Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
quant_matapp.pdf
Скачиваний:
281
Добавлен:
20.04.2015
Размер:
880 Кб
Скачать
☆

 

 

 

 

 

 

 

 

67

 

 

 

 

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1.

Полиномы Чебышева-Эрмита.

Определение: Hn (x) = (−1)

n

 

x2

d n

−x2

(n = 0,1, 2,..., ∞) .

 

e

 

 

 

e

 

 

 

n

 

 

 

dx

 

 

 

 

Hn(x) есть полином степени n и чётности (–1)n, обладающий n нулями между – ∞ и + ∞.

Дифференциальное уравнение:

 

2

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

−2x

 

+

2n Hn

(x)

= 0 .

 

 

2

dx

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

Производящая функция:

 

 

 

 

 

∞

s

n

 

 

 

e−s2

+2sx = ∑

 

 

Hn (x) .

 

 

n!

 

 

 

 

 

 

n=0

 

 

 

Соотношения ортонормированности:

∞∫ e−x2 Hn (x) Hm (x) dx = 2n n! πδnm .

−∞

Рекуррентные соотношения:

d

Hn = 2nHn−1

dx

 

 

 

 

 

 

d

 

2x −

 

Hn = Hn−1

 

 

 

 

dx

2xHn = Hn+1 + 2nHn−1

Явные выражения первых полиномов:

H0 =1 H1 = 2x

H2 = 4x2 −1 H3 = 8x3 −12x

H4 =16x4 −48x2 +12

H5 = 35x5 −160x3 +120x

68

Приложение 2. Полиномы Лагерра.

Определение:

 

 

 

n

k

Ln

(r) ≡ L0n

(r) = er

d

(rne−r ); Lkn = (−1)k

d

Ln+k (r) (n, k = 0,1, 2,...,

n

k

 

 

 

dr

dr

(Иногда Lk называют присоединёнными полиномами Лагерра). Lk

n

 

 

 

 

n

дающий n нулями между 0 и + ∞:

 

n

 

(n + k)!

2

 

 

[

]

 

 

 

Lkn (r) = ∑(−1)s

 

 

rs .

(n −s)!(k + s)!s!

s=0

 

Дифференциальное уравнение:

∞) .

есть полином степени n, обла-

 

 

d 2

 

 

 

 

 

d

 

k

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

+

(k +1−r)

 

 

 

+ n Ln

= 0 .

 

dr

2

 

dr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Производящая функция:

 

 

 

 

 

 

e−

rt

 

 

 

∞

tn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1−t

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

= ∑

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ln (r) , (

t

 

<1) .

 

 

(1−t)

k +1

(n + k)!

 

 

 

 

 

n=0

 

 

 

 

 

 

 

Соотношения ортонормированности:

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(n + k)! 3

δnm .

 

 

∫e−r rk Lkn (r)Lkm (r)dr = [

n!

]

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L0

Явные выражения первых полиномов:

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L1

=1

L1 =1−r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L1

= 2(2 −r)

L

= 2 −4r + r2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L1

= 3(6 −6r + r2 )

L = 6 −18r +9r2 −r3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L1

= 4(24 −38r +12r2 −r3 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

= 24 −96r +72r2 −16r3 + r4

3

 

L1

=...

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L5

=...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L2

= 2

 

L3

= 6

 

 

0

 

 

 

 

L2

= 6(3 −r)

 

0

 

L4

= 24

 

L3

= 24(4 r)

1

 

 

0

 

L2

=12(12 −

8r + r2 )

1

 

L4

=...

L3

=...

2

 

 

1

 

L2

=...

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

69

Определения:

 

 

Приложение 3.

Полиномы и функции Лежандра.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Полином Лежандра

 

P (u) =

 

 

1

 

 

 

d l

 

(u2 −1)l (l = 0,1, 2,..., ∞) есть полином степени l, чётности

 

2l l! dul

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(–1)l, обладающий l нулями в интервале (–1, +1).

Функция Лежандра (присоединённый полином Лежандра)

 

Pm

(u)

= (1−u2 )m2

 

d m

 

 

P (u) =

 

 

1

 

 

(1−u2 )m2

d l+m

(u2 −1)l (−1 ≤ u ≤1;l = 0,1, 2,..., ∞; m = 0,1, 2,...,l)

 

 

 

 

 

 

 

2l l!

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dum

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dul +m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

есть произведение (1−u2 ) 2

 

на полином степени l – m нулями в интервале (–1, +1).

Дифференциальное уравнение:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1

−u

2

)

 

d 2

 

 

−2u

d

+l(l +1) −

 

 

m2

 

 

 

P

m

= 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

du

 

 

 

 

 

 

du

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1−u

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Производящие функции:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

∑tl Pl (u) (

 

t

 

<1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1−2tu +t2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l =0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

(2m −1)!!(1−u2 ) 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

∑tl Pl m (u) .

 

(1−2tu +t2 )m+

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

l =m

 

 

 

 

Соотношение ортонормированности:

 

 

 

 

∫1

Pkm (u)Pl m (u)du =

 

 

 

2

 

 

 

(l +m)!

δkl .

 

 

 

 

 

 

2l +

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(l −m)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рекуррентные соотношения:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2l +1) u Pm

(u) = (l +1−m)Pm

 

(u) +(l + m)Pm (u)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l +1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l −1

(1−u2 )

d

Pl m (u) = −l u Pl m (u) +(l + m)Pl −m1 (u) = (l +1)u Pl m (u) −(l +1−m)Pl +m1 (u)

du

Явные выражения первых полиномов:

 

 

 

 

 

P

(1) =1

, P (−1) = (−1)l .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pm

(1)

= Pm

(−1) = 0 (m ≠ 0) ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

(2 p +2m)!

, l −m = 2 p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(−1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pl m (0) =

 

 

 

2l

p!( p + m)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l −m = 2 p +1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P0 =1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P1 = u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P = 1

(3u2 −1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P = 1

(5u3 −3u)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P = 1

(35u4 −30u2 +3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

…

70

Приложение 4. Сферические функции.

Определение сферических функций Yl m (θ,ϕ) :

Сферические функции Yl m (θ,ϕ) являются общими собственными функциями операторов

ˆ

 

 

 

 

 

∂

 

 

 

 

 

ˆ2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L3 = −i

∂ϕ

 

и

L

 

= − θ,ϕ

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

1

 

 

 

 

 

∂

 

sinθ

∂

 

+

1

 

 

∂

2

— угловая часть оператора Лапласа ∆:

θ,ϕ

 

sinθ

 

 

∂θ

 

∂θ

 

sin2 θ ∂ϕ2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆ2

m

= l

(l

+1)Yl

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L Yl

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆ

m

= mYl

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L3Yl

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(l = 0,1, 2,..., ∞; m = 0, ±1,..., ±l)

 

 

 

 

 

 

 

Соотношения ортонормированности и замкнутости:

∫Yl m*Yl′m′dΩ ≡

2∫π dϕ π∫sinθ dθ Yl m* (θ,ϕ)Yl′m′(θ,ϕ) =δmm′δll′

∑∑Yl m*

 

 

 

 

 

0

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(θ,ϕ)Yl m (θ′,ϕ′) = δ(θ −θ′)δ(ϕ −ϕ′) =δ(Ω−Ω′)

∞

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l =0 m=−l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sinθ

 

Рекуррентные соотношения:

 

 

 

 

 

 

 

cosθ Y m

=

 

 

 

(l +1+ m)(l +1−m)

Y m

+

 

(l + m)(l −m)

Y m

 

 

 

 

 

(2l +1)(2l +3)

 

(2l +1)(2l −1)

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l +1

 

 

l −1

Чётность при пространственном отражении (θ,ϕ) → (π −θ,ϕ +π)

Yl m (π −θ,ϕ +π) = (−1)l Yl m (θ,ϕ)

Комплексное сопряжение:

Yl m* (θ,ϕ) = (−1)m Yl −m (θ,ϕ)

Связь с функциями Лежандра (m ≥ 0):

Yl m (θ,ϕ) = (−1)m (2l +1)(l −m)!Pl m (cosθ)eimϕ 4π(l + m)!

В частности,

Y 0

=

2l +1

P (cosθ)

 

l

 

4π

 

l

Y l

= (−1)l

(2l +1)(2l)!

sinl θ eilϕ

 

l

 

 

 

4π22l (l!)2

Шаровые функции (гармонические полиномы):

По определению полином h(x,y,z) есть гармонический полином, если он однороден по x, y, z и удовлетворяет уравнению ∆h = 0.

Полиномы степени l

um (r ) ≡ rlY m (θ,ϕ) (m = 0, ±1,..., ±l)

l

l

образуют последовательность 2l + 1 линейно независимых гармонических полиномов степени l.

71

Явные выражения первых сферических функций:

Y 0

=

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

4π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y 0

=

 

 

3

 

cosθ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

4π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y ±1

= −

3

 

sinθ e±iϕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

8π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y20

=

 

5

(8cos2 θ −1)

 

 

 

 

 

16π

 

 

 

 

Y ±1

= −

 

15 sinθ cosθ e±iϕ

 

 

2

 

 

 

 

8π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y ±2

=

 

15

 

sin2 θ e±i2ϕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

32π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y30

=

 

 

7

 

 

 

(5cos3 −3cosθ )

 

 

 

16π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

±1

 

 

 

21

 

sinθ (5cos

2

 

−1)e

±iϕ

Y3

= −

 

 

 

 

θ

 

 

64π

 

 

Y ±2

= −

 

105

sin2 θ cosθ e±i 2ϕ

 

 

 

 

3

 

 

 

 

32π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

…

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]