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Chapter2–!IntrotoMathTechniquesfor!Quantum…scienide2.uwaterloo.ca/~nooijen/Chem356/Chem+356+pdf/Ch_2.pdf ·...

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14
Fall 2014 Chem 356: Introductory Quantum Mechanics 22 Chapter 2 – Intro to Math Techniques for Quantum Mechanics .............................................................. 22 Intro to differential equations ............................................................................................................... 22 Boundary Conditions ............................................................................................................................. 25 Partial differential equations and separation of variables .................................................................... 25 Introduction to Statistics ....................................................................................................................... 30 Chapter 2 – Intro to Math Techniques for Quantum Mechanics Intro to differential equations Function () y yx = is to satisfy a differential equation 2 2 5 6 0 dy dy y dx dx + = x (1) For this ‘type’ of Differential equation (more later), try solution x y e λ = Then x dy e dx λ λ = 2 2 2 x dy e dx λ λ = n n x n dy e dx λ λ = Substitute into differential equation (1) 2 5 6 0 x x x e e e λ λ λ λ λ + = x Or 2 5 6 0 λ λ + = ( 3)( 2) 0 λ λ = Solutions: 3 λ = , 2 λ = 3 x e : 3 3 3 9 15 6 0 x x x e e e + = 2 x e : 4e 2 x 10e 2 x + 6e 2 x = 0 But: any linear combination of solutions is also solution
Transcript

Fall  2014   Chem  356:  Introductory  Quantum  Mechanics    

  22    

 Chapter  2  –  Intro  to  Math  Techniques  for  Quantum  Mechanics  ..............................................................  22  

Intro  to  differential  equations  ...............................................................................................................  22  

Boundary  Conditions  .............................................................................................................................  25  

Partial  differential  equations  and  separation  of  variables  ....................................................................  25  

Introduction  to  Statistics  .......................................................................................................................  30  

 

 Chapter  2  –  Intro  to  Math  Techniques  for  Quantum  Mechanics    

Intro  to  differential  equations    

Function   ( )y y x=  is  to  satisfy  a  differential  equation  

       2

2 5 6 0d y dy ydxdx

− + =   x∀         (1)  

For  this  ‘type’  of  Differential  equation  (more  later),  try  solution   xy eλ=  

        Then           xdy edx

λλ=  

         2

22

xd y edx

λλ=  

         n

n xn

d y edx

λλ=  

 Substitute  into  differential  equation  (1)  

        2 5 6 0x x xe e eλ λ λλ λ− + =   x∀         Or  

        2 5 6 0λ λ− + =           ( 3)( 2) 0λ λ− − =  

        Solutions:   3λ = ,     2λ =        

3xe :       3 3 39 15 6 0x x xe e e− + =  

      2 xe :     4e2x −10e2x + 6e2x = 0    

But:     any  linear  combination  of  solutions  is  also  solution  

Fall  2014   Chem  356:  Introductory  Quantum  Mechanics    

Chapter  2  –  Intro  to  Math  Techniques  for  Quantum  Mechanics   23    

3 21 2( ) x xy x c e c e= +  

          9c1e

3x + 4c2e2x ( d 2 y

dx2 )  

                                                        −15c1e

3x −10c2e2x (−5 dy

dx)  

            6c1e3x + 6c2e

2x (6y)  

                                                                                                                 0                          0    

Let  us  try  another  one    

         2

2 0d y ydx

+ =   x∀  

            2 0x xe eλ λλ + =  2 1 0λ + =         iλ = ±    

                General  Solution:       2ix ix

ic e c e−+    

 Alternative  way  to  write:  

        cos sinixe x i x= +           cos sin( ) cos sinixe x i x x i x− = + − = −                         1 2 1 2( ) ( )cos ( )siny x c c x i c c x= + + −  

                            1 2cos sind x d x= +  

define               1 1 2d c c= + ,       2 1 2( )d i c c= −  

→  choose   1d ,   2d    ‘real’  

 Verify:  

       2

2 cos ( sin ) cosd dx x xdxdx

= − = −  

       2

2 sin (cos ) sind dx x xdxdx

= = −  

 

       2

2 0d y ydx

+ = ,      as  expected  

 Type  of  solutions   xeλ ,   xe λ− ,   cos xλ ,   sin xλ ,   real, >0λ λ  

Fall  2014   Chem  356:  Introductory  Quantum  Mechanics    

Chapter  2  –  Intro  to  Math  Techniques  for  Quantum  Mechanics   24    

 When  does  this  work?  

     2 3

1 2 32 30 .....Bdy d y d yc y c c cdx dx dx

= + + + +  

                   (1)    Constant  coefficients  in  front  of   y  and  its  derivatives  

→  not:  2

22 0d y x y

dx+ =  

       (2)      Linear  in  function   y  

→  not:      2

2 0d y dyydxdx

+ =  

             (3)    Homogeneous  equation  

→  not:       c2

∂2 y∂x2 + c1

∂y∂x

+ c3 y = f (x)    

 For  inhomogeneous  differential  equation  (last  case  3):  →  Find  particular  solution   ( )y P x=  add  to  this  the  general  solution  of  inhomogeneous  equation.  

 For  more  complicated  differential  equations  (ie.  Not  homogeneous  DE  with  constant  coefficients)  solutions  are  often  hard  to  find  

 ! Many  tricks  of  the  trade  ! Use  symbolic  math  program  (it  knows  many  of  the  tricks)  ! Numerical  approaches  (often  work  very  easily  →  picture  of  solution)  

           

Fall  2014   Chem  356:  Introductory  Quantum  Mechanics    

Chapter  2  –  Intro  to  Math  Techniques  for  Quantum  Mechanics   25    

Boundary  Conditions       Let  us  consider  our  original  differential  equation.  

       2

2 5 0d y dy ydxdx

− + =  

        3 21 2( ) x xy x c e c e= +  

  Now  impose  further  conditions.  Eg:  (0) 0y =       1 2 0c c+ =  

0

1x

dydx =

⎛ ⎞ =⎜ ⎟⎝ ⎠     1 23 2 1c c+ =  

          2 1c c= −    

                  → 3c1 − 2c1 = 1   1 1c =     → c2 = −1  

    3 2( ) x xy x e e= −   Satisfies  both  DE  and  boundary  conditions                            Solution  is  completely  specified  if  one  supplies  as  many  conditions  as  one  has  free  coefficients   1c ,   2c ,  ….  in  the  solution      

→  always  linear  set  of  equations    So  recipe  is  very  simple         Try   ( ) xy x eλ=  and  work  it  out!  

 

Partial  differential  equations  and  separation  of  variables    Consider  problem  of  vibrating  string  (eg.  guitar,  violin)  

     

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Chapter  2  –  Intro  to  Math  Techniques  for  Quantum  Mechanics   26    

We  want  to  describe  the  amplitude   ( , )u x t  

        Differential  Equation  with  partial  derivatives:        

       2 2

2 2 2

1( , ) ( , )u ux t x tx v t∂ ∂=∂ ∂

 

  v :      Velocity  of  wave  propagation  in  string,  related  to  spring  constant,  (as  sound  of  the  string)    Boundary  Condition:           (0, ) ( , ) 0u t u a t= =   t∀  

( , )u x t :      function  of  2  variables  →  use  partial  derivatives  

∂u∂x

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ t

 

In  math  we  typically  do  not  write  is  kept  constant                                          (in  contrast  to  thermodynamics)  

 How  to  solve  PDE  (partial  differential  equation)?  

     Try  solution   u(x,t) = X (x)T (t)    

Simple  product  of  a  function  of   x  and  a  function  of   t  Boundary  Condition:   (0) ( ) 0X X a= =    

Substitute  trial  function  into  PDE  

         

2 2

2 2 2

( ) 1( ) ( )d X x d TT t X xdx v dt

=  

 Divide  both  sides  by ( ) ( )X x T t :  

       2 2

2 2 2

1 ( ) 1 1( ) ( )d X x d T

X x T tdx v dt=    

                         only  depends  on   x          only  depends  on   t      Like   ( ) ( )f x g t=  .    It  is  clear  that  this  should  be  true  for  all   x ,    t         0( ) ( )f x g t=     →   ( )f x  is  constant  

                                          1( )g t=     →   ( )f x  is  constant,  should  be  same  

        0( ) ( )g t f x=     →   ( )g t  is  constant                                           1( )f x=    

Fall  2014   Chem  356:  Introductory  Quantum  Mechanics    

Chapter  2  –  Intro  to  Math  Techniques  for  Quantum  Mechanics   27    

        ( ) ( )f x g t=   ,x t∀  Can  only  be  true  if  both  functions  are  constant!  I.e.  The  same  constant    Let  us  call  this  constant,  the  separation  constant   2k−  (for  later  simplicity)  

       2

22 ( )d X k X x

dx= −   (0) ( ) 0X X a= =  

       2

22 2

1 ( )d T k T tv dt

= −   no  boundary  conditions  

 Now  we  can  use  techniques  discussed  before  ( k  is  constant)           Try   ( ) xX x eλ=  

        2 2x xe k eλ λλ = −           ikλ = ,         ikλ = −           1 2( ) ikx ikxX x c e c e−= +  

 Note:   k  could  be  imaginary   im  

2 2 2( )k im m− = − = +   0>  

 

However  we  know  that  the  string  will  oscillate,  and  hence  can  anticipate   ikxe ,  with   k  real      Using  what  we  did  before    

    1 2ikx ikxc e c e+ 1 2 1 2( )cos ( )sinc c kx i c c kx= + + −  

                          1 2cos sind kx d kx= +  

This  is  general  solution.  Now  consider  boundary  conditions.           0x = :       1 2cos 0 sin 0d k d k+  

          1 21 0 0d d+ =     1 0d =  

      x a= :       2 sin( ) 0d ka =  

    2 0d =  (flat  string  possibility)        or     sin( ) 0ka =    

When  is   sin(x) = 0 ?           0, , 2 , 3 ...x π π π= ± ± ± ±  

        x → ka = nπ    nkaπ=  

     

General  solution:   ( ) sinnn xX x daπ⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠

 2 2

22n

nkaπ− = −  

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Chapter  2  –  Intro  to  Math  Techniques  for  Quantum  Mechanics   28    

This  is  solution  for   x  at  particular  value  for   nnkaπ=  

 Now  consider  corresponding  solution  for   ( )T t  

         22

2 2

1 ( )d T n T tav dtπ⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠

 

        d 2Tdt2 = −ω n

2T (t)             ω n =

nπva

 

 Similar  equation  as  before:  

            T (t) = c1 sinω n(t)+ c2 cos(ω nt)        If  we  combine  this  with   X  we  get  

      u(x,t) = An sin

nπ xa

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

sinnπvt

a⎛⎝⎜

⎞⎠⎟+ Bn sin

nπ xa

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

cosnπvt

a⎛⎝⎜

⎞⎠⎟  

   This  is  a  solution  for  any  value  of nA ,   nB and  any  value  of   0, 1, 2, 3n = ± ± ±  

 Most  general  solution  (we  can  restrict  to  non-­‐negative  n):  

      u(x,t) = sin

nπ xa

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟n=0,1,2,3...

∑ An sin(ω nt)+ Bn cos(ω nt)⎡⎣ ⎤⎦  

   You  can  verify  that  this  indeed  satisfies  PDE    (quite  some  work).  

   How  can  we  interpret  this?  

      sin n xaπ

:  

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Chapter  2  –  Intro  to  Math  Techniques  for  Quantum  Mechanics   29    

                   

sin sinn x n xa aπ π−⎛ ⎞ = −⎜ ⎟⎝ ⎠

:  

               Same  solution,  restrict   0,1,2,3n =  

    ( 0n < ,  nothing  extra)    So  a  string  vibrates  as  a  linear  combination  of  modes,  each  of  the  modes  oscillates  in  time  at  a  different  frequency.  

        sin n xaπ

    ω n =

nπva

 

                            = nω0  

All  multiples  of  fundamental  frequency         πva

=ω0  

 

This  defines  the  pitch  of  the  sound       ω0  

The  other  modes  are  called  overtones    

Meaning  of  coefficients   nA , nB ?  

0t =     Bn cos

nπva

t⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ t=0

= Bn       → u(x,t = 0) = Bn

n∑ sin nπ x

a⎛⎝⎜

⎞⎠⎟  

 The  initial  shape  of  function  

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Chapter  2  –  Intro  to  Math  Techniques  for  Quantum  Mechanics   30    

 

     

dudt

→ An cosnπvt

a⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ t=0

= An ;du(x,t)

dt t=0

= An sin(nπ x

an∑ )      

                               The  initial  velocity  of  the  string.    Different  instruments,  guitars,  violins,  cello       →different   nA , nB  

 How  you  attack  the  string  determines  the  initial  shape/velocity  

→ compare  Chinese  zither:  hit  the  snare  in  different  spots  or  twang  the  string    

None  of  this  affects  the  pitch  →   ω0  the  general  harmonic  

 Period   sin(ωt) = sinω (t +T )  

    sin(ωt + 2π )→ sin(ωt)  

2π =ωT  

    T = 2π

ω        ;  

ω = 2π

T      angular  frequency  

   

Introduction  to  Statistics    We  will  see  that  quantum  mechanics  is  essentially  a  statistical  theory.  We  can  predict  

the  results  and  their  distribution  from  a  large  number  of  repeated  experiments  only.  We  cannot  predict  (even  in  principle)  the  outcome  of  an  individual  experiment.    Let  us  therefore    talk  about  statistics  using  a  simple  example:  the  dice    If  you  throw  the  dice,  each  throw  will  yield  the  result  1,  2,  3,  4,  5  or  6.    

1   1010  2   980  

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Chapter  2  –  Intro  to  Math  Techniques  for  Quantum  Mechanics   31    

If  you  throw  the  dice  many  times,    say  6000  times,  we  might  get  

         

For  a  fair  dice,  each  number  has  equal  chance,  and  so  we  say  the  probability  to  throw  

for  example  a  ‘3’  is   16.  This  is  reflected  by  the  actual  numbers  we  got  in  the  example.  

     1000 1

6000 6000 6i

in

P≈ = =  

In  the  limit  that  we  throw  a  very  large  (infinite)  times,  we  get  closer  and  closer  to  16  

ii

total

nP

N=  only  has  meaning  for  many  repeated  experiments  

          1iP =∑      

  We  might  call   ia  the  actual  outcome  of  experiment,  here   ia =    1,  2,  3,  4,  5,  6  

 The  average  is  given  by  

     1

i iitot

n aN ∑       i i

iPa∑  

 For  dice:      

       1 21 1(1 2 3 4 5 6) 36 6 2

+ + + + + = =  

 The  average  value  does  not  need  to  be  a  possible  outcome  of  an  individual  throw.    

We  are  also  interested  in  the  variance  of  the  results.  We  call  the  average   A  or   A .   (both  are  used)  

Then  the  variance  is  given  by:  

        2 2( )A i iiP a Aσ = −∑                     0≥  

 Let  us  take  a  dice  with  5  sides  to  make  the  numbers  easier  

        ia =1,  2,  3,  4,  5                  ,  15iP =  

3   995  4   1025  5   1030  6   960  

Total   6000  

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Chapter  2  –  Intro  to  Math  Techniques  for  Quantum  Mechanics   32    

        A =3  

    2 2 2 2 2 21[(1 3) (2 3) (3 3) (4 3) (5 3) ]5Aσ = − + − + − + − + −  

                     1[4 1 0 1 4] 25

= + + + + =  

        Standard  Deviation   2Aσ =  

     

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Chapter  2  –  Intro  to  Math  Techniques  for  Quantum  Mechanics   33    

I  can  write  the  variance  differently  as  

        2 2 2( ) ( 2 )i i i i ii

P a A P a a A A− = − +∑ ∑  

        2 22i i i i ii i iPa A Pa A P= − +∑ ∑ ∑  

        2 2A AA AA= − +  

       22 2

AA A σ= − ≡  

 Let  us  check  for  the  5  face  dice:  

        2 2 2 2 2 21 (1 2 3 4 5 )5

A = + + + +  

                     1 (1 4 9 16 25)5

= + + + +  

                     1 (55) 115

= =  

2 3 3 9A = ⋅ =  22 22 AA A σ− = =         (as  before)  

 Of  course:  We  proved  this  is  true  mathematically!  

This  concludes  (for  now)  discussion  of  discrete  statistics.    Now  consider  the  case  of  a  continuous  distribution.  For  example  a  density  distribution.            

ρ(x)dx = dm  

=  the  mass  between   x and   x dx+   (in  1  dimension)      

ρ(x)dx = M

−∞

∫          total  mass  

      Also     ρ(x)dx =

a

b

∫        mass  between  points   a and  b  

  If  we  normalize  

      P(x)dx = 1

Mρ(x)dx    

probability  to  find  a  fraction  of  the  total  mass  between   x  and   x dx+    

We  can  define  average  position  

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Chapter  2  –  Intro  to  Math  Techniques  for  Quantum  Mechanics   34    

         

x = xP(x)dx−∞

∫  

         

x2 = x2P(x)dx−∞

∫  

 

          σ x

2 = x2 − x2  

 Example:  take  a  box  between  0  and  a            

Uniform  1( )P xa

=          0 x a< <  

                                0=          elsewhere    

1)

P(x)dx = 1a

dx0

a

∫ = xa⎤

⎦⎥0

a

= 1−∞

∫  

“normalized”  

2)

xP(x)dx = 1a

x dx0

a

∫ = x2

2a⎤

⎦⎥

0

a

= a2−∞

∫  

3)

x2P(x)dx = 1a

x2 dx0

a

∫ = x3

3a⎤

⎦⎥

0

a

= 13

a2

−∞

∫  

4) σ x

2 = x2 − x2= 1

3a2 − 1

2a

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

2

= a2

12           0≥   Always  

 

More  complicated  distributions  are  possible  of  course    Famous  is  the  Gaussian  distribution                

P(x) = ce− x2

2a2     ‘a ’  parameter        (will  be   xσ )  

              c :  normalization  constant  

     

P(x)−∞

∫ = 1     c = 1

2πa2  

    Then  

x = 1a 2π

xe− x2

2a2

−∞

∫ = 0              

Odd  function   ( ) ( )f x f x− = −  

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Chapter  2  –  Intro  to  Math  Techniques  for  Quantum  Mechanics   35    

     

x2 = 1a 2π

x2e− x2

2a2

−∞

∫ dx      

                       2 2

21 2 222

a a aa

ππ

= ⋅ ⋅ =  

x aσ =          as  advertised  

    (this  was  the  reason  to  define  the  Gaussian  like  this)    

See  book  for  discussion  integrals  


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