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Facciamo suonare i numeri 
Didattica laboratoriale tra Musica e Matematica 
Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
chiriano@thebrain.net
Musica & Matematica 
ritmo 
(suddivisione del tempo) 
pentagramma 
(semiografia, rappres. nel piano) 
durata 
(di note e pause) 
2 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
metro 
(durata delle battute) 
scala 
(insiemi numerici) 
chiriano@thebrain.net
Partitura 
1 2 3 4 5 
ℕ↪ℚ ℝ 
(irrazionali) 
ℝ 
(logaritmi) 
ℝ 
(sinusoidi) 
ℂ 
Quando suona 
l’intervallo 
Il restauro 
della Scala 
Sulla scala a 
ritmo di Log 
Onda su onda 
su onda... 
Suoni prodotti 
in serie 
Pitagora e la 
musica metallica 
Il “temperino” di 
J.S. Bach 
G.W. Leibniz e i 
“numeri dei 
rapporti” 
J.B. d’Alembert fa 
luce sul suono 
La sintesi di J.B. 
“Fab” Fourier 
3 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
ἡ Κρότων 
4 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
ℚ 
1. Quando suona l’intervallo 
PITAGORA 
E LA MUSICA METALLICA 
5 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
chiriano@thebrain.net
Ipse dixit (et sonavit) 
Πυθαγόρας 
 Τετρακτύς (10) 
 Μουσική (poesia, cultura) 
 Φιλοσοφία (spirito di ricerca) 
 Mαθηματικός (studioso, scienziato) 
 Λόγος (parola, ragione, rapporto) 
6 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
(F. Gaffurius, 1492) 
푓0 = 
1 
2 퐿 
푇 
휌 푆 
(M. Mersenne 1636) 
chiriano@thebrain.net
7 
Paperino e la Matemusica 
Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
Piacevoli intervalli 
Nota Lunghezza Peso Frequenza Intervallo 
Do 1 1/1 1 Unisono 
Fa 3/4 16/9 4/3 Quarta 
Sol 2/3 9/4 3/2 Quinta 
Do2 1/2 4/1 2 Ottava 
intervallo 
distanza tra note 
rapporto tra le loro frequenze 
8 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
chiriano@thebrain.net
Note con obbligo di frequenza 
Fa0 Do1 
2 
3 
3/2 
Sol1 
3 
2 
Re2 
9 
4 
9 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
La2 Mi3 Si3 
3/2 3/2 3/2 3/2 3/2 
Do1 Sol1 
×2 
4 
3 
:2 
9 
8 
27 
16 
81 
64 
Re1 Mi1 Fa1 La1 Si1 
1 
Do2 
243 
128 
27 
8 
81 
16 
:4 
243 
32 
:2 :4 
2 
scala 
pitagorica 
Intervalli tra note consecutive: 
 tono (9/8) 
 semitono (256/243) 
chiriano@thebrain.net
Scala Tolemaica 
Tolomeo (Egitto, II sec. a.C.) 
 fissata la corda ad 1/5, fece 
vibrare la parte più lunga 
emettendo la nota a 5/4 (3ªM) 
 costruzione scala naturale 
 si parte da Do-Mi (3ª M) e Do-Sol (5ª) 
 inseriamo le 4e (4/3) Do-Fa e Mi-La, 
da cui Do-La=(5/4) (4/3) = 5/3 
 infine la 5ª Mi-Si=(5/4) (3/2) = 15/8 
 è la scala diatonica di massima 
armonia o di giusta intonazione 
Nota Freq. Intervallo 
Do 1 Unisono 
Re 9/8 Tono maggiore 
Mi 5/4 Terza maggiore 
Fa 4/3 Quarta giusta 
Sol 3/2 Quinta giusta 
La 5/3 Sesta = 3ª+4ª 
Si 15/8 Settima+ = 3ª+5ª 
Do2 2 Ottava 
10 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
Zarlino, naturalmente 
Do1 Re1 Mi1 Fa1 Sol1 La1 Si1 Do2 
5 
1 2 
Mi =5 :2 Mi = 
:2 
3 : 
2 
3 
2 
2 
81 
64 
5 
Mi = 
4 
3 
× 
2 
3 
2 
4 
3 
9 
8 
1 
Si = 
3 1 
15 
8 
Do1 Sol1 
27 
16 
243 
128 
Re1 Mi1 Fa1 La1 Si1 
3 
2 
4 
3 
9 
8 
5 
3 
5 
4 
15 
8 
1 
Do2 
2 
La = 
1 
5 
scala 
naturale 
11 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
chiriano@thebrain.net
Pregi naturali e difetti indotti 
Armonici Difetti 
 intervalli tra note consecutive 
 tono maggiore (9/8) 
 tono minore (10/9) 
 semitono (16/15) 
 parti ottava non proporzionali 
 accordature più difficili 
Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
armonici naturali o ipertoni 
12 chiriano@thebrain.net
Note di colore 
Problemi 
1. 2 semitoni ≠ un tono 
2. note alterate diverse… 
3. …a fine ciclo 
4. scala stonata se inizia 
da un’altra nota 
13 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
Barriere architettoniche (1) 
1. 2 semitoni ≠ 1 tono 
Scala pitagorica: 
256 
243 
∙ 
256 
243 
< 
9 
8 
distano un comma pitagorico: 
9 
8 
: 
256 
243 
2 
= 
ퟑퟏퟐ 
ퟐퟏퟗ ≈ 1.0136 > 1 
Scala naturale 
15 
16 
∙ 
15 
16 
< 
9 
10 
푡. 푚. 
< 
9 
8 
푡. 푀. 
2. note alterate diverse 
Note enarmoniche 
퐷표1 
+7 푞푢푖푛푡푒 
퐷표 5 = 
3 
2 
7 
−4 표푡푡푎푣푒 
퐷표 1 = 
37 
211 
퐷표1 
−5 푞푢푖푛푡푒 
푅푒 −2 = 
2 
3 
5 
+3 표푡푡푎푣푒 
푅푒 1 = 
28 
35 
퐷표 
푅푒 
= 
ퟑퟏퟐ 
ퟐퟏퟗ 
14 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
Barriere architettoniche (2) 
3. spirale di 12 quinte 
퐷표8 = 
3 
2 
12 
−6 표푡푡푎푣푒 
퐷표8 
26 = 
312 
218 > 2 = 퐷표2 
 7 ottave > 12 quinte: 
퐷표8 26 
퐷표2 
= 
ퟑퟏퟐ 
ퟐퟏퟗ 
 non è colpa del 12, ∄ 푚 ∈ ℕ: 
3 
2 
푛 
= 2푚 ↔ 3푛 = 2푚+푛 ↔ 3 = 2푚+1 
4. altre scale stonate 
Ad es. quinta giusta e quinta calante 
differiscono per un comma sintonico 
15 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
81 
80 
: 
푆표푙 
퐷표 
= 
3 
2 
≠ 
40 
27 
= 
퐿푎 
푅푒 
Modulazione possibile se 
 il ciclo si chiude 
 il semitono è costante 
퐷표8 
퐷표1 
= 27 
chiriano@thebrain.net
Test 1 – Scala pitagorica 
1. Esprimi in frazione la frequenza del Sol2 
① 3/2 ② 3 ③ 3/4 ④ 2/3 
2. Calcola l’intervallo di nona tra il Do2 e il Re3 
① 9/2 ② 9 ③ 9/8 ④ 9/4 
3. Verifica se componendo due semitoni si ottenga un tono 
① 216/310, no ② 9/8, sì ③ 28/35, no ④ 310/216, no 
4. Confronta le due note ottenute dal Do rispettivamente salendo di 7 
quinte e scendendo di 5, dopo averle riportate entro l’ottava principale 
① 37/24 ② 37/2-4 ③ 312/219 ④ 1 
16 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
ℝ 
2. Il restauro della Scala 
IL “TEMPERINO” 
DI J.S. BACH 
17 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
chiriano@thebrain.net
Ubi deficit ratio 
 Richiedere il semitono costante 
퐷표 1 
퐷표1 
= 
푅푒1 
퐷표 1 
= ⋯ = 
퐷표2 
푆푖1 
= 푘 
equivale a dire che per l’ottava 
퐷표2 
퐷표1 
= 푘12 = 2 
ovvero che 
푘 = 12 2 ∉ ℚ 
18 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
Una scala senza barriere 
1. 2 semitoni = 1 tono 
Scala equabile: 
unico 푡표푛표 = 푘2 = 12 2 
2 
= 6 2 
2.note alterate uguali 
3. ciclo di quinte 
12 quinte = 7 ottave 
7 12 
푞푢푖푛푡푎 = 푘= 
27 
퐷표8 
퐷표1 
= 푘7 12 = 27 
4. altre scale intonate 
stesse sequenze TTSTTTS 
con gli stessi rapporti 
19 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
chiriano@thebrain.net
Temperamento paterno 
 Semitono razionale 
18 
17 
≈ 1.058823 ≈ 12 2 
 Tono equabile 
S. Stevino ►diàtonon 
syntonon di Aristosseno 
 Tono mesotonico 
푀푖 
퐷표 
= 
5 
4 
푡푒푟푧푎 푔푖푢푠푡푎 
⇒ 
푅푒 
퐷표 
= 
5 
2 
푡표푛표 
Nicola 20 Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net 
,
Il compromesso (s)tonico 
A. Werckmeister (1645-1706) 
 5 quinte mesotoniche 
+ 7 quinte pitagoriche 
4 5 
5 
∙ 
3 
2 
7 
≈ 127.75 ≈ 128 = 27 
 «Tra due tasti bianchi ci sarebbe 
bisogno di due neri, invece di uno 
solo. È un trucco, il piano è uno 
strumento falso» 
Nicola 21 Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
Il temperino di Bach 
 temperamento “buono” 
Clavicembalo 
ben temperato 
 due libri (1722 e 1744) 
 coppie preludio + fuga 
nelle 24 tonalità 
22 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
Mettiamoli d’accordo 
PRO 
Tonalità con pari dignità 
 G.W Leibniz (1709) 
solo orecchi allenati colgono le 
“stonature” della scala equabile 
 C. Debussy (fine ’800) 
uso della scala esatonale 
 A. Schönberg (1912) 
musica dodecafonica 
CONTRO 
Tonalità senza “personalità” 
 G. Tartini (1754) 
bollò il temperamento equabile 
come inaccettabile 
 M. Mersenne, J-P. Rameau (’6-700) 
la teoria dei suoni armonici dà 
la giustificazione scientifica 
della “naturalità” della scala 
di Pitagora e Zarlino. 
Nicola 23 Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
Non è sempre la solita solfa 
Sist. 
Sist. 
equabile vs. naturale 
Semitono 
12 2 ≈ 1.059 
poco più 
grande del 
Semitono 
pitagorico 
256 
243 
≈ 1.053 
Tono 
6 2 ≈ 1.122 
poco più 
piccolo del 
Tono 
maggiore 
9 
8 
≈ 1.125 
Quinta 
12 
27 ≈ 1.498 
poco più 
piccola della 
Quinta 
3 
2 
≈ 1.500 
24 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
Naturale Equabile Equ vs Nat 
Nota 
Freq 
(Hz) 
Nota 
Do 
Δ 
(Hz) 
Nota 
prec 
Freq 
(Hz) 
Nota 
Do 
Δ 
(Hz) 
Nota 
prec 
Δ 
(Hz) 
Δ 
(%) 
Do3 264,0 1,00 - - 261,6 1,00 - - -2,4 -0,9 
Do 275,0 1,04 11,0 1,04 
277,2 1,06 15,6 1,06 
2,2 0,8 
Re 285,1 1,08 10,1 1,04 -7,9 -2,8 
Re 297,0 1,13 11,9 1,04 293,7 1,12 16,5 1,06 -3,3 -1,1 
Re 309,4 1,17 12,4 1,04 
311,1 1,19 17,5 1,06 
1,8 0,6 
Mi 316,8 1,20 7,4 1,02 -5,7 -1,8 
Mi 330,0 1,25 13,2 1,04 329,6 1,26 18,5 1,06 -0,4 -0,1 
Fa 352,0 1,33 22,0 1,07 349,2 1,33 19,6 1,06 -2,8 -0,8 
Fa 366,7 1,39 14,7 1,04 
370,0 1,41 20,8 1,06 
3,3 0,9 
Sol 380,2 1,44 13,5 1,04 -10,2 -2,7 
Sol 396,0 1,50 15,8 1,04 392,0 1,50 22,0 1,06 -4,0 -1,0 
Sol 412,5 1,56 16,5 1,04 
415,3 1,59 23,3 1,06 
2,8 0,7 
La 422,4 1,60 9,9 1,02 -7,1 -1,7 
La3 440,0 1,67 17,6 1,04 440,0 1,68 24,7 1,06 - - 
La 458,3 1,74 18,3 1,04 
466,2 1,78 26,2 1,06 
7,8 1,7 
Si 475,2 1,80 16,9 1,04 -9,0 -1,9 
Si 495,0 1,88 19,8 1,04 493,9 1,89 27,7 1,06 -1,1 -0,2 
Do4 528,0 2,00 33,0 1,07 523,3 2,00 29,4 1,06 -4,7 -0,9 
chiriano@thebrain.net
25 
La scala della Scala di Milano 
Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
Test 2 – Scala equabile 
1. Esprimi con un radicale la frequenza del Sol2 
① 12 27 ② 212 27 ③ 12 25 ④ 12 2 
2. Calcola l’intervallo di nona tra il Do2 e il Re3 
① 12 29 ② 6 2 ③ 12 2 ④ 26 2 
3. Verifica se componendo due semitoni si ottenga un tono 
① 6 27, no ② 6 2, sì ③ 12 27, no ④ 12 2, no 
4. Confronta le due note ottenute dal Do rispettivamente salendo di 7 
quinte e scendendo di 5, dopo averle riportate entro l’ottava principale 
① 12 27 ② 12 2 ③ 1 ④ 6 2 
26 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
Rappresentazione del modello 
Nota 1 
(La=440Hz) 
somma 
additiva 
differenza 
aritmetica 
27 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
Nota 2 
(Mi=660Hz) 
Operazione 
Percezione 
Intervallo 
Progressione 
prodotto 
moltiplicativa 
rapporto 
geometrica 
chiriano@thebrain.net
ℝ 
3. Sulla scala a ritmo di Log 
G.W. LEIBNIZ 
E I “NUMERI DEI RAPPORTI” 
28 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
chiriano@thebrain.net
Perché ci vuole orecchio 
 G.W. Leibniz 
 1709: esamina « per mezzo dei 
Logaritmi l’antica suddivisione 
dell’ottava in 12 parti uguali, 
che Aristosseno già seguiva » e 
si accorge dell’utilità 
 1712: scrive a C. Goldbach 
“Musica est exercitium 
arithmeticae occultum 
nescientis se numerare animi” 
 H. von Helmholtz 
teoria posizionale (1863) 
 la struttura fisiologica 
del nostro orecchio ci fa 
percepire le frequenze delle 
note in modo moltiplicativo 
 un intervallo musicale, come 
verificato sin da Pitagora, 
è determinato dal loro 
rapporto 
29 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
chiriano@thebrain.net
Trascendentalità 
π, e, sin 푎 , cos 푎 , 
tan 푎 , 푒푎, log 푎 
12 2 ⟺ 푥12 = 2 
Soluzioni di 
equazioni 
polinomiali 
Teorema di 
Lindemann- 
Weierstrass 
30 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
Le relazioni rivelano il temperamento 
 Ottava 
log2 
퐷표2 
퐷표1 
= 1 
 Semitono 
log2 
12 2 = 
1 
12 
Logaritmo = “numero dei rapporti” 
 Intervallo generico R 
푅 = 12 2 
푛 
⇒ 푛 = 12 log2 푅 
31 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
chiriano@thebrain.net
Logaritastiera 
1 2 4 8 16 32 64 128 
0 1 2 3 4 5 6 7 
32 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
chiriano@thebrain.net
Orecchio in base 2 
33 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
Test 3 – Scala logaritmica 
1. Esprimi con una potenza la frequenza del Do4 
① 24 ② 23 ③ 23/2 ④ 22 
2. Calcola il numero di semitoni tra il Do2 e il Re3 
① 2 ② 9 ③ 13 ④ 14 
3. Esprimi in scala logaritmica l’intervallo di nona tra il Do2 e il Re3 
① 7/6 ② 6/7 ③ 13/12 ④ 12/13 
4. Determina l’inclinazione della retta che interseca la spirale logaritmica 
in Re1 e Re2 
① 30° ② 45° ③ 60° ④ arctg 2 
34 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
ℝ 
4. Onda su onda su onda... 
J.B. D’ALEMBERT 
FA LUCE SUL SUONO 
35 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
chiriano@thebrain.net
Va in onda d’Alembert 
Estratto dalla Encyclopédie ou 
Dictionnaire raisonné des sciences, 
des arts et des métiers (1765) 
Estratto da Wikipedia 
vers. italiana (2010) 
36 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
Equazione: 
휕2푦 
휕푡2 = 
휕2푦 
휕푥2 
Soluzione: 
푓 푥, 푡 = 푓− 푥 − 푡 + 푓+ 푥 + 푡 
chiriano@thebrain.net
Molle e stringhe 
Robert Hooke (1676) 
“The power of any springy body 
is in the same proportion with 
the extension” 
Isaac Newton (1687) 
“The change of motion 
is proportional to the 
motive force impressed” 
TOE ? 
Nicola 37 Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
chiriano@thebrain.net
Si sovrappone Eulero 
Equazione: 
휕2푦 
휕푡2 = 
ퟏ 
풗ퟐ 
휕2푦 
휕푥2 
Soluzione: 
푓 푥, 푡 = 푓− 푥 − 풗 푡 + 푓+ 푥 + 풗 푡 
푓 푥, 푡 = 퐴1푓1 푥, 푡 + 퐴2푓2 푥, 푡 + ⋯ + 퐴푛푓푛 푥, 푡 
Principio di sovrapposizione 
ogni perturbazione = c.l. di onde piane 
⇳ 
più perturbazioni = onda loro somma 
38 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
chiriano@thebrain.net
Onde armoniche piane 
풚 = 푨 퐬퐢퐧 풌풙 ∓ 흎풕 + 흋 
풚 = 푨 퐬퐢퐧 풌 풙 ∓ 풗풕 
Frequenza 휈 = 
1 
푇 
Lunghezza d’onda 휆 = 
2휋 
푘 
Numero d’onda 푘 = 
2휋 
휆 
Periodo 푇 = 
휆 
푣 
Pulsazione 휔 = 
2휋 
푇 
Velocità di prop. 푣 = 
휆 
푇 
휑 = 푥 = 0 ⇒ 푦 = 퐴 sin 휔푡 
푡 = 0, 휔 = 1 ⇒ 푦 = 퐴 sin 푘푥 
39 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
chiriano@thebrain.net
“Recherches sur le vibrations des Cordes sonores” (1761) 
D’Alembert riferisce delle polemiche con Eulero e D. Bernoulli dopo la memoria del 1747 
40 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
chiriano@thebrain.net
Eppur non si muove 
Onda stazionaria Armonici naturali 
Le due onde “opposte” hanno entrambe lunghezza 퐿 푛 
⇨ la risultante è un’onda stazionaria: non si propaga e possiede nodi e ventri 
41 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
chiriano@thebrain.net
Daniel Bernoulli tira le somme 
Soluzione generale: 
푓 푥 = 
푛 
퐴푛 sin 푘푛푥 
 serie trigonometrica 
il suono emesso da una corda 
vibrante è la somma (c.l.) dei 
suoi infiniti armonici 
42 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
chiriano@thebrain.net
Scala cromatica ⬄ Arcobaleno 
Equazioni di Maxwell (1873) 
푐 = 
1 
휀0휇0 
≈ 2.99 ∙ 108 푚 푠 
43 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
chiriano@thebrain.net
Test 4 – Onde e sinusoidi 
1. Scrivi l’equazione di un’onda che emette un La naturale 
① 푦 = sin 880휋푡 ② 푦 = sin 
휋 
220 
푡 ③ 푦 = sin 440 푡 ④ 푦 = 440 sin 휋푡 
2. Determina i battimenti prodotti dalle frequenze 440 퐻푧 e 438 퐻푧 
① 2 cos 휋푡 sin 878 푡 ② 2 cos 2휋푡 sin 439푡 ③ 2 cos 휋푡 sin 878휋푡 ④ 2 cos 2휋푡 sin 878휋푡 
3. Quale tra le seguenti onde ha un’intensità doppia di quella al punto 1.? 
① 푦 = sin 440휋푡 ② 푦 = 2 sin 880휋푡 ③ 푦 = sin 1760휋푡 ④ 푦 = 2 sin 440푡 
4. Quale tra le seguenti note non è un armonico di quella al punto 1.? 
① 푦 = sin 2640휋푡 ② 푦 = sin 1760휋푡 ③ 푦 = sin 440휋푡 ④ 푦 = sin 4400휋푡 
44 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
Grenoble 
45 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
ℂ 
5. Suoni prodotti in serie 
LA SINTESI DI 
J.B. “FAB” FOURIER 
46 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
chiriano@thebrain.net
L’orbo che vedeva (molto) lontano 
Oscillatore armonico 
푦′′ + 푦 = 0 
Soluzioni: 
 푦 푥 = 퐴푒푖푥 + 퐵푒−푖푥 
 푦 푥 = 훼 sin 푥 + 훽 
푒푖푥 = cos 푥 + 푖 sin 푥 
47 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
chiriano@thebrain.net
Quel capolavoro di Leonardo 
푒푖휋 + 1 = 0 
48 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
Onde periodiche di calore 
J.L. Lagrange (1758) 
Equazione d’onda: 
휕2푢 
휕푡2 = 푎2 휕2푢 
휕푥2 ► 푢 푥, 푡 = 퐴 sin 푘푥 sin 푎푘푡 
J. Fourier (1807) 
49 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
푝푒푟 푁 → ∞ 
Equazione del calore: 
휕푢 
22 휕푢 
= 푎휕푡 
푝푒푟 푁 → ∞ 
휕푥2 ► 푢 푥, 푡 = 푘 푏푘 sin 푘푥 푒−푎2푘2푡 
chiriano@thebrain.net 
−푎2푘2푢 
−푎2푘2푢
Codice Fourier 
 ogni funzione periodica si può esprimere 
tramite una serie trigonometrica 
푓 푥 = 
+∞ 
푛=−∞ 
푐푛 푒푖푛푥 
푓표푟푚푎 푐표푚푝푙푒푠푠푎 
= 
푎0 
2 
+ 
∞ 
푛=1 
armonica n-ma 
푎푛 cos 푛푥 + 푏푛 sin 푛푥 
푓표푟푚푎 푟푒푎푙푒 
푎0 = 2푐0 
푎푛 = 푐푛 + 푐−푛 
푏푛 = 푖 푐푛 − 푐−푛 
푐0 = 푎0 2 
푐푛 = 푎푛 − 푖푏푛 2 
푐−푛 = 푎푛 + 푖푏푛 2 
50 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
푎0 = 1 
휋 
2휋 
푓 푥 푑푥 
0 
푎푛 = 1 
휋 
2휋 
푓 푥 cos 푛푥 푑푥 
0 
푏푛 = 1 
휋 
2휋 
푓 푥 sin 푛푥 푑푥 
0 
푓 ∈ 퐿2 0,2휋 
con 푇 = 2휋 
chiriano@thebrain.net
Suoni di un certo carattere 
 Frequenza ► ALTEZZA 
 Ampiezza ► INTENSITÀ 
 Forma ► TIMBRO 
von Helmholtz 1863 
51 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
chiriano@thebrain.net
Analisi e Sintesi armonica 
 Ciascun suono può essere 
 scomposto nelle proprie 
componenti fondamentali 
(analisi armonica) 
 riprodotto fedelmente 
sommando opportune 
onde sonore semplici 
(sintesi armonica) 
52 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
Campioni dal mondo 
Inviluppo 
variazione nel 
tempo (s) 
dell’ampiezza 
dell’onda (dB) 
53 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
Sonogrammi 
distribuzione 
nel tempo (s) 
delle frequenze 
(kHz) 
Spettrogrammi 
variazione nel 
tempo (s) 
dell’ampiezza 
(dB) di ciascuna 
frequenza 
Visualizz. 3D 
ampiezza (dB) 
nel tempo (s) di 
ogni frequenza 
(kHz) 
chiriano@thebrain.net
Heat parade 
• teoria delle formanti 
dipendenza da sorgente, 
risuonatore e adattatore 
Voce umana (“a” ed “i”) 
54 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
VS 
Propagazione del calore 
chiriano@thebrain.net
Rumore bianco 
Köln – WDR – 1953 
K.H. Stockhausen 
Elektronische Musik 
Paris – ORTF – 1948 
P. Schaeffer 
Musique Concrète 
Milan – RAI – 1955 
L. Berio 
Musica elettroacustica 
55 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
Ufficio Semplificazioni Affari omplessi 
intersezioni 
 eq. differenz. non lineari 
Eulero 1739 
 teoria onde sonore 
Lagrange 1759 
 perturbazioni orbite dei pianeti 
Lagrange 1770, Leverrier 1846, Einstein 1916 
 teoria del calore 
Fourier 1807, 1822 
 onde e.m. 
Maxwell 1865 
 equazione di Schrödinger 
1926 
innovazioni 
 def. di funzione e monotonia 
P.G. Dirichlet 1829 
 integrale definito 
B. Riemann 1854, H. Lebesgue 1903 
 teoria degli insiemi 
G. Cantor 1870 
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1909 
 teoria delle distribuzioni 
L. Schwartz 1944 
manipolaz. suoni, immagini e video 
FFT 1965, 풞1 wavelets 1985 
Nicola 56 Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
Innovazioni tecnologiche 
 CD Audio (Sony e Philips 1980) 
 microonde (Hertz 1887) come 
previsto da Maxwell (1873) 
 DSP e FFT 
 DNA (J. Watson e F. Crick 1953) 
 TAC (Nobel per la medicina 1979) 
 RMN (risonanza magn. nucleare) 
 Radiotelescopi 
 FBI fingerprints database (1993) 
57 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
omplessi & ompressi 
 Audio 
 PCM (CD) dati non compressi 
 MP3 taglia freq. non udibili ed 
armoniche secondarie (1995) 
 Image 
 lossy (JPEG 1992) 
 loseless (TIFF 1986, PNG 1995) 
 Video 
 DVD (MPEG 1988) 
 DivX 1999 
58 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
«Per tre cose 
vale la pena di vivere: 
la matematica, 
la musica e l’amore » 
(R. Caccioppoli) 
59 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 
chiriano@thebrain.net
Bibliografia e risorse web 
 N. Chiriano, Suoni prodotti in serie. La sintesi di J.B. “Fab” 
Fourier, Alice&Bob n. 20, set-ott 2010 
 N. Chiriano, Onda su onda su onda... J.B. d’Alembert fa luce 
sul suono, Alice&Bob n. 19, giu-ago 2010 
 N. Chiriano, A ritmo di Log. G.W. Leibniz e i “numeri 
dei rapporti”, Alice&Bob n. 17-18, mar-mag 2010 
 N. Chiriano, Il restauro della Scala. Il “temperino” di J.S. 
Bach, Alice&Bob n. 16, gen-feb 2010 
 N. Chiriano, Pitagora e la Musica, Alice&Bob n. 15, 
nov-dic 2009 
 A. Cremaschi, F. Giomi, Rumore bianco. Introduzione 
alla musica digitale, Zanichelli, 2008 
 Ph. Henry, G. Wanner, From Euler to Fourier, MP3 
and JPEG, Zürich 2007 
 M. Cerasoli, Esempi di bufale nell’insegnamento della 
matematica, Boll. Doc. Mat. 39 (1999) 
 M. Degiovanni et al., Matematica per la vita, Fond. Boroli 
 A. Frova, Fisica nella Musica, Zanichelli, 1999 
 P. Odifreddi, Penna, pennello e bacchetta. Le tre invidie 
del matematico, GLF Laterza, 2005 
 P. Italia, Musica e Matematica, in 
Nuova Umanità XXVI (2004/2) 152 
 L. Berio, T. Regge, F. Tibone, Vicino alla musica (CD ROM), 
Zanichelli, 1999 
 S. Isola, Matematica e Musica, unicam.it 
 W. Maraschini, Sette note e infiniti numeri, treccani.it 
 FOR – Laboratorio di Matematica e Musica for.indire.it 
 GALLICA, Bibliothèque nationale de France, gallica.bnf.fr 
 E. Prestini, Un matematico freddoloso e l’effetto serra, 
matematica.unibocconi.it 
 portale Musica su wikipedia.org 
 Fisica Onde Musica, fisicaondemusica.unimore.it/ 
60 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net

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Matematica e Musica

  • 1. Facciamo suonare i numeri Didattica laboratoriale tra Musica e Matematica Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 2. Musica & Matematica ritmo (suddivisione del tempo) pentagramma (semiografia, rappres. nel piano) durata (di note e pause) 2 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 metro (durata delle battute) scala (insiemi numerici) chiriano@thebrain.net
  • 3. Partitura 1 2 3 4 5 ℕ↪ℚ ℝ (irrazionali) ℝ (logaritmi) ℝ (sinusoidi) ℂ Quando suona l’intervallo Il restauro della Scala Sulla scala a ritmo di Log Onda su onda su onda... Suoni prodotti in serie Pitagora e la musica metallica Il “temperino” di J.S. Bach G.W. Leibniz e i “numeri dei rapporti” J.B. d’Alembert fa luce sul suono La sintesi di J.B. “Fab” Fourier 3 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 4. ἡ Κρότων 4 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 5. ℚ 1. Quando suona l’intervallo PITAGORA E LA MUSICA METALLICA 5 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 6. Ipse dixit (et sonavit) Πυθαγόρας  Τετρακτύς (10)  Μουσική (poesia, cultura)  Φιλοσοφία (spirito di ricerca)  Mαθηματικός (studioso, scienziato)  Λόγος (parola, ragione, rapporto) 6 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 (F. Gaffurius, 1492) 푓0 = 1 2 퐿 푇 휌 푆 (M. Mersenne 1636) chiriano@thebrain.net
  • 7. 7 Paperino e la Matemusica Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 8. Piacevoli intervalli Nota Lunghezza Peso Frequenza Intervallo Do 1 1/1 1 Unisono Fa 3/4 16/9 4/3 Quarta Sol 2/3 9/4 3/2 Quinta Do2 1/2 4/1 2 Ottava intervallo distanza tra note rapporto tra le loro frequenze 8 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 9. Note con obbligo di frequenza Fa0 Do1 2 3 3/2 Sol1 3 2 Re2 9 4 9 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 La2 Mi3 Si3 3/2 3/2 3/2 3/2 3/2 Do1 Sol1 ×2 4 3 :2 9 8 27 16 81 64 Re1 Mi1 Fa1 La1 Si1 1 Do2 243 128 27 8 81 16 :4 243 32 :2 :4 2 scala pitagorica Intervalli tra note consecutive:  tono (9/8)  semitono (256/243) chiriano@thebrain.net
  • 10. Scala Tolemaica Tolomeo (Egitto, II sec. a.C.)  fissata la corda ad 1/5, fece vibrare la parte più lunga emettendo la nota a 5/4 (3ªM)  costruzione scala naturale  si parte da Do-Mi (3ª M) e Do-Sol (5ª)  inseriamo le 4e (4/3) Do-Fa e Mi-La, da cui Do-La=(5/4) (4/3) = 5/3  infine la 5ª Mi-Si=(5/4) (3/2) = 15/8  è la scala diatonica di massima armonia o di giusta intonazione Nota Freq. Intervallo Do 1 Unisono Re 9/8 Tono maggiore Mi 5/4 Terza maggiore Fa 4/3 Quarta giusta Sol 3/2 Quinta giusta La 5/3 Sesta = 3ª+4ª Si 15/8 Settima+ = 3ª+5ª Do2 2 Ottava 10 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 11. Zarlino, naturalmente Do1 Re1 Mi1 Fa1 Sol1 La1 Si1 Do2 5 1 2 Mi =5 :2 Mi = :2 3 : 2 3 2 2 81 64 5 Mi = 4 3 × 2 3 2 4 3 9 8 1 Si = 3 1 15 8 Do1 Sol1 27 16 243 128 Re1 Mi1 Fa1 La1 Si1 3 2 4 3 9 8 5 3 5 4 15 8 1 Do2 2 La = 1 5 scala naturale 11 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 12. Pregi naturali e difetti indotti Armonici Difetti  intervalli tra note consecutive  tono maggiore (9/8)  tono minore (10/9)  semitono (16/15)  parti ottava non proporzionali  accordature più difficili Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 armonici naturali o ipertoni 12 chiriano@thebrain.net
  • 13. Note di colore Problemi 1. 2 semitoni ≠ un tono 2. note alterate diverse… 3. …a fine ciclo 4. scala stonata se inizia da un’altra nota 13 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 14. Barriere architettoniche (1) 1. 2 semitoni ≠ 1 tono Scala pitagorica: 256 243 ∙ 256 243 < 9 8 distano un comma pitagorico: 9 8 : 256 243 2 = ퟑퟏퟐ ퟐퟏퟗ ≈ 1.0136 > 1 Scala naturale 15 16 ∙ 15 16 < 9 10 푡. 푚. < 9 8 푡. 푀. 2. note alterate diverse Note enarmoniche 퐷표1 +7 푞푢푖푛푡푒 퐷표 5 = 3 2 7 −4 표푡푡푎푣푒 퐷표 1 = 37 211 퐷표1 −5 푞푢푖푛푡푒 푅푒 −2 = 2 3 5 +3 표푡푡푎푣푒 푅푒 1 = 28 35 퐷표 푅푒 = ퟑퟏퟐ ퟐퟏퟗ 14 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 15. Barriere architettoniche (2) 3. spirale di 12 quinte 퐷표8 = 3 2 12 −6 표푡푡푎푣푒 퐷표8 26 = 312 218 > 2 = 퐷표2  7 ottave > 12 quinte: 퐷표8 26 퐷표2 = ퟑퟏퟐ ퟐퟏퟗ  non è colpa del 12, ∄ 푚 ∈ ℕ: 3 2 푛 = 2푚 ↔ 3푛 = 2푚+푛 ↔ 3 = 2푚+1 4. altre scale stonate Ad es. quinta giusta e quinta calante differiscono per un comma sintonico 15 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 81 80 : 푆표푙 퐷표 = 3 2 ≠ 40 27 = 퐿푎 푅푒 Modulazione possibile se  il ciclo si chiude  il semitono è costante 퐷표8 퐷표1 = 27 chiriano@thebrain.net
  • 16. Test 1 – Scala pitagorica 1. Esprimi in frazione la frequenza del Sol2 ① 3/2 ② 3 ③ 3/4 ④ 2/3 2. Calcola l’intervallo di nona tra il Do2 e il Re3 ① 9/2 ② 9 ③ 9/8 ④ 9/4 3. Verifica se componendo due semitoni si ottenga un tono ① 216/310, no ② 9/8, sì ③ 28/35, no ④ 310/216, no 4. Confronta le due note ottenute dal Do rispettivamente salendo di 7 quinte e scendendo di 5, dopo averle riportate entro l’ottava principale ① 37/24 ② 37/2-4 ③ 312/219 ④ 1 16 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 17. ℝ 2. Il restauro della Scala IL “TEMPERINO” DI J.S. BACH 17 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 18. Ubi deficit ratio  Richiedere il semitono costante 퐷표 1 퐷표1 = 푅푒1 퐷표 1 = ⋯ = 퐷표2 푆푖1 = 푘 equivale a dire che per l’ottava 퐷표2 퐷표1 = 푘12 = 2 ovvero che 푘 = 12 2 ∉ ℚ 18 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 19. Una scala senza barriere 1. 2 semitoni = 1 tono Scala equabile: unico 푡표푛표 = 푘2 = 12 2 2 = 6 2 2.note alterate uguali 3. ciclo di quinte 12 quinte = 7 ottave 7 12 푞푢푖푛푡푎 = 푘= 27 퐷표8 퐷표1 = 푘7 12 = 27 4. altre scale intonate stesse sequenze TTSTTTS con gli stessi rapporti 19 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 20. Temperamento paterno  Semitono razionale 18 17 ≈ 1.058823 ≈ 12 2  Tono equabile S. Stevino ►diàtonon syntonon di Aristosseno  Tono mesotonico 푀푖 퐷표 = 5 4 푡푒푟푧푎 푔푖푢푠푡푎 ⇒ 푅푒 퐷표 = 5 2 푡표푛표 Nicola 20 Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net ,
  • 21. Il compromesso (s)tonico A. Werckmeister (1645-1706)  5 quinte mesotoniche + 7 quinte pitagoriche 4 5 5 ∙ 3 2 7 ≈ 127.75 ≈ 128 = 27  «Tra due tasti bianchi ci sarebbe bisogno di due neri, invece di uno solo. È un trucco, il piano è uno strumento falso» Nicola 21 Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 22. Il temperino di Bach  temperamento “buono” Clavicembalo ben temperato  due libri (1722 e 1744)  coppie preludio + fuga nelle 24 tonalità 22 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 23. Mettiamoli d’accordo PRO Tonalità con pari dignità  G.W Leibniz (1709) solo orecchi allenati colgono le “stonature” della scala equabile  C. Debussy (fine ’800) uso della scala esatonale  A. Schönberg (1912) musica dodecafonica CONTRO Tonalità senza “personalità”  G. Tartini (1754) bollò il temperamento equabile come inaccettabile  M. Mersenne, J-P. Rameau (’6-700) la teoria dei suoni armonici dà la giustificazione scientifica della “naturalità” della scala di Pitagora e Zarlino. Nicola 23 Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 24. Non è sempre la solita solfa Sist. Sist. equabile vs. naturale Semitono 12 2 ≈ 1.059 poco più grande del Semitono pitagorico 256 243 ≈ 1.053 Tono 6 2 ≈ 1.122 poco più piccolo del Tono maggiore 9 8 ≈ 1.125 Quinta 12 27 ≈ 1.498 poco più piccola della Quinta 3 2 ≈ 1.500 24 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 Naturale Equabile Equ vs Nat Nota Freq (Hz) Nota Do Δ (Hz) Nota prec Freq (Hz) Nota Do Δ (Hz) Nota prec Δ (Hz) Δ (%) Do3 264,0 1,00 - - 261,6 1,00 - - -2,4 -0,9 Do 275,0 1,04 11,0 1,04 277,2 1,06 15,6 1,06 2,2 0,8 Re 285,1 1,08 10,1 1,04 -7,9 -2,8 Re 297,0 1,13 11,9 1,04 293,7 1,12 16,5 1,06 -3,3 -1,1 Re 309,4 1,17 12,4 1,04 311,1 1,19 17,5 1,06 1,8 0,6 Mi 316,8 1,20 7,4 1,02 -5,7 -1,8 Mi 330,0 1,25 13,2 1,04 329,6 1,26 18,5 1,06 -0,4 -0,1 Fa 352,0 1,33 22,0 1,07 349,2 1,33 19,6 1,06 -2,8 -0,8 Fa 366,7 1,39 14,7 1,04 370,0 1,41 20,8 1,06 3,3 0,9 Sol 380,2 1,44 13,5 1,04 -10,2 -2,7 Sol 396,0 1,50 15,8 1,04 392,0 1,50 22,0 1,06 -4,0 -1,0 Sol 412,5 1,56 16,5 1,04 415,3 1,59 23,3 1,06 2,8 0,7 La 422,4 1,60 9,9 1,02 -7,1 -1,7 La3 440,0 1,67 17,6 1,04 440,0 1,68 24,7 1,06 - - La 458,3 1,74 18,3 1,04 466,2 1,78 26,2 1,06 7,8 1,7 Si 475,2 1,80 16,9 1,04 -9,0 -1,9 Si 495,0 1,88 19,8 1,04 493,9 1,89 27,7 1,06 -1,1 -0,2 Do4 528,0 2,00 33,0 1,07 523,3 2,00 29,4 1,06 -4,7 -0,9 chiriano@thebrain.net
  • 25. 25 La scala della Scala di Milano Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 26. Test 2 – Scala equabile 1. Esprimi con un radicale la frequenza del Sol2 ① 12 27 ② 212 27 ③ 12 25 ④ 12 2 2. Calcola l’intervallo di nona tra il Do2 e il Re3 ① 12 29 ② 6 2 ③ 12 2 ④ 26 2 3. Verifica se componendo due semitoni si ottenga un tono ① 6 27, no ② 6 2, sì ③ 12 27, no ④ 12 2, no 4. Confronta le due note ottenute dal Do rispettivamente salendo di 7 quinte e scendendo di 5, dopo averle riportate entro l’ottava principale ① 12 27 ② 12 2 ③ 1 ④ 6 2 26 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 27. Rappresentazione del modello Nota 1 (La=440Hz) somma additiva differenza aritmetica 27 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 Nota 2 (Mi=660Hz) Operazione Percezione Intervallo Progressione prodotto moltiplicativa rapporto geometrica chiriano@thebrain.net
  • 28. ℝ 3. Sulla scala a ritmo di Log G.W. LEIBNIZ E I “NUMERI DEI RAPPORTI” 28 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 29. Perché ci vuole orecchio  G.W. Leibniz  1709: esamina « per mezzo dei Logaritmi l’antica suddivisione dell’ottava in 12 parti uguali, che Aristosseno già seguiva » e si accorge dell’utilità  1712: scrive a C. Goldbach “Musica est exercitium arithmeticae occultum nescientis se numerare animi”  H. von Helmholtz teoria posizionale (1863)  la struttura fisiologica del nostro orecchio ci fa percepire le frequenze delle note in modo moltiplicativo  un intervallo musicale, come verificato sin da Pitagora, è determinato dal loro rapporto 29 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 30. Trascendentalità π, e, sin 푎 , cos 푎 , tan 푎 , 푒푎, log 푎 12 2 ⟺ 푥12 = 2 Soluzioni di equazioni polinomiali Teorema di Lindemann- Weierstrass 30 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 31. Le relazioni rivelano il temperamento  Ottava log2 퐷표2 퐷표1 = 1  Semitono log2 12 2 = 1 12 Logaritmo = “numero dei rapporti”  Intervallo generico R 푅 = 12 2 푛 ⇒ 푛 = 12 log2 푅 31 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 32. Logaritastiera 1 2 4 8 16 32 64 128 0 1 2 3 4 5 6 7 32 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 33. Orecchio in base 2 33 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 34. Test 3 – Scala logaritmica 1. Esprimi con una potenza la frequenza del Do4 ① 24 ② 23 ③ 23/2 ④ 22 2. Calcola il numero di semitoni tra il Do2 e il Re3 ① 2 ② 9 ③ 13 ④ 14 3. Esprimi in scala logaritmica l’intervallo di nona tra il Do2 e il Re3 ① 7/6 ② 6/7 ③ 13/12 ④ 12/13 4. Determina l’inclinazione della retta che interseca la spirale logaritmica in Re1 e Re2 ① 30° ② 45° ③ 60° ④ arctg 2 34 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 35. ℝ 4. Onda su onda su onda... J.B. D’ALEMBERT FA LUCE SUL SUONO 35 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 36. Va in onda d’Alembert Estratto dalla Encyclopédie ou Dictionnaire raisonné des sciences, des arts et des métiers (1765) Estratto da Wikipedia vers. italiana (2010) 36 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 Equazione: 휕2푦 휕푡2 = 휕2푦 휕푥2 Soluzione: 푓 푥, 푡 = 푓− 푥 − 푡 + 푓+ 푥 + 푡 chiriano@thebrain.net
  • 37. Molle e stringhe Robert Hooke (1676) “The power of any springy body is in the same proportion with the extension” Isaac Newton (1687) “The change of motion is proportional to the motive force impressed” TOE ? Nicola 37 Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 38. Si sovrappone Eulero Equazione: 휕2푦 휕푡2 = ퟏ 풗ퟐ 휕2푦 휕푥2 Soluzione: 푓 푥, 푡 = 푓− 푥 − 풗 푡 + 푓+ 푥 + 풗 푡 푓 푥, 푡 = 퐴1푓1 푥, 푡 + 퐴2푓2 푥, 푡 + ⋯ + 퐴푛푓푛 푥, 푡 Principio di sovrapposizione ogni perturbazione = c.l. di onde piane ⇳ più perturbazioni = onda loro somma 38 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 39. Onde armoniche piane 풚 = 푨 퐬퐢퐧 풌풙 ∓ 흎풕 + 흋 풚 = 푨 퐬퐢퐧 풌 풙 ∓ 풗풕 Frequenza 휈 = 1 푇 Lunghezza d’onda 휆 = 2휋 푘 Numero d’onda 푘 = 2휋 휆 Periodo 푇 = 휆 푣 Pulsazione 휔 = 2휋 푇 Velocità di prop. 푣 = 휆 푇 휑 = 푥 = 0 ⇒ 푦 = 퐴 sin 휔푡 푡 = 0, 휔 = 1 ⇒ 푦 = 퐴 sin 푘푥 39 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 40. “Recherches sur le vibrations des Cordes sonores” (1761) D’Alembert riferisce delle polemiche con Eulero e D. Bernoulli dopo la memoria del 1747 40 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 41. Eppur non si muove Onda stazionaria Armonici naturali Le due onde “opposte” hanno entrambe lunghezza 퐿 푛 ⇨ la risultante è un’onda stazionaria: non si propaga e possiede nodi e ventri 41 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 42. Daniel Bernoulli tira le somme Soluzione generale: 푓 푥 = 푛 퐴푛 sin 푘푛푥  serie trigonometrica il suono emesso da una corda vibrante è la somma (c.l.) dei suoi infiniti armonici 42 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 43. Scala cromatica ⬄ Arcobaleno Equazioni di Maxwell (1873) 푐 = 1 휀0휇0 ≈ 2.99 ∙ 108 푚 푠 43 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 44. Test 4 – Onde e sinusoidi 1. Scrivi l’equazione di un’onda che emette un La naturale ① 푦 = sin 880휋푡 ② 푦 = sin 휋 220 푡 ③ 푦 = sin 440 푡 ④ 푦 = 440 sin 휋푡 2. Determina i battimenti prodotti dalle frequenze 440 퐻푧 e 438 퐻푧 ① 2 cos 휋푡 sin 878 푡 ② 2 cos 2휋푡 sin 439푡 ③ 2 cos 휋푡 sin 878휋푡 ④ 2 cos 2휋푡 sin 878휋푡 3. Quale tra le seguenti onde ha un’intensità doppia di quella al punto 1.? ① 푦 = sin 440휋푡 ② 푦 = 2 sin 880휋푡 ③ 푦 = sin 1760휋푡 ④ 푦 = 2 sin 440푡 4. Quale tra le seguenti note non è un armonico di quella al punto 1.? ① 푦 = sin 2640휋푡 ② 푦 = sin 1760휋푡 ③ 푦 = sin 440휋푡 ④ 푦 = sin 4400휋푡 44 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 45. Grenoble 45 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 46. ℂ 5. Suoni prodotti in serie LA SINTESI DI J.B. “FAB” FOURIER 46 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 47. L’orbo che vedeva (molto) lontano Oscillatore armonico 푦′′ + 푦 = 0 Soluzioni:  푦 푥 = 퐴푒푖푥 + 퐵푒−푖푥  푦 푥 = 훼 sin 푥 + 훽 푒푖푥 = cos 푥 + 푖 sin 푥 47 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 48. Quel capolavoro di Leonardo 푒푖휋 + 1 = 0 48 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 49. Onde periodiche di calore J.L. Lagrange (1758) Equazione d’onda: 휕2푢 휕푡2 = 푎2 휕2푢 휕푥2 ► 푢 푥, 푡 = 퐴 sin 푘푥 sin 푎푘푡 J. Fourier (1807) 49 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 푝푒푟 푁 → ∞ Equazione del calore: 휕푢 22 휕푢 = 푎휕푡 푝푒푟 푁 → ∞ 휕푥2 ► 푢 푥, 푡 = 푘 푏푘 sin 푘푥 푒−푎2푘2푡 chiriano@thebrain.net −푎2푘2푢 −푎2푘2푢
  • 50. Codice Fourier  ogni funzione periodica si può esprimere tramite una serie trigonometrica 푓 푥 = +∞ 푛=−∞ 푐푛 푒푖푛푥 푓표푟푚푎 푐표푚푝푙푒푠푠푎 = 푎0 2 + ∞ 푛=1 armonica n-ma 푎푛 cos 푛푥 + 푏푛 sin 푛푥 푓표푟푚푎 푟푒푎푙푒 푎0 = 2푐0 푎푛 = 푐푛 + 푐−푛 푏푛 = 푖 푐푛 − 푐−푛 푐0 = 푎0 2 푐푛 = 푎푛 − 푖푏푛 2 푐−푛 = 푎푛 + 푖푏푛 2 50 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 푎0 = 1 휋 2휋 푓 푥 푑푥 0 푎푛 = 1 휋 2휋 푓 푥 cos 푛푥 푑푥 0 푏푛 = 1 휋 2휋 푓 푥 sin 푛푥 푑푥 0 푓 ∈ 퐿2 0,2휋 con 푇 = 2휋 chiriano@thebrain.net
  • 51. Suoni di un certo carattere  Frequenza ► ALTEZZA  Ampiezza ► INTENSITÀ  Forma ► TIMBRO von Helmholtz 1863 51 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 52. Analisi e Sintesi armonica  Ciascun suono può essere  scomposto nelle proprie componenti fondamentali (analisi armonica)  riprodotto fedelmente sommando opportune onde sonore semplici (sintesi armonica) 52 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 53. Campioni dal mondo Inviluppo variazione nel tempo (s) dell’ampiezza dell’onda (dB) 53 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 Sonogrammi distribuzione nel tempo (s) delle frequenze (kHz) Spettrogrammi variazione nel tempo (s) dell’ampiezza (dB) di ciascuna frequenza Visualizz. 3D ampiezza (dB) nel tempo (s) di ogni frequenza (kHz) chiriano@thebrain.net
  • 54. Heat parade • teoria delle formanti dipendenza da sorgente, risuonatore e adattatore Voce umana (“a” ed “i”) 54 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 VS Propagazione del calore chiriano@thebrain.net
  • 55. Rumore bianco Köln – WDR – 1953 K.H. Stockhausen Elektronische Musik Paris – ORTF – 1948 P. Schaeffer Musique Concrète Milan – RAI – 1955 L. Berio Musica elettroacustica 55 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 56. Ufficio Semplificazioni Affari omplessi intersezioni  eq. differenz. non lineari Eulero 1739  teoria onde sonore Lagrange 1759  perturbazioni orbite dei pianeti Lagrange 1770, Leverrier 1846, Einstein 1916  teoria del calore Fourier 1807, 1822  onde e.m. Maxwell 1865  equazione di Schrödinger 1926 innovazioni  def. di funzione e monotonia P.G. Dirichlet 1829  integrale definito B. Riemann 1854, H. Lebesgue 1903  teoria degli insiemi G. Cantor 1870  spazi di Hilbert 1909  teoria delle distribuzioni L. Schwartz 1944 manipolaz. suoni, immagini e video FFT 1965, 풞1 wavelets 1985 Nicola 56 Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 57. Innovazioni tecnologiche  CD Audio (Sony e Philips 1980)  microonde (Hertz 1887) come previsto da Maxwell (1873)  DSP e FFT  DNA (J. Watson e F. Crick 1953)  TAC (Nobel per la medicina 1979)  RMN (risonanza magn. nucleare)  Radiotelescopi  FBI fingerprints database (1993) 57 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 58. omplessi & ompressi  Audio  PCM (CD) dati non compressi  MP3 taglia freq. non udibili ed armoniche secondarie (1995)  Image  lossy (JPEG 1992)  loseless (TIFF 1986, PNG 1995)  Video  DVD (MPEG 1988)  DivX 1999 58 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 59. «Per tre cose vale la pena di vivere: la matematica, la musica e l’amore » (R. Caccioppoli) 59 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net
  • 60. Bibliografia e risorse web  N. Chiriano, Suoni prodotti in serie. La sintesi di J.B. “Fab” Fourier, Alice&Bob n. 20, set-ott 2010  N. Chiriano, Onda su onda su onda... J.B. d’Alembert fa luce sul suono, Alice&Bob n. 19, giu-ago 2010  N. Chiriano, A ritmo di Log. G.W. Leibniz e i “numeri dei rapporti”, Alice&Bob n. 17-18, mar-mag 2010  N. Chiriano, Il restauro della Scala. Il “temperino” di J.S. Bach, Alice&Bob n. 16, gen-feb 2010  N. Chiriano, Pitagora e la Musica, Alice&Bob n. 15, nov-dic 2009  A. Cremaschi, F. Giomi, Rumore bianco. Introduzione alla musica digitale, Zanichelli, 2008  Ph. Henry, G. Wanner, From Euler to Fourier, MP3 and JPEG, Zürich 2007  M. Cerasoli, Esempi di bufale nell’insegnamento della matematica, Boll. Doc. Mat. 39 (1999)  M. Degiovanni et al., Matematica per la vita, Fond. Boroli  A. Frova, Fisica nella Musica, Zanichelli, 1999  P. Odifreddi, Penna, pennello e bacchetta. Le tre invidie del matematico, GLF Laterza, 2005  P. Italia, Musica e Matematica, in Nuova Umanità XXVI (2004/2) 152  L. Berio, T. Regge, F. Tibone, Vicino alla musica (CD ROM), Zanichelli, 1999  S. Isola, Matematica e Musica, unicam.it  W. Maraschini, Sette note e infiniti numeri, treccani.it  FOR – Laboratorio di Matematica e Musica for.indire.it  GALLICA, Bibliothèque nationale de France, gallica.bnf.fr  E. Prestini, Un matematico freddoloso e l’effetto serra, matematica.unibocconi.it  portale Musica su wikipedia.org  Fisica Onde Musica, fisicaondemusica.unimore.it/ 60 Nicola Chiriano - Milano, 10 feb 2012 chiriano@thebrain.net