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Fractional Hankel Transform

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SGCの『可解な量子力学系の数理物理』を読んで思いついた計算手法を考察する。計算を端的にまとめるが詳しい物理的な意味に関しては本を参照してほしい。

ポテンシャルU(x)
ハミルトニアンH=AA=2+U(x)
固有関数系ϕn(x)  Hϕn(x)=E(n)ϕn(x)
基底状態ϕ0(x)=ew(x)
消滅演算子A=w(x)
生成演算子A=w(x)
消滅Aϕ0(x)=0
正弦変数η(x)
直交多項式Pn(z),  ϕn(x)=ϕ0(x)Pn(η(x))
F=span(ϕ0(x),ϕ1(x),)

固有関数系は異なる固有値に対して直交するので次の直交性を満たす。

直交性

xsxeϕn(x)ϕm(x)dx=δnmhn
xsxePn(η(x))Pm(η(x))ϕ0(x)2dx=δnmhn

遠心力付き調和振動子ポテンシャル
U(x)=x2+β(β1)x212β,  β=α+12のもとでハミルトニアン等を計算すると以下のようになる
xs=0<x<xe=
ϕ0(x)=e12x2xβ
η(x)=x2
Laguerre多項式Pn(x)=L(α)(z)
Pn(η(x))=(1+α)nn! 1F1[n1+α|x2]
hn=12 n!Γ(n+α+1)
E(n)=4n

より単純なただの調和振動子の場合のハミルトニアン等については後で追記する。

そして僕が思いついたアイデアについて述べる(既出だったが)。
eitHによって系の時間発展を記述することができるが、この時間発展演算子をスペクトル分解することによって時間発展の核関数propagatorを導出できて、時間発展演算子という微分作用の積分表示を導出できる。

K(x,y;t)=n=01hnϕn(x)ϕn(y)eiE(n)tとすると、これは時間発展のpropagatorになっている。実際、
xsxeϕm(y)K(x,y;t)dy=n=01hneiE(n)txsxeϕn(x)ϕn(y)ϕ(y)dy=n=01hneiE(n)tδnmϕm(x)=eiE(m)tϕm(x)=eitHϕm(x)

である。

遠心力付き調和振動子の場合で計算する。次のHardy-Hille公式を用いる。

Hardy-Hille公式

n=0n!Γ(n+α+1)Ln(α)(x)Ln(α)(y)zn=11zexp((x+y)z1z)(xyz)α/2Iα(2xyz1z)
Iν,JνはBessel関数である

t(π,π){0}
K(x,y;t)=2e12(x2+y2)(xy)βn=0n!Γ(n+α+1)Ln(α)(x2)Ln(α)(y2)e4int=2e12(x2+y2)(xy)1/211e4intexp((x2+y2)1e4int)e2iαtIα(ixysin2t)=i1αsin2te2i(α+1)tei2(x2+y2)cot2tJα(xysin2t)xy
なので微分演算子の次の公式が得られる。fF
expi2t[2+β(1β)x2x2]f(x)=0f(y)i1αsintei2(x2+y2)cottJα(xysint)xydy

関数の空間Gを整関数で実軸への制限がSchwartz空間に属しているような関数全体とする。gGにたいして

xβexpi2t[2+β(1β)x2x2]xβg(x2)=0g(y2)i1αsintei2(x2+y2)cottJα(xysint)(yx)αydy=expi2txβ[2+β(1β)x2x2]xβg(x2)=expi2t[(+βx)2+β(1β)x2x2]g(x2)=expi2t[2+2α+1xx2]g(x2)
と計算できる。Fourier変換のときと同様、t=π/2とすれば通常のHankel変換が得られる。
expπi4[2+2α+1xx2]g(x2)=0g(y2)i1αJα(xy)(yx)αydy

つまりexpi2t[2+2α+1xx2]は実数階Fourier変換(Fractional Fourier Transform)の一般化としてFractional Hankel Transformと捉えることができる。
expπi2[2+2α+1xx2]g(x2)=00g(z2)i22αJα(xy)Jα(yz)(zy)α(yx)αyzdydz=0g(z2)(zx)αδ(zx)dz=i22αg(x2)

となる。

投稿日:2022122
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赤げふ
赤げふ
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東工大情報B4 数学,理論物理,Minecraft計算機/微分演算子の記事を書きます/主に表現論,量子群,物理の数理に興味があります

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