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5平均律と7平均律におけるドミナントモーションやコルトレーンチェンジ

最近、5平均律や7平均律での完全五度や長三度の様子について考察した。
さて、「ドミナントモーション」を、根音が完全五度(周波数比が$2:3$の二音の間隔)下降するもの(四度進行)、という風に広く捉え、それを5平均律や7平均律で考えるとどうなるか見てみよう。

5平均律での完全五度は、音3つ分の隔たりであった(完全四度は音2つ分)。3と5は互いに素だから、$3,6,9,\dots$と3の倍数を考えていくと、$3 \times 5 = 15$で初めて15の倍数になる。すなわち、四度進行を5回行うと初めて元の位置に戻る。図にすると以下の通り(5平均律に現れる5音をドレミソラで代用した)。


また、7平均律での完全五度は、音4つ分の隔たりであった(完全四度は音3つ分)。この場合も、4と7は互いに素だから、四度進行を7回行って初めて元の位置に戻る。図にすると以下の通り(7平均律に現れる7音をドレミファソラシで代用した)。




ところで、以前、「元のオーダーとネガティブハーモニーの拡張」という記事で、12平均律での4度進行や、いわゆる「裏コード」による半音下降の進行などは、
同じ音程の移動を繰り返し行っていくと12回目で初めて元の位置に戻る
という特徴を持っているということに言及した。1や5や7や11は12と互いに素だということでもある。

このような意味では、5平均律も7平均律も12平均律も、ドミナントモーションは同じような性質、すなわち繰り返していくとすべての調を一度ずつ巡って元の位置に戻ってくるという性質を持っていることになる。


一方、そうではない(オーダーが12ではない)音程について考えると、状況は変わる。

例えば有名なコルトレーンチェンジは長三度離れた調へ移調することを繰り返すものだが、長三度は半音4つ分であり、4を3倍すると12になるから、長三度離れた調への移調は3回やるともう元の位置に戻ってしまう。
同様に、コルトレーンの「Central Park West」のような短三度転調だと4回で元の位置に戻る。
このように、12平均律では、同じ音程の関係にある調への転調を繰り返したとき、すべての調を一巡せず、12より少ない回数で元の位置に戻ってくるものがたくさん存在する。

しかし、5平均律や7平均律では、そのようなことは起こらない。5や7は素数だから、1,2,3,4はすべて5と互いに素だし、1,2,3,4,5,6はすべて7と互いに素だから、四度進行や「半音」進行に限らず、すべての音程が、「繰り返していくとすべての調を一度ずつ巡って元の位置に戻ってくる」という性質を持っている。


よって、12平均律の時には、これをドミナントモーションのような強い進行感を持った進行の特徴づけに用いることができるという仮説を立てることができたが、5平均律や7平均律ではそのようなことは言えない。

また、5平均律や7平均律では「移調の限られた旋法」「シンメトリカルスケール」を考えることもできないし、いわゆる「コルトレーンチェンジ」や「中心軸システム」を考えることもできない。

これは5,7だけでなく、13平均律や17平均律、19平均律など、"素数"平均律であればすべてに言えることである。

7平均律のメジャーコード

以前の記事で、5平均律ではメジャーコードとしてどのような音の集まりを選ぶのが妥当かについて書いた。ここでは同じ議論を7平均律について用いてみる。


$0, 1/7, 2/7, 3/7, 4/7, 5/7, 6/7$の中から、$\log_{2} 1.5 = 0.58496250\dots, \log_{2} 1.25 = 0.32192809\dots$に近いものをそれぞれ選びたい。

$4/7 = 0.571428571428\dots$であるから、$\log_{2} 1.5$には$4/7$が一番近い。また、5平均律のときは$3/5 = 0.6$を選んだから、これは純正な完全五度より広かったが、7平均律で$4/7$を選ぶと今度は純正なものより狭いということになる。また、誤差はこちらの方がわずかに小さい。

5平均律のメジャーコード

5平均律は、インドネシアの民族音楽、ガムランで用いられるある音階などに見出されるらしい。12平均律での話をある意味合いで敷衍して、5平均律について考えてみたい。




まず平均律を考える前提の話をまとめる。

音程、つまり音高の差は、周波数の比に対応する。すなわち、周波数がそれぞれ$a,b,c,d$の4音A,B,C,Dがあったとき、AB間の音程とCD間の音程が等しい、ということは、$b\div a=d\div c$となることである。

1オクターブ離れた音どうしは、周波数比が1:2の関係にあることが分かっている。よって、たとえば周波数が$x$である音と$2x$である音の間のオクターブをちょうど2等分したければ、$y\div x=2x\div y$となるような$y$が周波数であるような音を持ってくればよい。これを計算すると$y=\sqrt{2}x$となる。3等分、4等分...としていきたければ、ルート(=二乗根)ではなく三乗根、四乗根...を用いればよい。
このように等分する利点は、移調が容易であるという点である。特に鍵盤楽器などは、調が変わるたびにいちいち調弦をするのはかなり大変なので、音程の間隔が等間隔だとうれしい。

一方で、ある音(基音と呼ぶ)の倍音と呼ばれる音は、周波数が基音の整数倍の音たちである。すなわち、周波数が$x$である音を基音とすると、周波数が$x,2x,3x,4x,\dots$であるような音を倍音と呼ぶ。
倍音は、楽器で基音を鳴らしたときにその中に自然に見出されたり、お互いにうなることなく響き合ったりして、響きの美しさの点で重要な音である。

ここで、倍音の間の周波数比はすべて有理数(整数$\div$整数という形で書ける数)で、一方2の累乗根は一般に無理数(整数$\div$整数では書けない数)だから、1オクターブをどんなに細かく等分しても、(1,2,4,8,16,32,...倍以外の)倍音を正確に鳴らすことはできない。
だから、適宜近い音を選んでお互いにすりあわせていく必要がある。

クセナキスの「UPIC」について

昨日の記事の続きです。

20世紀の作曲家に Iannis Xenakis (ヤニス・クセナキス)という人がいます。
音楽と数学と建築を学び、幅広く創作活動を行った人物ですが、クセナキスが1970年代に開発した、一定の入力にしたがって音源を生成するコンピュータに、UPIC というものがあります。
UPIC における入力は、いわゆるピアノロールを拡張したようなもので、縦軸が音高、横軸が時間を表している平面にいくつかの曲線を描くと、それが音となって出力されます。ここで、縦軸は連続的な値をとることができ、その点で DAW などのピアノロールとは異なります。
また、音高以外に、音色や音量も制御できたようですが、それらは描く線の種類など、できあがる曲線そのものとは関わらない部分でコントロールされているようです。

UPIC を用いて作曲された曲のうちの一つ、Mycenae Alpha という曲の動画のリンクを貼ります。

音楽のモデル化全般について

「音楽」を抽象的にモデル化して考えるということは、日々、様々なレベルで行われている、というか、人間はそのようなことを介さなければ「音楽」を思考に落とし込むことができないと思われる。
ここで、抽象的にモデル化というのは、なにかあらかじめ与えられた変数(パラメータ)の組のようなものがあって、その個々の変数がどのような値を取っているか、ということのみに着目し、それ以外の要素は忘れ去るということである。

たとえば、音高と、発音、消音のタイミングのみに着目するというのは最も想像しやすいモデル化の方法であろう。DAWで打ち込むときのピアノロールがまさにこの発想であって、ここでは変数は、離散的な「音高」と、「時間」の二つである。
ここに加えて、音の強さや、音色(これは変数として処理するのはそれ以外のものに比べて難しいだろう)など、変数を増やしていけば、それだけ精密に「音楽」を書き表すことができる。変数のような発想とはすこしずれるにせよ、「五線譜」もモデル化の一種である。

移調と群作用2

先日の記事の続きです。


まず先日の記事の内容を軽く要約します。
「群」とは、何らかの「変換」を集めてきたようなものです。
そして、群の「作用」とは、その変換が具体的にどのように作動するかを指定したものです。


たとえば、前の記事では、「群」として、「0から11までの数字全体」を用意しました。これを$G$と書くことにします。($G$の要素はただの数字と区別するために上に横棒をつけて$\bar{0},\bar{1}$のように表しました。)
そして、$G$の各要素$\bar{g}$に対して、$\bar{g}$は「音を半音$g$個分上に動かす」という風に定め、これによって、$G$の、音全体の集合$T$への「作用」が定まります。
また同様に、$T$の部分集合全体の集合(=和音やスケールなど、「音の集まり」の集合)$\mathcal{P}(T)$に対しても、$G$の作用が定まります。

例えば、$\bar{4}$という$G$の要素を、$C^{\#}$という$T$の要素に作用させると、$C^{\#}$を半音4つ分上に上げた音、$F$が得られます。これは$\bar{4} \cdot C^{\#} = F$というように書かれます。

移調と群作用1

群とその作用という数学的な概念を用いて「移調」を言い換えてみたいと思います。
これによって特に新たな知見が得られるかどうかは分かりませんが、一つの思考の整理方法として提示します。


群と作用の定義についてはここで書くと長くなるので、Wikipedia の記事へのリンクを貼っておきます。
群 (数学) - Wikipedia
群作用 - Wikipedia


さて、以下、位数12の巡回群$\mathbb{Z}/12\mathbb{Z}$を短く$G$と書くことにします。
$G$の元を、上に横線をつけて、$\bar{0},\bar{1},\bar{2}, \dots, \bar{11}$で表します。

それと別に、12個の元からなる音の集合$T = \{ C, C^{\#}, D, D^{\#}, E, F, F^{\#}, G, G^{\#}, A, A^{\#}, B \}$を用意します。


このとき、「移調」は、$G$の$T$へのある作用と捉えることができます。

ある音列を含むシンメトリカルスケールの簡潔な表記

数式を用いた音の集合の表記の話題です。この記事の続きになります。

少し話を整理します。まず、音全体の集合を$T$とおきました。すなわち、
\[
T = \{ C, C^{\#}, D, D^{\#}, E, F, F^{\#}, G, G^{\#}, A, A^{\#}, B \}
\]です。

また、$T$の要素を、「長三度離れている音どうしは同じグループに属する」というルールで分別したものを$T_{\mathrm{AUG}}$と書いていました:
\[
T_{\mathrm{AUG}} = \{ \{C, E, G^{\#}\}, \{C^{\#}, F, A\}, \{D, F^{\#}, A^{\#}\}, \{D^{\#}, G, B\} \}
\]これは4つの要素からなる集合です。

そして、$T$から$T_{\mathrm{AUG}}$へ、自然な写像$p_{\mathrm{AUG}}$を定義しました。これは、「音に対して、その音を含むグループを対応させる写像」です。


さて、ここでは次のような問題を考えます。
あるコードが与えられたとき、そのコードを含む最も小さいシンメトリカルスケールは何か?

12という数字について

こんにち、街中で聴かれる音楽は大抵は1オクターブを12等分してできる音のシステムを利用して作られています。
この12という数字の必然性についてはここでは論じませんが、12という数字であった結果生まれる現象について4つほど考えていることを記してみます。



まず、シンメトリカルスケールが多く存在します。

これは12が約数を多くもっていることに起因します。1から11までの整数のうち、12と互いに素であるものは1,5,7,11の4つしかなく、残りの7つの数に対応する音程については、その繰り返しによって容易にシンメトリカルなスケールないしコードが発生します(長二度の繰り返しはホールトーンスケール、短三度の繰り返しはディミニッシュ7th、長三度の繰り返しはオーグメンテッドトライアドなど)。



次に、ドミナント進行が存在します。

これは僕の考えでしかありませんが、この記事でも記したように、完全四度上昇するという動きが進行感を与えることの要因の一つに、完全四度という音程の繰り返しには、12個の音全てが登場し、短三度や長三度の繰り返しのときのように、12音のうち現れる音と現れない音がある、ということがない、ということがあると思います。
これは、完全四度が半音5つ分であることを踏まえると、12と5が互いに素だということと等価です。そして、上で述べたように、そのような数は1から11の中では1と5と7と11しかありません。
これによって、強い進行感を与えるもの(四度進行とその逆向きの進行、裏コードからの解決という半音下降の進行とその逆向きの進行)とそうでないもの(それ以外)という序列が可能になっていると考えることができます。

もしもオクターブがたとえば13音や17音であったならば、1から12、もしくは1から16までのすべての数がそれぞれ13や17と互いに素なので、上で述べた論理のみから考えるならば、すべての音程の間の移動がドミナント進行のような強い進行感を生み出すことになります。



上のことに加え、ドミナント進行と裏コードが対になっています。

これは、12と互いに素なもの4つ、1,5,7,11を、それぞれ6ずつ離れたものたち、つまり1と7、5と11に分類できるということです。一般には、ある自然数と互いに素なものたちどうしの距離が、その自然数のちょうど半分になるとは限りませんが、ここではそのようなきれいな対が発生しており、裏コードの性質をこれで特徴付けることもできるかもしれません。このように2つずつに分類することで、ドミナント進行とその逆向きの進行を区別することも可能です。


元のオーダーとネガティブハーモニーの拡張

突然ですが、次のようなことを考えます。

  • 0から11までの12個の数字のみを扱う
  • その中で足し算を行う、ただし、足し算の結果が12以上になった場合は、12で割った余りを計算結果とする

つまり、$1+2=3$、$4+7=11$などはそのまま計算し、$5+8$や$8+9+10$など答えが12以上になるものについては、それぞれの和である$13$や$27$を$12$で割った余りの$1$や$3$をここでの計算結果とします。すなわち$5+8=1$、$8+9+10=3$。

これは数学の用語を使えば$\mod 12$の合同式を考える、もしくは剰余群$\mathbb{Z}/12\mathbb{Z}$での和を考えるということです。


さて、このとき、元のオーダーと呼ばれるものについて考えます。これは、集合$\{ 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11\}$それぞれの元(集合の要素のこと)に対して、それを何回足すと初めて$0$になるか、を示すものです。

たとえば、$3$という元は、4回足すと$3+3+3+3=0$となって$0$になります(計算結果が12以上になる場合は12で割った余りを考えるのでした)。また、$3$回以下では$0$にはなりません。
このようなとき、$3$のオーダーは$4$である、という風に言います。

同じように、$4$のオーダーは$3$となりますし($4+4+4=0$)、$6$のオーダーは$2$です。


また、$9$のオーダーについて見てみると、$9+9 = 6$、$9+9+9=3$、$9+9+9+9=0$となって、$9$のオーダーは$4$です。
$5$のオーダーはというとこれはかなり大きく、$12$になります。


ここで一度オーダーを表にまとめておきます。

$\begin{array}{r|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c}
元 & 0 & 1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 & 7 & 8 & 9 & 10 & 11 \\ \hline
オーダー & 1 & 12 & 6 & 4 & 3 & 12 & 2 & 12 & 3 & 4 & 6 & 12 \end{array}$



ここまでの話は音高の話に置きかえることができます。すなわち、半音$3$つ分は短三度ですが、$3$のオーダーが$4$であるとはすなわち、短三度を$4$個積み重ねるとちょうどオクターブになるということ(正確には音名が同じ音になるということ)です。
同様に、$4$のオーダーが$3$であるのは、長三度を$3$個積み重ねるとオクターブになることの言い換えですし、$9$のオーダーが$4$であるのは、長六度を$4$個積み重ねると3オクターブになる(音名は同じ)ということです。


拡張シンメトリカルスケールの定義

先日の記事に引き続いて、数式を使ってシンメトリカルスケールに関することを少し整理してみたいと思います。

設定を整理します。まず、音の集合$T$を
\[
T = \{ C, C^{\#}, D, D^{\#}, E, F, F^{\#}, G, G^{\#}, A, A^{\#}, B \}
\]で定義します。そして、コードやスケールは全て、この$T$の部分集合だと思うことにします。

また、集合$T_{\mathrm{AUG}}$を、4つの要素からなる集合
\[
T_{\mathrm{AUG}} = \{ \{C, E, G^{\#}\}, \{C^{\#}, F, A\}, \{D, F^{\#}, A^{\#}\}, \{D^{\#}, G, B\} \} = \{C_{\mathrm{aug}}, C^{\#}_{\mathrm{aug}}, D_{\mathrm{aug}}, D^{\#}_{\mathrm{aug}} \}
\]と定義し、写像$p_{\mathrm{AUG}} : T \rightarrow T_{\mathrm{AUG}}$を、各音をそれが含まれるグループに送るような写像とします。

この設定のもとで先日は、たとえばチェレプニン音階のように、長3度移調すると構成音が元と全く同じになってしまって、移調が(ある意味では)12回より少ない回数しか実現できないようなものについて、その性質の言い換えを試みていました。

数式のテスト: 12種類の音名を使った数あそびの枠組み

TeXソースを打つと自動的に数式を表示してくれるMathJaxというものを入れてみたので(導入はとても簡単)、そのテストも兼ねて、12種類の音(より正確には音名)を使っていろいろとパズル的に遊んでいくための枠組みを集合の記法を使って記してみたいと思います。


まず、音の集合を$T$と置きます。$T$は12個の要素からなり、それは以下の通りです。
\[
T = \{ C, C^{\#}, D, D^{\#}, E, F, F^{\#}, G, G^{\#}, A, A^{\#}, B \}
\]ただし、異名同音の煩雑さを避けるためここでは全てシャープで表記することにしています。

コードやスケールは全てこの$T$の部分集合であるとみなすことにします。たとえば、
\[
C_{\mathrm{m}7} = \{C, D^{\#}, G, A^{\#}\} \subset T
\]\[
A_{\mathrm{mel.min}} = \{C, D, E, F^{\#}, G^{\#}, A, B\} \subset T
\]などです(mel.minはメロディックマイナー)。

集合同士を見分けるとき、要素を書き並べる順番は関係ないので、集合として一致するという意味で、たとえば
\[
C_{\mathrm{aug}} = E_{\mathrm{aug}} = G^{\#}_{\mathrm{aug}} = \{C, E, G^{\#}\}
\]です。

また、このようにしておくと、あるコードがあるスケールのダイアトニックコードであるかどうかは(おおむね)集合同士の包含関係で考えることができます。たとえば、
\[
E_{7} = \{D, E, G^{\#}, B\} \subset \{C, D, E, F^{\#}, G^{\#}, A, B\} = A_{\mathrm{mel.min}}
\]であり、E7はAメロディックマイナーのダイアトニックコードです(「スケールから音を1つ飛ばしに取ってきたもの」になるかどうかについてはとくに言及できないため、ダイアトニックコードの定義によってはこれは不正確です)。


さて、$T$の部分集合を(1音だけの場合も)総称してスケールと呼ぶことにすると、スケールの個数は$T$の部分集合の個数、すなわち$2^{12} = 4096$個ということになります。空集合の場合は考えないことにするならば$4095$個です。

それらのスケールのうち、ある性質を満たすものはどのくらいの種類があるのか、ということについて、この枠組みで少し考えてみたいと思います。


性質にもいろいろな種類があると思いますが、まずはいわゆる「移調の限られた」ものについて考えてみます。この用語は作曲家のオリヴィエ・メシアンによるもので、Wikipediaにある程度詳しい解説があります。


例として、移調が4回可能なスケールについて考えます。移調が12回ではなく4回しか可能ではないというのはどういうことかと言えば、半音ずつずらしていって、5個目の「調」まで移調したときに、もとのスケールと完全に構成音が一致してしまう、ということです。
たとえば、
\[
C_{\mathrm{Tchel}} = \{C, C^{\#}, D^{\#}, E, F, G, G^{\#}, A, B\}
\]というスケールについて考えてみます。このスケールはメシアンの移調の限られた旋法の第三番の転回形で、ロシアの作曲家アレクサンドル・チェレプニンがよく用いた「チェレプニン音階」と呼ばれるものです。
これを半音ずつ上げていくと、
\[
C_{\mathrm{Tchel}} = \{C, C^{\#}, D^{\#}, E, F, G, G^{\#}, A, B\}
\]\[
C^{\#}_{\mathrm{Tchel}} = \{C^{\#}, D, E, F, F^{\#}, G^{\#}, A, A^{\#} C\}
\]\[
D_{\mathrm{Tchel}} = \{D, D^{\#}, F, F^{\#}, G, A, A^{\#}, B, C^{\#}\}
\]\[
D^{\#}_{\mathrm{Tchel}} = \{D^{\#}, E, F^{\#}, G, G^{\#}, A^{\#} B, C, D\}
\]\[
E_{\mathrm{Tchel}} = \{E, F, G, G^{\#}, A, B, C, C^{\#}, D^{\#}\}
\]となって、$C_{\mathrm{Tchel}}$と$E_{\mathrm{Tchel}}$は一致します。
この先も周期4で同じことの繰り返しなので、結局、「調」の違いは合計で4種類しかないというわけです。