Музыкальная дюжина

Интересным примером применения наилучших приближений, получаемых с помощью непрерывных дробей, служит математическое объяснение того, почему со времен Баха используется равномерно темперированная шкала, содержащая 12 полутонов в каждой октаве. Наряду с основным тоном музыкального инструмента (вызываемого, например, колебанием струны) звуковое колебание содержит ряд обертонов, создающих тембровую окраску звука. Если, например, длина струны L такова, что (при заданном натяжении) она издает звук До первой октавы, соответствующий (например) w = 512 колебаниям в секунду, то струна длиной 2/3 L (на струнных инструментах эта длина получается нажатием пальца в соответствующем месте) издает звук, имеющий частоту 3/2w (натуральная квинта), а струна длиной L/2 издает звук, имеющий частоту 2w (октава).  Эти обертоны, прежде всего, присутствуют в основном тоне. Наше ухо улавливает при сравненни высоты двух звуков не отношение их частот, а логарифм этого отношения. Если принять интервал в одну октаву (переход от звука До первой октавы к звуку До второй октавы) за единицу, то основание логарифмов надо выбрать так, чтобы было
loga(2w/w) = 1, т.е. loga2 = 1
Отсюда видно, что а = 2. Натуральная же квинта воспринимается слухом как интервал, меньший октавы, - а именно, как ее часть, равная
log2(3/2w:w) = log23 - 1
В своем классическом произведении - Хорошо темперированный клавир - Иоганн Себастиан Бах написал 24 фуги для клавира, у которого произведена равномерная темперация, т.е. деление октавы на 12 равных (по слуху) интервалов (полутонов). Почему исторически возникло деление октавы именно на 12 интервалов?
Ответ дает теория непрерывных дробей. Наш слух естественно воспринимает именно натуральную квинту, и делить октаву надо на столько частей, чтобы число log23 - 1 хорошо приближалось дробью с выбранным знаменателем (иначе слух будет отмечать диссонанс звуков). Разложив это число в непрерывную дробь, находим (это легко сделать с помощью калькулятора)
log23 - 1 = 0,5849625 = 1/ (1 + 1/ (1+ (2 + 1/ (2 + 1/ (3 + …)))))
Подходящими дробями будут 1; 1/2; 3/5; 7/12; 24/41; …
Приближения 1 и 1/2 слишком грубые (первое из них означает, что мы приравниваем натуральную квинту к октаве!). Приближение 3/5 соответствует пентатонике, существующей у народов Востока, а приближение 7/12 самое удачное. Оно соответствует делению октавы на 12 частей (полутонов), и 7 таких полутонов соответствуют квинте. Сравнение числа log23 - 1 с числом 7/12 = 0,5833… показывает качество приближения: разница высот натуральной квинты и темперированной квинты (7 полутонов) не улавливается даже профессиональными музыкантами. Заметим, что, кроме звука Соль (семь полутонов от звука До), важную роль играют следующие звуки, входящие в основные трезвучья:
фа: длина струны 3/4L, частота 4/3w;
log2 (4/3w:w) = 2 - log23 ~~ 5/12
(где  знак ~~ означает - приближенно равно)
ми: длина струны 4/5L, частота 5/4w;
log2 (5/4w:w) = log25 - 2 ~~ 4/12
ми бемоль: длина струны 5/6L, частота 6/5w;
log2 (6/5w:w) = 1 + log23 - log25 ~~ 3/12
Отметим, что приближение для натурального звука Ми (4 интервала от основного тона) является не таким хорошим, как для натуральной квинты, и скрипачи различают звуки Ми диез и Фа
Из примечаний В.Г. Болтянского к книге Феликса Клейна (1849-1925) Элементарная математика с точки зрения высшей. Т.1. Пер. с нем. (Под ред. В.Г. Болтянского. - 4-е изд. - М., Наука. Гл.ред.физ-мат. лит. 1987)