坐标算符x在动量表象下的形式——不可积函数的傅里叶变换

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genivel
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坐标算符x在动量表象下的形式——不可积函数的傅里叶变换

帖子 genivel »

假设你已经有量子力学课程基础,


我们的挑战是——推导x在p表象下的(元)形式,如图:
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————————————————————————————————

今日看到知乎上一篇回答:“你有什么看不惯的数学方法?”
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https://www.zhihu.com/question/39272529 ... /361375313


正是答主MpPHYKEK写的内容,让我想起了图一,这段颇为“magic”的推导。

奇妙之处在于:第三个等号到第四个等号。(我们直接以第j个“=”来描述第几步骤)

一方面,单从这个证明看:3->4,x到\partial p 的变换,似乎是拼凑出来的。
另一方面,第四个等号中,“()”内正是x算符在p表象下的形式。然而我们往一步推导,3中的x'实际上是一个本征值,即一个数值。

而再看,4->5利用了∫和求导的线性性质,将他们调换顺序,竟然积出了一个看似不可积的函数。(尽管有些人已经习惯了积出狄拉克函数这件事)

为什么是狄拉克函数?什么是狄拉克函数?傅里叶变换,表象变换,奇怪的不可积函数,它们有何关联?我们又从这个推导中得到了什么启示?

很长一段时间我对此都有隐约混沌的困惑,不知问题该如何提出。

因此再次感谢MpPHYKEK的回答,让我意识到,这或许是个“数与算符”,“函数与积分”的问题。以此为线索查找资料,我获得一份从数学角度,令人认可答案:


“求某一类不可积函数的傅里叶变换的问题”
https://www.zhihu.com/question/54208776 ... 2569973594
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这时候我们说,狄拉克函数是“缓增广义函数”(tempered distribution)。不过tempered distribution翻译作“函数”却并非函数,他是一个泛函概念。

狄拉克函数及其傅里叶变换结果“1”,这二者实际上都不是函数,而是泛函的积分表示,正如原词“distribution”,是在积分内对函数f(x)的一种作用。

第二个链接分享了答主阿江的回答,较清晰的为大家介绍了:不可积函数的傅里叶变换与狄拉克函数更本质的意义。

一方面,“缓增”与f(x)的乘积是受控(tempered)的,使得我们运算闭合,对缓增广义函数的傅里叶变换有定义(还是一个缓增广义函数)。
另一方面,当你意识到狄拉克函数也是一个“作用”时,则“x变为对p的求导”或“数值变成了一个算符”这件事就没有那么难以接受了。

希望能与大家分享这一有趣的理解!
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Re: 坐标算符x在动量表象下的形式——不可积函数的傅里叶变换

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數學的頂端是玄學,我只能理解「一個正方形切七刀」的問題。
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Re: 坐标算符x在动量表象下的形式——不可积函数的傅里叶变换 || 附快速插入latex语法的教程

帖子 BobMaster »

太强了!!!
虽然我看不太懂,但是还是很好奇第三个等式到第四个等式里的 \( x^{\prime} \) 变换成了 \( \left( i \hbar \frac{\partial}{\partial p} \right) \)

顺便再补充一下论坛插入数学公式的方法,详见《添加数学公式支持

比如
$$
\begin{align*}
\langle p | x | p^{\prime} \rangle
& = \int_{-\infty}^{\infty} dx^{\prime} \int_{-\infty}^{\infty} dx^{\prime\prime} \langle p | x^{\prime} \rangle\langle x^{\prime} | x | x^{\prime\prime} \rangle\langle x^{\prime\prime} | p^{\prime} \rangle \\
& = \int_{-\infty}^{\infty} dx^{\prime} \int_{-\infty}^{\infty} dx^{\prime\prime} \frac{e^{-i p x^{\prime} / \hbar}}{\sqrt{2 \pi \hbar}} x^{\prime\prime} \delta(x^{\prime}-x^{\prime\prime}) \frac{e^{i p^{\prime} x^{\prime\prime} / \hbar}}{\sqrt{2 \pi \hbar}} \\
& = \frac{1}{2 \pi \hbar} \int_{-\infty}^{\infty} dx^{\prime} x^{\prime} e^{-i (p-p^{\prime}) x^{\prime} / \hbar} \\
& = \frac{1}{2 \pi \hbar} \int_{-\infty}^{\infty} dx^{\prime} \left( i \hbar \frac{\partial}{\partial p} \right) e^{-i (p-p^{\prime}) x^{\prime} / \hbar} \\
& = \left( i \hbar \frac{\partial}{\partial p} \right) \frac{1}{2 \pi \hbar} \int_{-\infty}^{\infty} dx^{\prime} e^{-i (p-p^{\prime}) x^{\prime} / \hbar} \\
& = i \hbar\frac{\partial} {\partial p} \delta( p-p^{\prime} )
\end{align*}
$$
其 latex 语法为

代码: 全选

$$
\begin{align*}
\langle p | x | p^{\prime} \rangle 
& = \int_{-\infty}^{\infty} dx^{\prime} \int_{-\infty}^{\infty} dx^{\prime\prime} \langle p | x^{\prime} \rangle\langle x^{\prime} | x | x^{\prime\prime} \rangle\langle x^{\prime\prime} | p^{\prime} \rangle \\
& = \int_{-\infty}^{\infty} dx^{\prime} \int_{-\infty}^{\infty} dx^{\prime\prime} \frac{e^{-i p x^{\prime} / \hbar}}{\sqrt{2 \pi \hbar}} x^{\prime\prime} \delta(x^{\prime}-x^{\prime\prime}) \frac{e^{i p^{\prime} x^{\prime\prime} / \hbar}}{\sqrt{2 \pi \hbar}} \\
& = \frac{1}{2 \pi \hbar} \int_{-\infty}^{\infty} dx^{\prime} x^{\prime} e^{-i (p-p^{\prime}) x^{\prime} / \hbar} \\
& = \frac{1}{2 \pi \hbar} \int_{-\infty}^{\infty} dx^{\prime} \left( i \hbar \frac{\partial}{\partial p} \right) e^{-i (p-p^{\prime}) x^{\prime} / \hbar} \\
& = \left( i \hbar \frac{\partial}{\partial p} \right) \frac{1}{2 \pi \hbar} \int_{-\infty}^{\infty} dx^{\prime} e^{-i (p-p^{\prime}) x^{\prime} / \hbar} \\
& = i \hbar\frac{\partial} {\partial p} \delta( p-p^{\prime} )
\end{align*}
$$
感觉虽然能看懂,但是没写惯的人还是会觉得麻烦。这里推荐一个功能强大的开源OCR工具 Umi-OCR
这里为了大伙方便我打包到了网盘里: https://box.csuwf.com/s/fnPCeiPGLWeDQ5m

下载后双击Umi-OCR_Paddle_v2.1.0.7z.exe将其解压,再解压win7_x64_Pix2Text.v1.0.7z ,将解压后的文件夹移至 Umi-OCR_Paddle_v2.1.0\UmiOCR-data\plugins 路径下,如图
图片
其内容结构如图
图片

现在我们双击Umi-OCR.exe启动Umi-OCR软件,将文字识别接口修改为Pix2Text
图片
应用修改后,我们进入截图OCR功能界面
图片
图片
图片
根据提示使用快捷键截图或粘贴的方式导入图片,或者把本地的图片拖进去也可以。
第一次使用Pix2Text插件需要初始化,初始化时间较长。首次OCR任务,可能需10~60s时间加载。

然后我们按下win+alt+c键给公式截个图,效果如下
图片
把右侧的Latex代码粘贴到论坛,即可在预览界面查看效果

$$
\textstyle\int_{0}^{\infty} d x e^{-a x} f ( x )=\int_{0}^{\infty} d x f \left(-\frac{\partial} {\partial a} \right) e^{-a x}=f \left(-\frac{\partial} {\partial a} \right) \int_{0}^{\infty} d x e^{-a x}
$$

当然可能存在识别错误的情况,这个时候就需要自己做相应的调整了。
比如常用的方法就是将那些密集的公式分步骤来识别,然后将latex表达式整合到一起即可。
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Re: 坐标算符x在动量表象下的形式——不可积函数的傅里叶变换 || 附快速插入latex语法的教程

帖子 genivel »

BobMaster 写了: 2024年 3月 8日 11:32 太强了!!!
虽然我看不太懂,但是还是很好奇第三个等式到第四个等式里的 \( x^{\prime} \) 变换成了 \( \left( i \hbar \frac{\partial}{\partial p} \right) \)

顺便再补充一下论坛插入数学公式的方法,详见《添加数学公式支持

比如
$$
\begin{align*}
\langle p | x | p^{\prime} \rangle
& = \int_{-\infty}^{\infty} dx^{\prime} \int_{-\infty}^{\infty} dx^{\prime\prime} \langle p | x^{\prime} \rangle\langle x^{\prime} | x | x^{\prime\prime} \rangle\langle x^{\prime\prime} | p^{\prime} \rangle \\
& = \int_{-\infty}^{\infty} dx^{\prime} \int_{-\infty}^{\infty} dx^{\prime\prime} \frac{e^{-i p x^{\prime} / \hbar}}{\sqrt{2 \pi \hbar}} x^{\prime\prime} \delta(x^{\prime}-x^{\prime\prime}) \frac{e^{i p^{\prime} x^{\prime\prime} / \hbar}}{\sqrt{2 \pi \hbar}} \\
& = \frac{1}{2 \pi \hbar} \int_{-\infty}^{\infty} dx^{\prime} x^{\prime} e^{-i (p-p^{\prime}) x^{\prime} / \hbar} \\
& = \frac{1}{2 \pi \hbar} \int_{-\infty}^{\infty} dx^{\prime} \left( i \hbar \frac{\partial}{\partial p} \right) e^{-i (p-p^{\prime}) x^{\prime} / \hbar} \\
& = \left( i \hbar \frac{\partial}{\partial p} \right) \frac{1}{2 \pi \hbar} \int_{-\infty}^{\infty} dx^{\prime} e^{-i (p-p^{\prime}) x^{\prime} / \hbar} \\
& = i \hbar\frac{\partial} {\partial p} \delta( p-p^{\prime} )
\end{align*}
$$
其 latex 语法为

代码: 全选

$$
\begin{align*}
\langle p | x | p^{\prime} \rangle 
& = \int_{-\infty}^{\infty} dx^{\prime} \int_{-\infty}^{\infty} dx^{\prime\prime} \langle p | x^{\prime} \rangle\langle x^{\prime} | x | x^{\prime\prime} \rangle\langle x^{\prime\prime} | p^{\prime} \rangle \\
& = \int_{-\infty}^{\infty} dx^{\prime} \int_{-\infty}^{\infty} dx^{\prime\prime} \frac{e^{-i p x^{\prime} / \hbar}}{\sqrt{2 \pi \hbar}} x^{\prime\prime} \delta(x^{\prime}-x^{\prime\prime}) \frac{e^{i p^{\prime} x^{\prime\prime} / \hbar}}{\sqrt{2 \pi \hbar}} \\
& = \frac{1}{2 \pi \hbar} \int_{-\infty}^{\infty} dx^{\prime} x^{\prime} e^{-i (p-p^{\prime}) x^{\prime} / \hbar} \\
& = \frac{1}{2 \pi \hbar} \int_{-\infty}^{\infty} dx^{\prime} \left( i \hbar \frac{\partial}{\partial p} \right) e^{-i (p-p^{\prime}) x^{\prime} / \hbar} \\
& = \left( i \hbar \frac{\partial}{\partial p} \right) \frac{1}{2 \pi \hbar} \int_{-\infty}^{\infty} dx^{\prime} e^{-i (p-p^{\prime}) x^{\prime} / \hbar} \\
& = i \hbar\frac{\partial} {\partial p} \delta( p-p^{\prime} )
\end{align*}
$$
感觉虽然能看懂,但是没写惯的人还是会觉得麻烦。这里推荐一个功能强大的开源OCR工具 Umi-OCR
这里为了大伙方便我打包到了网盘里: https://box.csuwf.com/s/fnPCeiPGLWeDQ5m

下载后双击Umi-OCR_Paddle_v2.1.0.7z.exe将其解压,再解压win7_x64_Pix2Text.v1.0.7z ,将解压后的文件夹移至 Umi-OCR_Paddle_v2.1.0\UmiOCR-data\plugins 路径下,如图
图片
其内容结构如图
图片

现在我们双击Umi-OCR.exe启动Umi-OCR软件,将文字识别接口修改为Pix2Text
图片
应用修改后,我们进入截图OCR功能界面
图片
图片
图片
根据提示使用快捷键截图或粘贴的方式导入图片,或者把本地的图片拖进去也可以。
第一次使用Pix2Text插件需要初始化,初始化时间较长。首次OCR任务,可能需10~60s时间加载。

然后我们按下win+alt+c键给公式截个图,效果如下
图片
把右侧的Latex代码粘贴到论坛,即可在预览界面查看效果

$$
\textstyle\int_{0}^{\infty} d x e^{-a x} f ( x )=\int_{0}^{\infty} d x f \left(-\frac{\partial} {\partial a} \right) e^{-a x}=f \left(-\frac{\partial} {\partial a} \right) \int_{0}^{\infty} d x e^{-a x}
$$

当然可能存在识别错误的情况,这个时候就需要自己做相应的调整了。
比如常用的方法就是将那些密集的公式分步骤来识别,然后将latex表达式整合到一起即可。
感谢!!! 工具非常实用!

编辑时确实为latex挠头了好一阵。我有参考论坛中关于“数学公式支持”的帖子,不过疏忽了可以用“()”将tex穿插在文字中~现在学会了!"\( \partial_p \)" :wink:

行文匆忙,推导过程或许还可以做更详细清晰的解释,不过留待日后补充吧!

另:量子力学中,关于x(在动量表象下)为什么是\(i\hbar \partial_p\),或者反过来问,动量p在x表象下为什么是\(-i\hbar \partial_x\),目前大家普遍比较认可的解释是“平移算符”和“生成元”

有兴趣可以参考以下视频【量子力学基础知识】P3——《动量和空间平移算符》
https://www.bilibili.com/video/BV1mb4y1 ... 2da085965d


之后有时间,或遇到了好玩的内容,我也会再写一些东西,跟大家一起讨论!
上次由 genivel 在 2024年 3月 8日 21:15,总共编辑 3 次。
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Re: 坐标算符x在动量表象下的形式——不可积函数的傅里叶变换

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ejsoon 写了: 2024年 3月 8日 01:56 數學的頂端是玄學,我只能理解「一個正方形切七刀」的問題。
几何也是深刻有趣的!
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