Sturm-Liouville 本征值问题

\gdef\red#1{{\color{cb8680}{#1}}} \gdef\green#1{{\color{4f8d63}{#1}}} \gdef\gray#1{{\color{gray}{#1}}} \gdef\purple#1{{\color{B189C6}{#1}}} \gdef\orange#1{{\color{dfa04b}{#1}}} \gdef\white#1{{\color{white}{#1}}}

Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 本征问题

  • 数学家从大量实践中总结出一类 (a,b)\red{\boldsymbol{(a,b)}} 上有趣的 Sturm-Liouville 型微分方程

    ddx[k(x)dydx] −↓ q(x)y(x)+λρ(x)y(x)=0\frac{d}{dx} \bigg[ k(x) \frac{dy}{dx} \bigg] ~\stackrel{\large\downarrow}{\red{\boldsymbol{-}}} ~ q(x) y(x) + \lambda \rho(x)y(x) = 0

    k(x)k(x), q(x)q(x),ρ(x)\rho(x) 是 已知函数,y(x)y(x) 是 未知函数,λ\lambda 是常数,

    • ρ(x)\rho(x) 称为 权函数
    • 给定边界条件下,使得 y(x)y(x) 有解的 λ\lambda 值称为 本征值
    • 给定边界条件以及合适的本征值 λ\lambda,对应的 y(x)y(x) 称为 本征函数
    • 方程 + 边界条件 →\to Sturm-Liouville 本征问题
Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 本征问题

  • Sturm-Liouville 方程的标准形式

    ddx[k(x)y′(x)]−q(x)y(x)+λρ(x)y(x)=0\frac{d}{dx} \bigg[k(x) y'(x) \bigg] - q(x) y(x) + \lambda \rho(x)y(x) = 0

  • 之前学过的二阶线性齐次常微分方程的标准形式

    y′′(x)+P(x)y′(x)+Q(x)y(x)=0y''(x) + P(x) y'(x) + Q(x) y(x) = 0

  • 看起来不一样
Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 本征问题

  • 本质是同一个东西

    数学家喜欢一个东西变来变去

Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 本征问题

  • Sturm-Liouville 标准形式重写

    y′′(x)+k′(x)k(x)y′(x)+λρ(x)−q(x)k(x)y(x)=0y''(x) + \frac{k'(x)}{k(x)} y'(x) + \frac{\lambda \rho(x) - q(x)}{k(x)} y(x) = 0

  • 与二阶线性常微分方程标准形式比较

    P(x)∼k′(x)k(x)=ddxln⁡x,Q(x)∼λρ(x)−q(x)k(x)P(x) \sim \frac{k'(x)}{k(x)} = \frac{d}{dx}\ln x, \qquad Q(x) \sim \frac{\lambda \rho(x) - q(x)}{k(x)}

    kk 的零点 ⇒\Rightarrow P(q)P(q), Q(x)Q(x) 的奇点;什么时候是正则奇点?

Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 本征问题

  • 最一般的 Sturm-Liouville 方程比较麻烦
  • 下面简单介绍在系数、解满足特定的条件时的一般性质
Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 本征问题:特定条件

  • 系数函数 k(x)k(x), q(x)q(x), ρ(x)\rho(x) 在开区间 (a,b)\red{\boldsymbol{(a,b)}} 上是连续可微实函数,

    k(x) > 0,q(x)≥0,ρ(x)≥0,x∈(a,b)k(x) ~ \red{\boldsymbol{>}} ~ 0, \quad q(x) \ge 0, \quad \rho(x) \ge 0, \qquad x \in (a,b)

  • 在边界处
    • k(x)k(x) 在边界 a,ba, b 有限,可以有零点,最高二阶零点

    • q(x)q(x) 在边界 a,ba,b 最高一阶 极点

      保证 q(x)/k(x)q(x)/k(x) 极点 不超过二阶

    • ρ(x)\rho(x) 在边界 a,ba, b 处有限,可以有零点

Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 本征问题:特定条件

  • 未知函数 y(x)y(x) 在开区间 (a,b)(a,b) 上连续可微,在闭区间 [a,b][a,b] 上连续有界

    在 [a,b][a,b] 上连续有界其实就是自然边界条件

  • 后面讨论在边界 a,ba, b 额外添加其他边界条件

    这些额外边界条件与自然边界条件相容

Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 本征问题:特定条件

无界区间

a,ba,b 可能取正负无穷。此时一般要求 y(x)y(x) 在该无限区间上面满足平方可积性,

∫∣y(x)∣2dx<∞ \int |y(x)|^2 dx < \infty

Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 本征问题例子

  • 波动方程的分离变量法得到,第一二三类边界条件

    y′′(x)+λy(x)=0y''(x) + \lambda y(x) = 0

    αy′−βy∣x=a=(γy′+δy)∣x=b=0\alpha y' - \beta y \big|_{x = a} = (\gamma y'+\delta y)\big|_{x = b} = 0

  • 读取在开区间 (a,b)(a,b) 内

    k(x)=1>0,q(x)=0≥0,ρ(x)=1>0k(x) = 1 > 0, \qquad q(x) = 0 \ge 0, \qquad \rho(x) = 1 > 0

    在边界处 k(a)=k(b)=1k(a) = k(b) = 1,没有零点
Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 本征问题例子

  • 勒让德方程的本征问题,自然边界条件

    y′′(x)−2x1−x2y′+λ1−x2y=0,∣y(±1)∣<∞y''(x) \green{- \frac{2x}{1-x^2}} y' + \green{\frac{\lambda}{1 - x^2}}y = 0, \qquad |y(\pm 1)| < \infty

    ddx[(1−x2)y′(x)]+λy(x)=0,∣y(±1)∣<∞\frac{d}{dx}\bigg[(1 - x^2) y'(x)\bigg] + \lambda y(x) = 0, \qquad |y(\pm 1)| < \infty

    拉普拉斯算符在什么坐标系的分离变量法会出现勒让德方程?球坐标

Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 本征问题例子

  • 开区间 (−1,1)(-1,1) 内

    k(x)=1−x2>0,q(x)=0≥0,ρ(x)=1≥0k(x) = 1 - x^2 > 0, \qquad q(x) = 0 \ge 0, \qquad \rho(x) = 1 \ge 0

    在左右边界处,k(±1)k(\pm1) 有 一阶零点,同时有 自然边界条件
Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 本征问题例子

  • Bessel 方程本征值问题,自然边界与第三类边界

    ddx(xdydx)−m2xy+λxy=0,0<x<a\frac{d}{dx}\bigg(x \frac{dy}{dx}\bigg) - \frac{m^2}{x} y + \lambda x y = 0, \quad 0 < x < a \\

    ∣y(0)∣<∞,αy′(a)+βy(a)=0\purple{|y(0)| < \infty} , \quad \alpha y'(a) + \beta y(a) = 0

    • 在柱坐标系分离变量,mm 跟什么对称性有关? zz-轴旋转对称性
    • 在柱坐标系分离变量,λ\lambda 跟什么对称性有关? zz-轴平移对称性
Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 本征问题例子

  • 开区间 (0,a)(0, a) 内

    k(x)=x>0,q(x)=m2x≥0,ρ(x)=x≥0k(x) = x > 0, \qquad q(x) = \frac{m^2}{x} \ge 0, \qquad \rho(x) = x \ge 0

    在边界处 k(0)=0k(0) = 0,有 一阶零点,同时有 自然边界条件
Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 本征问题例子

  • 球坐标径向函数 y(x)≔R(r=x/k)y(x) \coloneqq R(r=x/k) 满足球 Bessel 方程本征值问题,自然边界与第一类边界条件

    ddx[x2dydx]−λ1y+λ2x2y=0,0<x<a\frac{d}{dx}\bigg[ x^2 \frac{dy}{dx} \bigg] - \lambda_1 y + \lambda_2 x^2 y = 0, \quad 0<x<a

    ∣y(0)∣<∞,y(a)=0|y(0)| < \infty, \qquad y(a) = 0

  • 开区间 (0,a)(0, a) 内 (λ2\lambda_2 是本征值)

    k(x)=x2>0,q(x)=λ1≥0,ρ(x)=x2≥0k(x) = x^2 > 0, \qquad q(x) = \lambda_1 \ge 0, \qquad \rho(x) = x^2 \ge 0

    在边界 x=0x = 0 处,k(0)=0k(0) = 0 有 二阶零点,同时有 自然边界条件
Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 本征问题例子

  • 一维量子力学不含时薛定谔方程 (m>0,ℏ>0m > 0, \hbar > 0, V(x)≥0V(x) \ge 0)

     −ℏ22md2ψ(x)dx2+V(x)ψ(x)=Eψ(x)⇒ ddx[dψ(x)dx]−2mℏ2V(x)ψ(x)+2mℏ2Eψ(x)=0\begin{align*} & \ -\frac{\hbar^2}{2m} \frac{d^2 \psi(x)}{dx^2} + V(x) \psi(x) = E \psi(x)\\ \Rightarrow & \ \quad \frac{d}{dx}\left[{\frac{d \psi(x)}{dx}}\right] - \frac{2m}{\hbar^2}V(x)\psi(x) + \green{\frac{2m}{\hbar^2}E} \psi(x) = 0 \end{align*}

    读取

    k(x)=1,q(x)=2mℏ2V(x)≥0,ρ(x)=1>0,λ=2mℏ2Ek(x) = 1, \qquad q(x) = \frac{2m}{\hbar^2} V(x) \ge 0, \qquad \rho(x) = 1 > 0, \quad \lambda = \green{\frac{2m}{\hbar^2} E}

Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 本征问题的边界条件

  • 之前提到的边界条件有三维来源:球坐标与柱坐标的分离变量法
  • 对物理的朴素理解:周期性边界、自然边界条件
  • 系统边界与外界的耦合形式:第一二三类边界条件
  • 如果脱离三维物理背景,SL 本征问题边界条件是否可以随心所欲地设置?
Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 本征问题的边界条件

  • 讨论三种常见边界条件的使用场景

Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 本征问题的边界条件

  • 齐次 第一二三类边界条件

    适用于闭区间 [a,b]\red{[a,b]} 上全程 k(x) > 0k(x)~ \red{>}~ 0

    αy′(a) − βy(a)=0,γy′(b)+δy(b)=0\alpha y'(a) \ \red{\boldsymbol{-}} \ \beta y(a) = 0, \quad \gamma y'(b) + \delta y(b) = 0

    其中 α,β,γ,δ≥0\alpha, \beta, \gamma, \delta \ge 0,α2+β2>0\alpha^2 + \beta^2 > 0,γ2+δ2>0\gamma^2 + \delta^2 > 0

    既然用到 y,y′y, y' 在边界上的值,就暗示了 yy 及其导数 在 [a,b][a,b] 上 连续且有界,即已经满足自然边界条件

Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 本征问题的边界条件

  • 周期性边界条件

    适用于正定周期系数 k(a)=k(b) >0k(a) = k(b) \ \red{> 0}, 以及周期 q(a)=q(b)q(a) = q(b), ρ(a)=ρ(b)\rho(a) = \rho(b) 的方程

    y(a)=y(b),y′(a)=y′(b)y(a) = y(b), \quad y'(a) = y'(b)

    既然用到 y,y′y, y' 在边界上的值,就暗示了 yy 及其导数 在 [a,b][a,b] 上 连续且有界,即已经满足自然边界条件

    ∣y(a)∣<∞,∣y(b)∣<∞|y(a)| < \infty, \qquad |y(b)| < \infty

Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 本征问题的边界条件

  • 自然边界条件

    • 准确地说应该是 没有添加别的边界条件

    • 更准确来说是 没有办法添加别的边界条件

Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 本征问题的边界条件

  • 端点 aa (或 bb) 处只使用自然边界条件 (不加第一二三类) 的 充要条件 是 k(a)=0k(a) = 0 (或 k(b)=0k(b) = 0)
  • Why?

  • 核心动机:Sturm-Liouville 本征问题想找到一个本征函数 (保留一个自由常数)

  • 核心原因:k(a)k(a) 是否为零决定了 aa 处是常点还是正则奇点

Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 本征问题的边界条件

  • 下面对比齐次第一二三类边界条件和自然边界条件的适用范围
  • Sturm-Liouville 方程是二阶齐次 ODE:两个线性独立解,两个自由度,要想办法降低一个自由度
  • 常点附近
    • 解是解析函数,函数值天然有限
    • 可以独立地、任意指定 y(a),y′(a)y(a), y'(a)
    • 通过指定第一二三类条件降低一个自由度
    • 另一个端点的齐次边界条件确定本征值
Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 本征问题的边界条件

  • 正则奇点附近
    • 第一解有限,第二解发散
    • 自然边界条件筛走发散解 (降低一个自由度)
    • 另外一个端点的齐次边界条件确定本征值
Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 方程的一般性质

  • 下面探讨满足上述特定条件的 Sturm-Liouville 方程的一些一般性质
Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 方程的一般性质

  • 性质 1:本征值是非负实数:λ≥0\lambda \ge 0 (可以取零)
  • 性质 2:本征值无穷多且分立 (可数无穷多),λ1≤λ2≤⋯\lambda_1 \le \lambda_2 \le \cdots,

    lim⁡n→+∞λn=+∞\lim_{n \to +\infty} \lambda_n = +\infty

    证明很困难

  • 性质 3:本征值非简并,即每个 λn\lambda_n 只有一个解 yn(x)y_n(x)

    除了 周期性 边界条件

Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 方程的一般性质

  • 性质 4:设 λn\lambda_n 对应的解为 yny_n,则 yn+1(x)y_{n + 1}(x) 比 yn(x)y_n(x) 多一个零点

    不作证明

Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 方程的一般性质

  • 性质 5:不同本征值的本征函数带权正交,即

    ∫abym(x)‾yn(x)ρ(x)dx=0,n≠m\int_a^b \overline{y_m(x)} y_n(x)\rho(x) dx = 0, \quad n \ne m

    y(x)‾\overline{y(x)} 表示 y(x)y(x) 的复共轭

    万一出现简并,可以对相同本征值的本征函数进行 Schmidt 正交化

  • 本征函数族在 [a,b][a,b] 上完备

    证明很困难

Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 方程的本征值非负

证明本征值非负

  • 方程的标准形式

    ddx[k(x)y′(x)]−q(x)y(x)+λρ(x)y(x)=0\green{\frac{d}{dx} \bigg[k(x) y'(x) \bigg]} \orange{- q(x) y(x)} + \purple{\lambda \rho(x)y(x)} = 0

  • 方程两边同乘 y(x)‾\overline{y(x)},并对 xx 在 [a,b][a,b] 上积分

    λ∫ρ(x)∣y(x)∣2= ∫q(x)∣y(x)∣2−∫y(x)‾ddx(k(x)y′(x))= ∫q(x)∣y(x)∣2 − (y(x)‾k(x)y′(x))∣ab+∫k(x)∣y′(x)∣2\begin{align*} \purple{\lambda \int \rho(x) |y(x)|^2} = & \ \int \orange{q(x) |y(x)|^2} - \green{\int \overline{y(x)} \frac{d}{dx}\left({k(x)y'(x)}\right)} \\ = & \ \int q(x) |y(x)|^2 \ \red{\boldsymbol{-}} \ (\overline{y(x)} k(x) y'(x))\Big|_a^b + \int k(x) |y'(x)|^2 \end{align*}

Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 方程的本征值非负

证明本征值非负

  • 由于 q(x)≥0q(x) \ge 0,ρ(x)≥0\rho(x) \ge 0

     ∫q(x)∣y(x)∣2 − (y(x)‾k(x)y′(x))∣ab+∫k(x)∣y′(x)∣2≥ 0+y(a)‾k(a)y′(a)−y(b)‾k(b)y′(b)+0\begin{align*} & \ \int q(x) |y(x)|^2 \ \red{\boldsymbol{-}} \ (\overline{y(x)} k(x) y'(x))\Big|_a^b + \int k(x) |y'(x)|^2\\ \red{\boldsymbol{\ge}} & \ 0 + \overline{y(a)} k(a)y'(a) - \overline{y(b)} k(b)y'(b) + 0 \end{align*}

Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 方程的本征值非负

证明本征值非负

y(a)‾k(a)y′(a)−y(b)‾k(b)y′(b)\overline{y(a)} k(a)y'(a) - \overline{y(b)} k(b)y'(b)

  • 根据边界条件分项、分类讨论
  • aa 处齐次第一类、第二类:y(a)=0y(a) = 0 或者 y′(a)=0y'(a) = 0,自然有

    y(a)‾k(a)y′(a)=0\overline{y(a)}k(a)y'(a) = 0

  • aa 处齐次第三类:αy′(a)=βy(a)\alpha \orange{y'(a)} = \beta y(a),α,β>0\alpha, \beta > 0 从而

    y(a)‾k(a)y′(a)=βαk(a)∣y(a)∣2>0 .\overline{y(a)}k(a)\orange{y'(a)} = \frac{\beta}{\alpha} k(a) |y(a)|^2 > 0 \ .

Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 方程的本征值非负

  • bb 处齐次第一类、第二类

    y(b)‾k(b)y′(b)=0\overline{y(b)}k(b)y'(b) = 0

  • bb 处齐次第三类:γy′(b)=− δy(b)\gamma \purple{y'(b)} = \red{\boldsymbol{-}} \ \delta y(b),γ,δ>0\gamma, \delta > 0,从而

    − y(b)‾k(b)y′(b)=+δγk(b)∣y(b)∣2>0\red{\boldsymbol{-}} \ \overline{y(b)}k(b)\purple{y'(b)} = + \frac{\delta}{\gamma} k(b) |y(b)|^2 > 0

Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 方程的本征值非负

  • 周期性边界条件:y(a)=y(b)y(a) = y(b), y′(a)=y′(b)y'(a) = y'(b),k(a)=k(b)k(a) = k(b),

    y(a)‾k(a)y′(a)−y(b)‾k(b)y′(b)=0\overline{y(a)} k(a)y'(a) - \overline{y(b)} k(b)y'(b) = 0

  • 自然边界条件:k(a)=0k(a) = 0 或 k(b)=0k(b) = 0,对应项为零
  • 于是

    λ∫ρ(x)∣y(x)∣2≥0+0+0=0\lambda \int \rho(x) |y(x)|^2 \ge 0 + 0 + 0 = 0

    其中 ρ(x)≥0\rho(x)\ge0, ∣y(x)∣≥0|y(x)| \ge 0,那只能 λ≥0\lambda \ge 0。
Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 方程的每个本征值都没有简并

证明每个本征值都没有简并

  • 设 λ\lambda 有两个本征函数 y1,y2y_1, y_2,对应相同本征值 λ\lambda。
  • 让两个解乘以另一个函数所满足的方程

    y1(x)[ddx(k(x)y2′(x))−q(x)y2(x)+λρ(x)y2(x)]=0y2(x)[ddx(k(x)y1′(x))−q(x)y1(x)+λρ(x)y1(x)]=0\begin{align*} y_1(x) \left[{\frac{d}{dx}\Big(k(x) y'_2(x)\Big) - \red{q(x) y_2(x) + \lambda \rho(x) y_2(x)}}\right] = 0\\ y_2(x) \left[{\frac{d}{dx}\Big(k(x) y'_1(x)\Big) - \red{q(x) y_1(x) + \lambda \rho(x) y_1(x)}}\right] = 0 \end{align*}

Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 方程的每个本征值都没有简并

证明每个本征值都没有简并

  • 作差:

    y1(x)ddx(k(x)y2′(x))−y2(x)ddx(k(x)y1′(x))=0y_1(x) \frac{d}{dx}\Big({k(x) y'_2(x)}\Big) - y_2(x) \frac{d}{dx}\Big({k(x) y'_1(x)}\Big) = 0

Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 方程的每个本征值都没有简并

证明每个本征值都没有简并

  • 重新打包成一个全导数,

     ddx[y1(x)k(x)dy2(x)dx−y2(x)k(x)dy1(x)dx]=0⇒ y1(x)k(x)dy2(x)dx−y2(x)k(x)dy1(x)dx=C\begin{align*} & \ \frac{d}{dx} \left[{y_1(x) k(x) \frac{dy_2(x)}{dx} - y_2(x) k(x) \frac{dy_1(x)}{dx}}\right] = 0\\ \Rightarrow & \ y_1(x) k(x) \frac{dy_2(x)}{dx} - y_2(x) k(x) \frac{dy_1(x)}{dx} = \green{C} \end{align*}

  • 上式与 xx 无关:选 x=ax = a

    y1(a)k(a)y2′(a)−y2(a)k(a)y1′(a)=C\begin{align*} y_1(a) k(a) \orange{y'_2(a)} - y_2(a) k(a) y'_1(a) = C \end{align*}

Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 方程的每个本征值都没有简并

证明每个本征值都没有简并

y1(a)k(a)y2′(a)−y2(a)k(a)y1′(a)=C\purple{y_1(a)} \red{k(a)} \orange{y'_2(a)} - \purple{y_2(a)} \red{k(a)} \orange{y'_1(a)} = C

  • 若 aa 端为自然边界条件:k(a)=0\red{k(a)} = 0,则 C=0C = 0
  • 若 aa 端为第一类边界条件:y1(a)=y2(a)=0\purple{y_1(a)} = \purple{y_2(a)} = 0,则 C=0C = 0
  • 若 aa 端为第二类边界条件:y1′(a)=y2′(a)=0\orange{y_1'(a)} = \orange{y_2'(a)} = 0,则 C=0C = 0
  • 若 aa 端为第三类边界条件:

    y1,2′(a)=βαy1,2(a)⇒C=y1(a)k(a)βαy2(a)−y2(a)k(a)βαy1(a)=0 y_{1,2}'(a) = \frac{\beta}{\alpha} y_{1,2}(a) \Rightarrow C = y_1(a)k(a) \frac{\beta}{\alpha} y_2(a) - y_2(a) k(a) \frac{\beta}{\alpha} y_1(a) = 0

Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 方程的每个本征值都没有简并

证明每个本征值都没有简并

  • 于是 (约掉 k(x)>0k(x) > 0)

    y1(x)dy2(x)dx=y2(x)dy1(x)dx⇒ddxln⁡y1(x)=ddxln⁡y2(x)y_1(x) \frac{dy_2(x)}{dx} = y_2(x) \frac{dy_1(x)}{dx} \quad\Rightarrow\quad \frac{d}{dx} \ln y_1(x) = \frac{d}{dx} \ln y_2(x)

    即

    y1(x)=C′y2(x)y_1(x) = C' y_2(x)

Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 方程不同本征值的本征函数带权正交

证明本征函数带权正交

  • 设本征值 λm≠λn\lambda_m \ne \lambda_n,对应的本征函数为 ym,yny_m, y_n
  • 对 yny_n 方程两边同乘 ym‾\overline{y_m},

    ym‾ddx(kyn′)−qym‾yn+λnρym‾yn=0\overline{y_m} \frac{d}{dx} (k y'_n) - \red{q \overline{y_m}y_n} + \orange{\lambda_n \rho \overline{y_m} y_n} = 0

  • 对 ymy_m 方程两边同乘 yn‾\overline{y_n},再取复共轭,

    ynddx(kym′‾)−qynym‾+λmρynym‾=0y_n \frac{d}{dx} (k \overline{y'_m}) - \red{q y_n \overline{y_m}} + \orange{\lambda_m \rho y_n \overline{y_m}} = 0

Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 方程不同本征值的本征函数带权正交

  • 两式作差并在 [a,b][a,b] 上积分

     (λn−λm)∫abρynym‾dx=∫abdx[ym‾ddx(kyn′)−ynddx(kym′‾)]凑全导数= ∫abdxddx(ym‾kyn′−ynkym′‾)=ym‾kyn′−ynkym′‾∣ab = k(b)[yn′(b)ym‾(b)−yn(b)ym′‾(b)] −k(a)[yn′(a)ym‾(a)−yn(a)ym′‾(a)]\begin{align*} & \ \orange{(\lambda_n - \lambda_m) \int_a^b \rho y_n \overline{y_m} dx} = \int_a^b dx \left[{\overline{y_m} \frac{d}{dx}(k y'_n) - y_n \frac{d}{dx}(k \overline{y'_m})}\right]\\ \text{凑全导数} = & \ \int_a^b dx \frac{d}{dx}\left({\overline{y_m}k y'_n - y_nk \overline{y'_m}}\right) = \overline{y_m} k y'_n - y_n k \overline{y'_m} \bigg|_a^b\\ ~\\ = & \ k(b) \Big[\purple{y'_n(b)\overline{y_m}(b) - y_n(b) \overline{y'_m}(b)} \Big] \\ & \ - k(a) \Big[ y'_n(a)\overline{y_m}(a) - y_n(a) \overline{y'_m}(a) \Big]\\ \end{align*}

Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 方程不同本征值的本征函数带权正交

  • 考虑三种边界条件
  • 周期性边界显然导致结果为零
  • 如果一侧是自然边界条件,则该侧 kk 值为零,该项贡献为零。如果两边都是自然边界条件,则结果为零。
  • 潜在非零贡献来自第一二三类边界条件。
Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 方程不同本征值的本征函数带权正交

  • 对于 bb 侧第一二三类边界条件,得到

    γyn′(b)+δyn(b)=0,γym′(b)‾+δym(b)‾=0\gamma y_n'(b) + \delta y_n(b) = 0, \quad \gamma \overline{y_m'(b)} + \delta \overline{y_m(b)} = 0

    作为以 γ,δ\gamma, \delta 为未知数的方程组,要保证 γ,δ\gamma, \delta 不同时为零,只能要求

    det⁡(yn′(b)yn(b)ym′(b)‾ym(b)‾)=yn′(b)ym(b)‾−yn(b)ym′(b)‾=0\det \begin{pmatrix} y_n'(b) & y_n(b) \\ \\ \overline{y_m'(b)} & \overline{y_m(b)} \end{pmatrix} = \purple{y_n'(b) \overline{y_m(b)} - y_n(b) \overline{y_m'(b)}} = 0

    从而 bb 侧不贡献。
  • 另一 aa 侧也是一样,如果是第一二三类,则不贡献。
Sturm-Liouville 本征值问题

Sturm-Liouville 方程不同本征值的本征函数带权正交

  • 因此,结合 λm≠λn\lambda_m \ne \lambda_n

    (λn−λm)∫abynym‾ρdx=0⇒∫abynym‾ρdx=0\orange{(\lambda_n - \lambda_m) \int_a^b y_n \overline{y_m} \rho dx} = 0 \quad \Rightarrow \quad \int_a^b y_n \overline{y_m} \rho dx = 0

Sturm-Liouville 本征值问题

薛定谔方程

  • 经典力学:不含时问题,动能 + 势能 = 能量

    p(x)22m+V(x)=E\purple{\frac{p(x)^2}{2m}} + V(x) = E

  • 量子力学:状态由复值波函数 ψ(x)\psi(x) 描述,一维量子力学不含时薛定谔方程

    m>0,ℏ>0m > 0, \hbar > 0, V(x)≥0V(x) \ge 0,势能是非负实函数

    −ℏ22md2dx2ψ(x)+V(x)ψ(x)=Eψ(x)\purple{- \frac{\hbar^2}{2m} \frac{d^2}{dx^2}} \psi(x) + V(x) \psi(x) = E \psi(x)

    ψ(x)\psi(x) 刻画粒子在 xx 处被探测到的概率幅,概率密度为 ∣ψ(x)∣2|\psi(x)|^2,总概率

    ∫−∞+∞∣ψ(x)∣2dx=1\int_{-\infty}^{+\infty} |\psi(x)|^2 dx = 1

Sturm-Liouville 本征值问题

薛定谔方程

  • 移项,调整系数,得到 Sturm-Liouville 问题

    ⇒d2ψ(x)dx2−2mℏ2V(x)ψ(x)+2mℏ2Eψ(x)=0\Rightarrow \quad \frac{d^2 \psi(x)}{dx^2} - \frac{2m}{\hbar^2} V(x) \psi(x) + \frac{2m}{\hbar^2} E \psi(x) = 0

  • 无限深势阱 V(x)V(x),在 (a,b)(a,b) 间连续

    V(x≤a)=+∞,V(x≥b)=+∞,0≤V(a<x<b)<∞V(x \le a) = +\infty, \quad V(x \ge b) = +\infty, \qquad 0 \le V(a < x < b) < \infty

Sturm-Liouville 本征值问题

薛定谔方程

方势阱

Sturm-Liouville 本征值问题

薛定谔方程

  • 求解区间 (a,b)(a,b),第一类边界条件

    ψ(a)=ψ(b)=0\psi(a) = \psi(b) = 0

    ψ\psi 只在 (a,b)(a,b) 之间非零,由于势墙无穷高,粒子被束缚在阱内,称为 束缚态 (bound state)

Sturm-Liouville 本征值问题

薛定谔方程

  • 束缚态本征能量 E≥0E \ge 0, 是实数
  • 束缚态本征能量分立,有无穷多个能级,本征值 0≤E1<E2<⋯0 \le E_1 < E_2 < \cdots 且 lim⁡n→+∞En=+∞\lim_{n \to +\infty}E_n = +\infty
Sturm-Liouville 本征值问题

薛定谔方程

  • 任意束缚态能量本征值 EnE_n 没有简并,因此相应本征波函数 ψn(x)\psi_n(x) 可以选为 实连续函数

    • 势能是实函数,若 ψ(x)\psi(x) 是本征波函数,则 ψ(x)‾\overline{\psi(x)} 也是。
    • 由于 无法简并,只能 ψ(x)‾=λψ(x)\overline{\psi(x)} = \lambda \psi(x),其中 λ\lambda 是个复常数。
    • 因此可以通过调整 ψ(x)\psi(x) 的辐角,使得 ψ(x)\psi(x) 是实函数。
  • 能级越高的波函数的零点越多,ψn(x)\psi_n(x) 恰好有 n−1n - 1 个零点

Sturm-Liouville 本征值问题

薛定谔方程

Sturm-Liouville 本征值问题

薛定谔方程

  • 不同能级的波函数正交

    ∫abψm(x)‾ψn(x)dx=0,n≠m\int_a^b \overline{\psi_m(x)} \psi_n(x) dx = 0, \quad n \ne m

Sturm-Liouville 本征值问题

薛定谔方程

  • 本征函数族在 (a,b)(a,b) 上完备,即任意波函数 ψ(x)\psi(x) 都可以用本征函数 ψn(x)\psi_n(x) 展开

    ψ(x)=∑n=1∞cnψn(x)\psi(x) = {\sum}_{n=1}^\infty c_n \psi_n(x)

    全体波函数构成一个 Hilbert 空间,即量子态空间

Sturm-Liouville 本征值问题