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變分原理

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變分原理物理學的一條基本原理,以變分法來表達。

根據科內利烏斯·蘭佐斯的說法,任何可以用變分原理來表達的物理定律描述一種自伴的表示。這種表示也被說成是埃爾米特的,描述了在埃爾米特變換下的不變量

菲利克斯·克萊因愛爾蘭根綱領試圖鑑識這類在一組變換下的不變量。在物理學的諾特定理中,一組變換的龐加萊群(現在廣義相對論中被稱為規範群)定義了在一組依賴於變分原理的變換下的對稱性,即作用原理

實例

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量子力學中的變分原理

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假設你想計算一個哈密頓量為H的體系的基態能量Egs,換句話說,已經知道體系的哈密頓算符H。如果不能解薛丁格方程式來找出波函數,可以任意猜測一個歸一化的波函數,比如說φ,結果是根據猜測的波函數得到的哈密頓算符的期望值將會高於實際的基態能量。換言之:

這對於所猜測的任何φ都適用。

證明

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任一個波函數φ都可以展開為哈密頓算符的實際本徵函數線性組合(我們假定這些本徵函數是正交歸一的):

那麼,哈密頓算符的期望值是:

如果把替換成基態能量,從求和公式中提出來,那麼等號變成大於等於號。亦即:

推廣

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給定一個描述所研究的體系的哈密頓算符H任意可歸一化的並帶有適當體系未知波函數參數的函數Ψ,我們定義泛函

那麼變分原理說明:

  • ,式中是該哈密頓算符的具有最低能量的本徵態(基態)。
  • 若且唯若確切地等同於研究體系的基態。

上述變分原理是變分法的基本原理,用於量子力學量子化學來近似求解體系基態

變分法應用示例[1]:192-193

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一維簡諧振子

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一維簡諧振子的哈密頓算符為,其中約化普朗克常數為簡諧振子的重量,為簡諧振子的頻率。

選取高斯函數作為試探波函數,其中為常數,由波函數的歸一化 ,可得

哈密頓量為,其中為動能,為位能。

對於任意必大於,求的極小值,可使求導為,即

此時,,而一維簡諧振子的能量為,採用變分法得到了一維簡諧振子的基態能量。


延伸閱讀

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  • Epstein S T 1974 "The Variation Method in Quantum Chemistry". (New York: Academic)
  • Lanczos C, The Variational Principles of Mechanics (Dover Publications)
  • Nesbet R K 2003 "Variational Principles and Methods In Theoretical Physics and Chemistry". (New York: Cambridge U.P.)
  • Adhikari S K 1998 "Variational Principles for the Numerical Solution of Scattering Problems". (New York: Wiley)
  • Gray C G, Karl G and Novikov V A 1996 Ann. Phys. 251 1.

參見

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外部連結和參考資料

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  1. ^ , David J., Griffiths; Hu, Xing.Li, Yuxiao. 第7章;变分原理. 量子力学概论. Beijing: 機械工業出版社. 2009: 192–193. ISBN 9787111278771. OCLC 503192483.