何東西精確地劃分為三分之二”。然後我立即意識到,如果將三分之二的東西乘以三的倍數,則可以將它精確地三分之二。但是,當然,測量的精度不是“無限”的,因此總會有合理的值(實際上是無限的)接近理論上的無理值,以致無法區分。
-1
@Peter-ReinstateMonica很好。但是從理論上講,有可能使用接近2的12根的分數,以至於幾乎無法區分。我想知道時間測量的最大精度意味著跳動率的範圍是多少。
@Peter-ReinstateMonica看起來像原子鐘的精度在440 Hz時允許大約6000萬年的跳動週期。
Milo Brandt
2020-04-09 20:53:39 UTC
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您甚至無法獲得五分之一和八度音階完美的相等氣質系統*。這僅僅是因為,如果您有一個相等步長的系統,其中一個八度音階是 A 個步長,而第十二個音階是 B 個步長,則可以認為 > B 個八度音階等於 A 個十二度音階,因為兩個間隔都是 AB 個步幅。但這不可能發生:只有十二分之一的比例是3:1,八度是2:1。如果堆疊一個間隔的倍數,則將其比率提高至冪-但3的正冪都不等於2的冪,因為3的冪都是奇數,2的冪都是偶數。這種推理基本上適用於所有間隔對-兩個有理數共享冪是一個非常特殊的屬性。

否則,說:第五個等於log(1.5)/ log(2)八度音階(大約。 585),並且此數字不能表示為整數比。但是,您可以嘗試通過有理數來近似它-例如,使用收斂數到該比率(在某種意義上,它是給定最大分母的最佳近似值),將會得到以下比值的近似序列:

0 / 1、1 / 1、1 / 2、3 / 5、7 / 12、24 / 41、31 / 53、179 / 306, ...

將數字7/12解釋為意味著12TET中的五分之一約為7音-當然,這是一個熟悉的事實。這些特定的分母將比其他具有相似大分母的分數做得好得多,例如近似於五分之一-例如7/12每2000僅減少約3份-這遠好於log(1.5)/ log的近似值(2)通過四捨五入至最接近的百分位數:0.58,儘管使用分母100的後者近似為58/100。每20000的近似值31/53僅減少約1份,這對於分母僅為53的近似值來說是相當不錯的。

當然,要說出突然想要除五分之一和八度之外的比率以及它們的組合會發生什麼會很難說-如果您只想八度,五分之一和三分之二,您將搜索分母(步數) ),使得log(3)/ log(2)(對於第十二個)和log(5)/ log(2)(對於大三等分+兩個八度)都接近於具有該分母的分數-這在數學上並不像

(**儘管您可以以多種相等的步長擴展到多個維度,例如 Tonnetz同構鍵盤恰好表示了這一點,其中一個維度的步長為完美的五分之一,而其他主要三分之一的步距也沿著另一個方嚮導致次要的三分之二。這樣的鍵盤線性特性,因為現在您要處理兩個比例-儘管您可以可以想像添加第三個軸!)

Aoeuid
2020-04-10 00:21:05 UTC
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其他答案很好地證明了為什麼不可能存在非平凡的精確解決方案。為了完整起見,我會注意到有一個簡單的解決方案,儘管在音樂上不是特別有用-每八度一個音符。所有音高的比率都相差約2的冪,該冪總是2的整數,因此“正好”,這很簡單,因為只允許一個音高等級。

這非常令人困惑。您似乎在說,這種關係與調優系統無關。 “所有音高之比相差某個二的冪”是不正確的。
如果您在每個八度音階中有一個音符(1-TET),如我的回答,則此關係確實成立,我的主張是正確的。你會有例如A440之後緊跟著A880,A1760等。不允許間隔小於八度。採取任何一組音高,它們的確會相差一定數量的八度音階-因此,為2的冪。
現在我明白了平凡的情況多麼微不足道。您並不是說,例如,一組{A,G}的所有音符及其八度音階具有整數比率,但是每個集合都是單調{A}或{G}以及所有八度音階,例如[{A}]。是的,一切都一樣。單調。
我的回答提到了微不足道的情況。


該問答將自動從英語翻譯而來。原始內容可在stackexchange上找到,我們感謝它分發的cc by-sa 4.0許可。
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