СОБСТВЕННЫЕ ФУНКЦИИ И СОБСТВЕННЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ОПЕРАТОРОВ
МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АППАРАТ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ
В квантовой механике каждой динамической переменной (координате, импульсу, энергии и т.д.) ставится в соответствие линейный самосопряженный оператор. Оператором наз. правило или закон, согласно которому функции
, из некоторого класса функций, ставится в соответствие другая функция φ.
Операторы обозначаются символом ^ , например, ,
,
и т.д. Говорят, что оператор
действует на функцию f или оператор
переводит функцию
f в φ :
(1)
Например, =
;
.
Действуя оператором на функцию, получим:
,
.
Оператор определен на некотором классе функций. Оператор считается заданным, если указано не только правило, с помощью которого он преобразует одну функцию в другую, но и то множество функций, на которые действует этот оператор. Например, оператор дифференцирования определен на классе дифференцируемых функций.
Сумма или разность операторов означает
В общем случае , но если последовательность действия операторов не имеет значения, т.е.
, то говорят, что эти операторы коммутируют или эти операторы коммутативны. Если
операторы не коммутативны. Кроме коммутативных и некоммутативных операторов существуют антикоммутативные операторы:
.
Произведение 2-х одинаковых операторов: , n раз :
.
В квантовой механике большую роль играют линейные самосопряженные (эрмитовы) операторы. Свойство линейности означает, что
Здесь и
– постоянные
и
функции, на которых определен оператор
.
Условие линейности операторов можно записать так:
Операторы могут иметь векторный характер. В квантовой механике часто встречается оператор набла:
- орт-векторы (единичные).
Произведение 2-х векторных операторов строится как скалярное произведение векторов:
=
Оператор , для которого выполняется следующее равенство, наз. самосопряженным или эрмитовым:
От функций и
требуется, чтобы оператор
был определен на них и интегралы, входящие в это выражение, существовали.
Знак * означает комплексное сопряжение. Например, для выражения
Для получения комплексной сопряженности числа, содержащего мнимую единицу, нужно заменить на -
:
.Вещественный оператор при комплексном сопряжении остается неизменным.
СОБСТВЕННЫЕ ФУНКЦИИ И СОБСТВЕННЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ОПЕРАТОРОВ
Когда в результате действия оператора на функцию, она не меняется или изменяется лишь на некоторый множитель, например, , то говорят, что
– это собственное значение оператора
, а функция
- собственная функция оператора
.
Условие, при котором оператор оставляет функцию f неизменной, с точностью до постоянного множителя, можно записать в виде:
(1).
Здесь – постоянная, зависящая от вида оператора и функции. Очевидно, что не всякая функция f будет удовлетворять условию (1) и не при всяких значениях
. Значения
, при которых уравнение (1) имеет отличные от нуля решения, называются собственными значениями оператора
. Набор собственных значений называется спектром собственных значений оператора
. Спектр может быть непрерывным и дискретным. Он является непрерывным, если уравнение (1) имеет решение при всех значениях
в некотором промежутке. Спектр собственных значений может быть смешанным, т.е. состоять из непрерывных и дискретных значений. Каждому собственному значению оператора
соответствует собственная функция
. В этом случае, говорят, что собственная функция
принадлежит собственному значению
. Если каждому собственному значению оператора принадлежит несколько различных функций
, то говорят, что этот спектр
-кратно вырожден. Рассмотрим несколько важных свойств собственных значений и собственных функций.
Теорема 1: Если оператор самосопряженный, то его собственные значения вещественны.
Теорема 2: Собственные функции и
самосопряженного оператора
, принадлежащие разным собственным значениям
и
,ортогональны между собой:
. (2)
В случае дискретного спектра интеграл имеет конечное значение.
Если вместо функции выберем функцию
, то имеем
. Замена функции
на
таким способом называется нормированием функции
, а коэффициент
- коэффициентом нормировки.
Функция называется нормированной. Собственные функции дискретного спектра всегда можно считать нормированными.
Условие ортогональности и нормировки вместе можно записать следующим образом:
(4)
- символ Кронекера.
Возможны случаи, когда разные собственные функции принадлежат одинаковым собственным значениям, т.е. имеет место вырождение. Вырожденные функции вообще говорят не ортогональны.
Теорема 3: Если несколько собственных функций принадлежат одинаковым собственным значениям, то любая линейная комбинация из этих функций является решением того же операторного уравнения и с тем же собственным значением.
Теорема 4: Если 2 оператора и
имеют общую полную систему собственных функций, они коммутируют.
Теорема 5: Если 2 оператора и
коммутируют, то они имеют общие собственные функции.
Теорема 6: Система собственных функций операторного уравнения полна. Это значит, что любую функцию , определенную в той же области переменных и подчиненную тем же граничным условиям, что и собственные функции дискретного спектра
оператора
, можно представить в виде ряда из этих собственных функций: