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<h5>음계의 구성과 수학</h5>
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==음계의 구성과 수학==
  
 
아래는 소리의 진동수의 비율. 현을 튕겨서 소리를 낸다면, 현의 길이의 비라고 생각해도 됩니다.
 
아래는 소리의 진동수의 비율. 현을 튕겨서 소리를 낸다면, 현의 길이의 비라고 생각해도 됩니다.
  
* 으뜸음 tonic 
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* 으뜸음 tonic
 
* octave 2:1
 
* octave 2:1
 
* fifth 3:2
 
* fifth 3:2
 
* fourth 4:3
 
* fourth 4:3
 
* 8음계에서 일렬로 배열했을때의 순서
 
* 8음계에서 일렬로 배열했을때의 순서
* 옥타브의 비율은 2:1 즉 12:6<br> 산술평균을 취하여 새 음을 만들면 9<br> 9:6 은 fifth<br> 12:9 는 fourth<br> 조화평균을 취하여 새 음을 만들면 8<br> 8:6 은 fourth<br> 12:8 는 fifth<br>
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* 옥타브의 비율은 2:1 즉 12:6
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* 산술평균을 취하여 새 음을 만들면 9
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* 9:6 은 fifth
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* 12:9 는 fourth
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* 조화평균을 취하여 새 음을 만들면 8
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* 8:6 은 fourth
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* 12:8 는 fifth
  
 
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<h5>12음계와 수학</h5>
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==12음계와 수학==
  
 
뉴턴과 함께 미적분학을 발명해 낸 사람이라고 평가되는 라이프니츠는 음악에 대하여 이렇게 말했다. “Music is the pleasure the human mind experiences from counting without being aware that it is counting.” - 음악은 수를 센다는 것을 의식하지 못한채 수를 세는 것으로부터 즐거움을 준다. 평균율과 순정율에 대해서 간단히 설명한 뒤에, 왜 음이 12개인지에 대한 부분적인 답을 찾아보자.
 
뉴턴과 함께 미적분학을 발명해 낸 사람이라고 평가되는 라이프니츠는 음악에 대하여 이렇게 말했다. “Music is the pleasure the human mind experiences from counting without being aware that it is counting.” - 음악은 수를 센다는 것을 의식하지 못한채 수를 세는 것으로부터 즐거움을 준다. 평균율과 순정율에 대해서 간단히 설명한 뒤에, 왜 음이 12개인지에 대한 부분적인 답을 찾아보자.
  
<br> 음을 수로 다룰수 있게 하는 가장 중요한 사실은 음과 그 진동수의 대응관계로부터 온다. 우리에게 고정된 줄 하나가 있고, 줄의 어떤 부분인가를 누르고 줄을 뜅기면 소리가 난다. 이 누르는 위치를 변화시키면 소리도 변한다. 음이란 이 무한히 많은 줄의 각점과 연속적으로 대응된다. 음은 무한한 영역에 걸쳐져 있다. 즉 음이란 애초에 12개가 아니다. 12개란 어떤 기준에 의해 선택된 것이다.<br> 고정된 줄을 그냥 쳤을 때 나는 음을 일단 C라고 부르자. 간단히 이 때의 진동수를 1이라 하자. 이제 다시 줄의 절반지점을 누르고 뜅겼을 때 나는 음은 C와는 다를 것이다. 이 때의 진동수는 줄의 길이에 반비례해서 2이다. 음은 비록 다르지만 우리에게 주는 느낌은 비슷하다. 즉 ‘도레미’를 한옥타브 높여서 ‘도레미’라 부르면 달라지긴 했지만, 다른것이 아닌 같은것이라고 인지하게 되는 현상이 일어난다. 이 성질이 음의 무한한 영역에 질서를 부여한다. 진동수 1인 음과 진동수 2인음의 관계는 진동수 2인음과 진동수 4인 음의 관계와 같다. 따라서 1과 2사이에 놓여진 수많은 수 중에서 특정한 몇 개를 선택해 낸다면, 같은 비율로서 2와 4사이의 몇 개를 선택할 수 있고, 이 선택된 음들은 한옥타브 높은 동일한 소리들을 내 주게 된다. 이 과정을 반복하면, 끊임없이 옥타브를 높여갈 수 있다.<br> 즉 문제는 1과 2사이를 어떻게 나눌 것인가 하는 것이다. 이 나누는 방법의 차이가 서로 다른 문명의 음악의 차이를 가져왔다.
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음을 수로 다룰수 있게 하는 가장 중요한 사실은 음과 그 진동수의 대응관계로부터 온다. 우리에게 고정된 줄 하나가 있고, 줄의 어떤 부분인가를 누르고 줄을 뜅기면 소리가 난다. 이 누르는 위치를 변화시키면 소리도 변한다. 음이란 이 무한히 많은 줄의 각점과 연속적으로 대응된다. 음은 무한한 영역에 걸쳐져 있다. 즉 음이란 애초에 12개가 아니다. 12개란 어떤 기준에 의해 선택된 것이다.
  
 
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고정된 줄을 그냥 쳤을 때 나는 음을 일단 C라고 부르자. 간단히 이 때의 진동수를 1이라 하자. 이제 다시 줄의 절반지점을 누르고 뜅겼을 때 나는 음은 C와는 다를 것이다. 이 때의 진동수는 줄의 길이에 반비례해서 2이다. 음은 비록 다르지만 우리에게 주는 느낌은 비슷하다. 즉 ‘도레미’를 한옥타브 높여서 ‘도레미’라 부르면 달라지긴 했지만, 다른것이 아닌 같은것이라고 인지하게 되는 현상이 일어난다. 이 성질이 음의 무한한 영역에 질서를 부여한다. 진동수 1인 음과 진동수 2인음의 관계는 진동수 2인음과 진동수 4인 음의 관계와 같다. 따라서 1과 2사이에 놓여진 수많은 수 중에서 특정한 몇 개를 선택해 낸다면, 같은 비율로서 2와 4사이의 몇 개를 선택할 수 있고, 이 선택된 음들은 한옥타브 높은 동일한 소리들을 내 주게 된다. 이 과정을 반복하면, 끊임없이 옥타브를 높여갈 수 있다.
  
1과 2사이의 몇 개의 수를 골라내는 것이 음계를 만들어 내는 것과 동일하다는 사실을 이해했다면, 이제는 그것들을 구체적으로 어떻게 골라낼 것인가에 대해 생각해 볼 때이다.<br> 기준이 되는 음 도와 한 옥타브 올라간 도 그 사이에 놓인 가장 중요한 음은 ‘솔’이다. 이는 솔이 갖는 진동수가 1.5 즉 3/2 이기 때문이다. 도와 솔의 진동수의 비가 간단한 정수비라는 사실은 두 소리가 함께 울릴 때 사람의 귀에 조화롭게 들린다는 것을 의미한다. 음의 조화가 수의 비례에 기초하고 있다는 사실을 피타고라스가 처음 발견했다고 알려지고 있다.<br> 1과 3/2 가 갖는 관계를 3/2과 9/4도 갖게 된다. 그러나 9/4는 2를 넘어선 즉 한옥타브 위의 음이므로 한옥타브 낮추어 9/8을 얻으면 이것이 찾고 있던 새로운 음이 된다. 이것이 ‘레’다. 같은 방법으로 ‘라’가 구성되고, 이런 과정을 반복하여 얻을 음계를 피타고라스 음계라고 한다. 즉 도는 1, 레는 9:8, 미 81:64, 파 4:3 솔 3:2 라 27:16 시 243:128 도 2 의 진동수의 음계이다.<br> 이 외에도 5:4 를 끼워넣어 다른 음계를 구성하는 방법도 있고, 많은 방법이 있는 것으로 알고 있지만, 이러한 방법은 모두 정수비 즉 유리수에 기초하고 있는 음계이다. 간단한 정수비를 기반으로 하는 것은 인간의 귀에 맞는 방법이라 할 수 있을 것이다. 그러나 이러한 방법은, 조가 몇 차례 바뀌어 다시 원래의 조로 돌아왔을 때, 음이 살짝 달라 질수도 있다는 문제는 일으킨다. 따라서 듣기에는 좋을 수 있으나, 연주에 문제가 생긴다.<br> 평균율이란 각 음 사이의 비례를 일정하게 해서 구성한 음계이다. 즉, 12번 곱했을 때 2가 되는 수 즉, r=12√2≒1.0595 가 음사이의 비율이다. r은 무리수이다. 1은 도, r은 도#, r제곱은 레 r세제곱은 레# 이런 식으로 음계를 구성해 나가는 것이다. 그러나 이러한 음계의 솔이 내는 음이 r의 7승 즉 무리수라는 사실 다시 말해, 3/2가 아니라는 사실, 즉 인간의 귀가 듣고 싶어하는 게 아니라는 사실이 바로 문제가 된다.<br> 피아노 연주가는 구원을 얻고 감상자에게는 재앙이 왔는가 ?
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즉 문제는 1과 2사이를 어떻게 나눌 것인가 하는 것이다. 이 나누는 방법의 차이가 서로 다른 문명의 음악의 차이를 가져왔다.
  
 
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이제 12라는 특정한 수가 어디서 기원했는가를 생각해 볼 때이다. 왜 서양음악의 음계는 12음으로 구성되었는가? 이 질문에 제대로 답하는 것은 서양음악의 역사를 거슬러 올라가 문헌을 뒤지는 일로서 할 수 있는 일일 것이나, 여기서는 이제 방향을 틀어 수학으로 간다. 그다지 많이는 어렵지 않으므로, 한번 따라가 보는 것도 괜찮을 것이다.<br> 평균율 음계를 구성한다고 가정하고, r^(n/m) 이라는 표현을 r의 n/m 제곱이라고 이해하자.<br> 음계에 필요한 수를 m 개라 하면, r^m=2 를 만족시켜야 한다. 이는 옥타브를 위해 필요한 식이다. 즉 r = 2^(1/m) 이다.<br> 이 음계의 첫음 즉 도는 1=r^0 이다. 다음은 r^1, 셋째음은 r^2 , … , r^m=2가 될 때, 완전한 한음계를 얻는다. 이제 몇 번 째 음으로 하여금 r^n=3/2 가 만족되도록 할 것인가, 즉, 솔을 얻을 것인가를 생각하자. 그러나 이러한 음계에서는 이미 정확하게 3/2를 얻을 수 없다. r은 언제나 무리수니까, 따라서 3/2에 될 수 있으면 가깝게 가도록 하는 것이 답이다. r^n=2^(n/m) 가 3/2 에 가깝도록 만들어야 한다.<br> 2^(n/m)=3/2 라 가정해 놓고, 적당한 계산을 한다면, n/m=log (3/2) / log 2 를 얻는다. 문제는 이제 log (3/2) / log 2 에 가까운 유리수를 찾는 문제로 바뀌었다.<br> 무리수를 유리수로서 근사시키는 기술, 이것이 수학에 있다. 연분수, continued fraction 이라고 하는 것이 이것이다. 유리수의 분모가 커질수록 무리수에 가깝게 갈 수는 있지만, 연분수의 개념은 이러한 유리수들 중에도 특별히 좋을 성질을 갖는 근사가 있음을 알려준다. 이를 적용해 log (3/2) / log 2 에 가까운 유리수를 찾는 과정에 등장하는 수는 1, 1/2, 3/5 , 7/12 , 24/41 … 이다.<br> n/m=7/12 가 바로 찾던 그 녀석이다. 도,도#,레,레#,미,파,파#,솔 … 7/12 는 12음계의 8번째음이 진동수 3/2 에 가까운 그 음임을 말해준다.<br> 이 방법에 어떤 흥미로운 점을 제공하는 것이 3/5 이 등장한다는 것, 즉 5음계를 구성해도 도와 솔의 관계가 좋다는 것을 보여준다는 점이다. 5음계는 초등학교 때부터 우리에게 친숙한 것이 아니던가.
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1과 2사이의 몇 개의 수를 골라내는 것이 음계를 만들어 내는 것과 동일하다는 사실을 이해했다면, 이제는 그것들을 구체적으로 어떻게 골라낼 것인가에 대해 생각해 볼 때이다.
  
 
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기준이 되는 음 도와 한 옥타브 올라간 도 그 사이에 놓인 가장 중요한 음은 ‘솔’이다. 이는 솔이 갖는 진동수가 1.5 즉 3/2 이기 때문이다. 도와 솔의 진동수의 비가 간단한 정수비라는 사실은 이 두 소리가 함께 울릴 때 사람의 귀에 조화롭게 들린다는 것을 의미한다. 음의 조화가 수의 비례에 기초하고 있다는 사실을 피타고라스가 처음 발견했다고 알려지고 있다.
  
<math>\log_2 3=[1,1,1,2,2,3,1,5,2,\cdots]</math>
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1과 3/2 가 갖는 관계를 3/2과 9/4도 갖게 된다. 그러나 9/4는 2를 넘어선 즉 한옥타브 위의 음이므로 한옥타브 낮추어 9/8을 얻으면 이것이 찾고 있던 새로운 음이 된다. 이것이 ‘레’다. 같은 방법으로 ‘라’가 구성되고, 이런 과정을 반복하여 얻을 음계를 피타고라스 음계라고 한다. 즉 도는 1, 레는 9:8, 미 81:64, 파 4:3 솔 3:2 라 27:16 시 243:128 도 2 의 진동수의 음계이다.
  
 
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이 외에도 5:4 를 끼워넣어 다른 음계를 구성하는 방법도 있고, 많은 방법이 있는 것으로 알고 있지만, 이러한 방법은 모두 정수비 즉 유리수에 기초하고 있는 음계이다. 간단한 정수비를 기반으로 하는 것은 인간의 귀에 맞는 방법이라 할 수 있을 것이다. 그러나 이러한 방법은, 조가 몇 차례 바뀌어 다시 원래의 조로 돌아왔을 때, 음이 살짝 달라 질수도 있다는 문제는 일으킨다. 따라서 듣기에는 좋을 수 있으나, 연주에 문제가 생긴다.
  
 
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평균율이란 각 음 사이의 비례를 일정하게 해서 구성한 음계이다. 즉, 12번 곱했을 때 2가 되는 수 즉, r=12√2≒1.0595 가 음사이의 비율이다. r은 무리수이다. 1은 도, r은 도#, r제곱은 레 r세제곱은 레# 이런 식으로 음계를 구성해 나가는 것이다. 그러나 이러한 음계의 솔이 내는 음이 r의 7승 즉 무리수라는 사실 다시 말해, 3/2가 아니라는 사실, 즉 인간의 귀가 듣고 싶어하는 게 아니라는 사실이 바로 문제가 된다.
  
<h5>음정의 계산</h5>
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피아노 연주가는 구원을 얻고 감상자에게는 재앙이 왔는가 ?
  
 
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이제 12라는 특정한 수가 어디서 기원했는가를 생각해 볼 때이다. 왜 서양음악의 음계는 12음으로 구성되었는가? 이 질문에 제대로 답하는 것은 서양음악의 역사를 거슬러 올라가 문헌을 뒤지는 일로서 할 수 있는 일일 것이나, 여기서는 이제 방향을 틀어 수학으로 간다. 그다지 많이는 어렵지 않으므로, 한번 따라가 보는 것도 괜찮을 것이다.
  
<h5>재미있는 사실</h5>
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평균율 음계를 구성한다고 가정하고, r^(n/m) 이라는 표현을 r의 n/m 제곱이라고 이해하자.
  
 
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음계에 필요한 수를 m 개라 하면, r^m=2 를 만족시켜야 한다. 이는 옥타브를 위해 필요한 식이다. 즉 r = 2^(1/m) 이다.
  
 
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이 음계의 첫음 즉 도는 1=r^0 이다. 다음은 r^1, 셋째음은 r^2 , … , r^m=2가 될 때, 완전한 한음계를 얻는다. 이제 몇 번 째 음으로 하여금 r^n=3/2 가 만족되도록 할 것인가, 즉, 솔을 얻을 것인가를 생각하자. 그러나 이러한 음계에서는 이미 정확하게 3/2를 얻을 수 없다. r은 언제나 무리수니까, 따라서 3/2에 될 수 있으면 가깝게 가도록 하는 것이 답이다. r^n=2^(n/m) 가 3/2 에 가깝도록 만들어야 한다.
  
<h5>관련된 단원</h5>
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2^(n/m)=3/2 라 가정해 놓고, 적당한 계산을 한다면, n/m=log (3/2) / log 2 를 얻는다. 문제는 이제 log (3/2) / log 2 에 가까운 유리수를 찾는 문제로 바뀌었다.
  
 
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무리수를 유리수로서 근사시키는 기술, 이것이 수학에 있다. 연분수, continued fraction 이라고 하는 것이 이것이다. 유리수의 분모가 커질수록 무리수에 가깝게 갈 수는 있지만, 연분수의 개념은 이러한 유리수들 중에도 특별히 좋을 성질을 갖는 근사가 있음을 알려준다. 이를 적용해 log (3/2) / log 2 에 가까운 유리수를 찾는 과정에 등장하는 수는 1, 1/2, 3/5 , 7/12 , 24/41 … 이다.
  
 
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n/m=7/12 가 바로 찾던 그 녀석이다. 도,도#,레,레#,미,파,파#,솔 … 7/12 는 12음계의 8번째음이 진동수 3/2 에 가까운 그 음임을 말해준다.
  
<h5>많이 나오는 질문</h5>
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이 방법에 어떤 흥미로운 점을 제공하는 것이 3/5 이 등장한다는 것, 즉 5음계를 구성해도 도와 솔의 관계가 좋다는 것을 보여준다는 점이다. 5음계는 초등학교 때부터 우리에게 친숙한 것이 아니던가.
  
* 네이버 지식인<br>
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** [http://kin.search.naver.com/search.naver?where=kin_qna&query=%EC%9D%8C%EC%A0%95 http://kin.search.naver.com/search.naver?where=kin_qna&query=음정]
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:<math>\log_2 3=[1,1,1,2,2,3,1,5,2,\cdots]</math>
** http://kin.search.naver.com/search.naver?where=kin_qna&query=
 
** http://kin.search.naver.com/search.naver?where=kin_qna&query=
 
  
 
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<h5>관련된 고교수학 또는 대학수학</h5>
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==메모==
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* 음정의 계산
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* 샘플링
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* http://en.wikipedia.org/wiki/File:Pythagoras_with_bells.png
  
 
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<h5>관련된 다른 주제들</h5>
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==관련된 항목들==
  
 
* [[연분수와 유리수 근사|연분수]]
 
* [[연분수와 유리수 근사|연분수]]
  
 
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<h5>관련도서 및 추천도서</h5>
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==관련도서==
  
* 도서내검색<br>
+
* The Math Behind the Music, Leon Harkleroad
** http://books.google.com/books?q=
+
* Measured Tones, Ian Johnston
** http://book.daum.net/search/contentSearch.do?query=
 
*  도서검색<br>
 
** http://www.amazon.com/s/ref=nb_ss_gw?url=search-alias%3Dstripbooks&field-keywords=
 
** http://book.daum.net/search/mainSearch.do?query=
 
  
 
 
  
<h5>관련논문</h5>
+
==리뷰, 에세이, 강의노트==
 
+
* Papadopoulos, Athanase. “Mathematics and Group Theory in Music.” arXiv:1407.5757 [math], July 22, 2014. http://arxiv.org/abs/1407.5757.
* [http://www.jstor.org/stable/2690594 Pianos and Continued Fractions]<br>
+
* [http://www.jstor.org/stable/2690594 Pianos and Continued Fractions]
 
** Edward Dunne and Mark McConnell,
 
** Edward Dunne and Mark McConnell,
 
** Mathematics Magazine, vol. 72, no. 2 (1999), 104-115.
 
** Mathematics Magazine, vol. 72, no. 2 (1999), 104-115.
* [http://www.informaworld.com/smpp/content%7Econtent=a772617196%7Edb=all%7Ejumptype=rss Continued fractions, best measurements, and musical scales and intervals]<br>
+
* [http://www.informaworld.com/smpp/content%7Econtent=a772617196%7Edb=all%7Ejumptype=rss Continued fractions, best measurements, and musical scales and intervals]
 
** J. Douthett a; R. Krantz
 
** J. Douthett a; R. Krantz
 
** Journal of Mathematics and Music, Volume 1, Issue 1 March 2007 , pages 47 - 70
 
** Journal of Mathematics and Music, Volume 1, Issue 1 March 2007 , pages 47 - 70
* [http://www.jstor.org/stable/2690572 The Golden Section and the Piano Sonatas of Mozart]<br>
+
* [http://www.jstor.org/stable/2690572 The Golden Section and the Piano Sonatas of Mozart]
 
** John F. Putz
 
** John F. Putz
 
** <cite>Mathematics Magazine</cite>, Vol. 68, No. 4 (Oct., 1995), pp. 275-282
 
** <cite>Mathematics Magazine</cite>, Vol. 68, No. 4 (Oct., 1995), pp. 275-282
* [http://www.jstor.org/stable/3613237 Modern Mathematics and Music]<br>
+
* [http://www.jstor.org/stable/3613237 Modern Mathematics and Music]
 
** F. J. Budden
 
** F. J. Budden
 
** <cite>The Mathematical Gazette</cite>, Vol. 51, No. 377 (Oct., 1967), pp. 204-215
 
** <cite>The Mathematical Gazette</cite>, Vol. 51, No. 377 (Oct., 1967), pp. 204-215
**  
 
** <br>
 
 
 
 
 
<h5>관련기사</h5>
 
 
네이버 뉴스 검색 (키워드 수정)
 
  
* [http://news.search.naver.com/search.naver?where=news&x=0&y=0&sm=tab_hty&query=12%EC%9D%8C%EA%B3%84 http://news.search.naver.com/search.naver?where=news&x=0&y=0&sm=tab_hty&query=12음계]
+
* http://news.search.naver.com/search.naver?where=news&x=0&y=0&sm=tab_hty&query=
 
* http://news.search.naver.com/search.naver?where=news&x=0&y=0&sm=tab_hty&query=
 
* http://news.search.naver.com/search.naver?where=news&x=0&y=0&sm=tab_hty&query=
 
* http://news.search.naver.com/search.naver?where=news&x=0&y=0&sm=tab_hty&query=
 
  
 
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==블로그==
  
 
+
*  피타고라스의 창, 2003-9
 
 
<h5>블로그</h5>
 
 
 
*  피타고라스의 창, 2003-9<br>
 
 
** [http://bomber0.byus.net/index.php/2003/09/23/61 왜 음은 12개인가? (1)]
 
** [http://bomber0.byus.net/index.php/2003/09/23/61 왜 음은 12개인가? (1)]
 
** [http://bomber0.byus.net/index.php/2003/09/25/62 왜 음은 12개인가? (2)]
 
** [http://bomber0.byus.net/index.php/2003/09/25/62 왜 음은 12개인가? (2)]
 
** [http://bomber0.byus.net/index.php/2003/09/25/63 왜 음은 12개인가? (3)]
 
** [http://bomber0.byus.net/index.php/2003/09/25/63 왜 음은 12개인가? (3)]
 
** [http://bomber0.byus.net/index.php/category/%EC%88%98%ED%95%99/%EC%88%98%ED%95%99%EA%B3%BC-%EC%9D%8C%EC%95%85-%EC%88%98%ED%95%99 http://bomber0.byus.net/index.php/category/수학/수학과-음악-수학]
 
** [http://bomber0.byus.net/index.php/category/%EC%88%98%ED%95%99/%EC%88%98%ED%95%99%EA%B3%BC-%EC%9D%8C%EC%95%85-%EC%88%98%ED%95%99 http://bomber0.byus.net/index.php/category/수학/수학과-음악-수학]
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* 트렌비 블로그 검색 [http://www.trenb.com/search.qst?q=%EC%9D%8C%EC%A0%95%EA%B3%84%EC%82%B0 http://www.trenb.com/search.qst?q=음정계산]
 
* 구글 블로그 검색 [http://blogsearch.google.com/blogsearch?q=%EC%83%98%ED%94%8C%EB%A7%81%EC%A0%95%EB%A6%AC http://blogsearch.google.com/blogsearch?q=샘플링정리]
 
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<h5>이미지 검색</h5>
 
 
* http://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=Special%3ASearch&search=
 
* http://images.google.com/images?q=
 
* [http://www.artchive.com/ http://www.artchive.com]
 
 
 
 
 
<h5>동영상</h5>
 
  
* http://www.youtube.com/results?search_type=&search_query=
+
==메타데이터==
 +
===위키데이터===
 +
* ID :  [https://www.wikidata.org/wiki/Q1196501 Q1196501]
 +
===Spacy 패턴 목록===
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* [{'LEMMA': 'file'}]

2021년 2월 17일 (수) 05:49 기준 최신판

음계의 구성과 수학

아래는 소리의 진동수의 비율. 현을 튕겨서 소리를 낸다면, 현의 길이의 비라고 생각해도 됩니다.

  • 으뜸음 tonic
  • octave 2:1
  • fifth 3:2
  • fourth 4:3
  • 8음계에서 일렬로 배열했을때의 순서
  • 옥타브의 비율은 2:1 즉 12:6
  • 산술평균을 취하여 새 음을 만들면 9
  • 9:6 은 fifth
  • 12:9 는 fourth
  • 조화평균을 취하여 새 음을 만들면 8
  • 8:6 은 fourth
  • 12:8 는 fifth


12음계와 수학

뉴턴과 함께 미적분학을 발명해 낸 사람이라고 평가되는 라이프니츠는 음악에 대하여 이렇게 말했다. “Music is the pleasure the human mind experiences from counting without being aware that it is counting.” - 음악은 수를 센다는 것을 의식하지 못한채 수를 세는 것으로부터 즐거움을 준다. 평균율과 순정율에 대해서 간단히 설명한 뒤에, 왜 음이 12개인지에 대한 부분적인 답을 찾아보자.

음을 수로 다룰수 있게 하는 가장 중요한 사실은 음과 그 진동수의 대응관계로부터 온다. 우리에게 고정된 줄 하나가 있고, 줄의 어떤 부분인가를 누르고 줄을 뜅기면 소리가 난다. 이 누르는 위치를 변화시키면 소리도 변한다. 음이란 이 무한히 많은 줄의 각점과 연속적으로 대응된다. 음은 무한한 영역에 걸쳐져 있다. 즉 음이란 애초에 12개가 아니다. 12개란 어떤 기준에 의해 선택된 것이다.

고정된 줄을 그냥 쳤을 때 나는 음을 일단 C라고 부르자. 간단히 이 때의 진동수를 1이라 하자. 이제 다시 줄의 절반지점을 누르고 뜅겼을 때 나는 음은 C와는 다를 것이다. 이 때의 진동수는 줄의 길이에 반비례해서 2이다. 음은 비록 다르지만 우리에게 주는 느낌은 비슷하다. 즉 ‘도레미’를 한옥타브 높여서 ‘도레미’라 부르면 달라지긴 했지만, 다른것이 아닌 같은것이라고 인지하게 되는 현상이 일어난다. 이 성질이 음의 무한한 영역에 질서를 부여한다. 진동수 1인 음과 진동수 2인음의 관계는 진동수 2인음과 진동수 4인 음의 관계와 같다. 따라서 1과 2사이에 놓여진 수많은 수 중에서 특정한 몇 개를 선택해 낸다면, 같은 비율로서 2와 4사이의 몇 개를 선택할 수 있고, 이 선택된 음들은 한옥타브 높은 동일한 소리들을 내 주게 된다. 이 과정을 반복하면, 끊임없이 옥타브를 높여갈 수 있다.

즉 문제는 1과 2사이를 어떻게 나눌 것인가 하는 것이다. 이 나누는 방법의 차이가 서로 다른 문명의 음악의 차이를 가져왔다.


1과 2사이의 몇 개의 수를 골라내는 것이 음계를 만들어 내는 것과 동일하다는 사실을 이해했다면, 이제는 그것들을 구체적으로 어떻게 골라낼 것인가에 대해 생각해 볼 때이다.

기준이 되는 음 도와 한 옥타브 올라간 도 그 사이에 놓인 가장 중요한 음은 ‘솔’이다. 이는 솔이 갖는 진동수가 1.5 즉 3/2 이기 때문이다. 도와 솔의 진동수의 비가 간단한 정수비라는 사실은 이 두 소리가 함께 울릴 때 사람의 귀에 조화롭게 들린다는 것을 의미한다. 음의 조화가 수의 비례에 기초하고 있다는 사실을 피타고라스가 처음 발견했다고 알려지고 있다.

1과 3/2 가 갖는 관계를 3/2과 9/4도 갖게 된다. 그러나 9/4는 2를 넘어선 즉 한옥타브 위의 음이므로 한옥타브 낮추어 9/8을 얻으면 이것이 찾고 있던 새로운 음이 된다. 이것이 ‘레’다. 같은 방법으로 ‘라’가 구성되고, 이런 과정을 반복하여 얻을 음계를 피타고라스 음계라고 한다. 즉 도는 1, 레는 9:8, 미 81:64, 파 4:3 솔 3:2 라 27:16 시 243:128 도 2 의 진동수의 음계이다.

이 외에도 5:4 를 끼워넣어 다른 음계를 구성하는 방법도 있고, 많은 방법이 있는 것으로 알고 있지만, 이러한 방법은 모두 정수비 즉 유리수에 기초하고 있는 음계이다. 간단한 정수비를 기반으로 하는 것은 인간의 귀에 맞는 방법이라 할 수 있을 것이다. 그러나 이러한 방법은, 조가 몇 차례 바뀌어 다시 원래의 조로 돌아왔을 때, 음이 살짝 달라 질수도 있다는 문제는 일으킨다. 따라서 듣기에는 좋을 수 있으나, 연주에 문제가 생긴다.

평균율이란 각 음 사이의 비례를 일정하게 해서 구성한 음계이다. 즉, 12번 곱했을 때 2가 되는 수 즉, r=12√2≒1.0595 가 음사이의 비율이다. r은 무리수이다. 1은 도, r은 도#, r제곱은 레 r세제곱은 레# 이런 식으로 음계를 구성해 나가는 것이다. 그러나 이러한 음계의 솔이 내는 음이 r의 7승 즉 무리수라는 사실 다시 말해, 3/2가 아니라는 사실, 즉 인간의 귀가 듣고 싶어하는 게 아니라는 사실이 바로 문제가 된다.

피아노 연주가는 구원을 얻고 감상자에게는 재앙이 왔는가 ?


이제 12라는 특정한 수가 어디서 기원했는가를 생각해 볼 때이다. 왜 서양음악의 음계는 12음으로 구성되었는가? 이 질문에 제대로 답하는 것은 서양음악의 역사를 거슬러 올라가 문헌을 뒤지는 일로서 할 수 있는 일일 것이나, 여기서는 이제 방향을 틀어 수학으로 간다. 그다지 많이는 어렵지 않으므로, 한번 따라가 보는 것도 괜찮을 것이다.

평균율 음계를 구성한다고 가정하고, r^(n/m) 이라는 표현을 r의 n/m 제곱이라고 이해하자.

음계에 필요한 수를 m 개라 하면, r^m=2 를 만족시켜야 한다. 이는 옥타브를 위해 필요한 식이다. 즉 r = 2^(1/m) 이다.

이 음계의 첫음 즉 도는 1=r^0 이다. 다음은 r^1, 셋째음은 r^2 , … , r^m=2가 될 때, 완전한 한음계를 얻는다. 이제 몇 번 째 음으로 하여금 r^n=3/2 가 만족되도록 할 것인가, 즉, 솔을 얻을 것인가를 생각하자. 그러나 이러한 음계에서는 이미 정확하게 3/2를 얻을 수 없다. r은 언제나 무리수니까, 따라서 3/2에 될 수 있으면 가깝게 가도록 하는 것이 답이다. r^n=2^(n/m) 가 3/2 에 가깝도록 만들어야 한다.

2^(n/m)=3/2 라 가정해 놓고, 적당한 계산을 한다면, n/m=log (3/2) / log 2 를 얻는다. 문제는 이제 log (3/2) / log 2 에 가까운 유리수를 찾는 문제로 바뀌었다.

무리수를 유리수로서 근사시키는 기술, 이것이 수학에 있다. 연분수, continued fraction 이라고 하는 것이 이것이다. 유리수의 분모가 커질수록 무리수에 가깝게 갈 수는 있지만, 연분수의 개념은 이러한 유리수들 중에도 특별히 좋을 성질을 갖는 근사가 있음을 알려준다. 이를 적용해 log (3/2) / log 2 에 가까운 유리수를 찾는 과정에 등장하는 수는 1, 1/2, 3/5 , 7/12 , 24/41 … 이다.

n/m=7/12 가 바로 찾던 그 녀석이다. 도,도#,레,레#,미,파,파#,솔 … 7/12 는 12음계의 8번째음이 진동수 3/2 에 가까운 그 음임을 말해준다.

이 방법에 어떤 흥미로운 점을 제공하는 것이 3/5 이 등장한다는 것, 즉 5음계를 구성해도 도와 솔의 관계가 좋다는 것을 보여준다는 점이다. 5음계는 초등학교 때부터 우리에게 친숙한 것이 아니던가.


\[\log_2 3=[1,1,1,2,2,3,1,5,2,\cdots]\]




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관련도서

  • The Math Behind the Music, Leon Harkleroad
  • Measured Tones, Ian Johnston


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