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Eigenvalue Equations and 
Operators 

The Schrödinger equation   

can be rewritten as

  

ˆ 

(x)E(x); ˆ 

H =

h

2

2m

2

x

2

 V(x)

where ˆ 

H  is the quantum mechanical Hamiltonian



ˆ

(operator

)(function

(constant)(samefunction

)

(operator)(eigenfunction)

=(eigenvalue)(eigenfunction)

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cos;

:

 

2

Some non-linear operators

:

For linear operators the following identities apply

:

(ˆ 

A +ˆ 

B )ˆ 

C = ˆ 

A ˆ 

C +ˆ 

B ˜ 

C ; ˆ 

A (ˆ 

B + ˆ 

C ) = ˆ 

A ˆ 

B + ˆ 

A ˆ 

ˆ 

{f(x) g(x)} ˆ 

A f(x) ˆ 

A g(x)

ˆ 

{kf(x)}ˆ 

A f(x)

Some linear operators

:

x;x

2

;

d

dx

;

d

2

dx

2

Multiplicative

Differential

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Operator 

ˆ 

A       Function f            

ˆ 

A f(x)

d

dx

                     f                            f'

(x)

3                         f                           3f
cos()                 x                            cosx

                      x                             

x

Rules for operators

:

( ˆ 

 ˆ 

)f(x ˆ 

A f(x) ˆ 

B f(x): Sum of operators

( ˆ 

 ˆ 

)f(x ˆ 

A f(x) ˆ 

B f(x):Dif. of operators

15

3

3

)

15

3

(

3

)

5

(

3

)

5

(

ˆ

)

5

)(

3

ˆ

ˆ

(

ˆ

3

2

3

2

3

3

3

x

x

x

x

x

x

D

x

D

dx

d

=

D

  

Example

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ˆ 

ˆ 

B f(x ˆ 

[ ˆ 

B f(x)]:product of operators

We first operate on f with the operator '

ˆ 

B '

on the right of the operator product,

 and 

then take the resulting function (

ˆ 

B f) and 

operate on it with the operator 

ˆ 

A  on the left

of the operator product. 

)

(

'

))

(

ˆ

(

ˆ

)

(

ˆ

ˆ

)

(

'

)

(

))

(

(

ˆ

)

(

ˆ

ˆ

ˆ

;

ˆ

x

xf

x

f

D

x

x

f

D

x

x

xf

x

f

x

xf

D

x

f

x

D

x

x

dx

d

=

D

 

Example

Operators do not necessarily obey the commutative law

:

ˆ 

ˆ 

 ˆ 

ˆ 

0:   ˆ 

ˆ 

 ˆ 

ˆ 

[ ˆ 

, ˆ 

]0

Cummutator

:

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Example:  ˆ 

A = X

2

; ˆ 

B   = 

d

dx

ˆ 

A ˆ 

B f x

2

df

dx

:   ˆ 

B ˆ 

A f =

d(x

2

f)

dx

2xf x

2

df

dx

[ˆ 

A ,ˆ 

B ]f  2xf

The square of an operator is defined as the product of   
the operator with itself

:   ˆ 

2

  = ˆ 

A ˆ 

A  

Examples :  ˆ 

D =

d

dx

ˆ 

D ˆ 

D f(x)= ˆ 

D (ˆ 

D f(x))= ˆ 

D f'(x)f"(x)

ˆ 

2

d

2

dx

2

apply

 

rules

follow 

 

the

 

where

 

etc.

 ,

C

,

B

,

A

 

operators

 

linear

 

 with

dealing

 

be

 

shall

 

We

ˆ

ˆ

ˆ

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Hermetian Operators

Hermetian Operators

    Consider a system described by the state function 

 .

Let  

 

F

^

  

 

be the operator representing the observable F

 The average value of 

F , or the expectation value is given by

<F> 

=   



 

 

 

 * 

F

^

 

 

 d

A physical expectation value must be real
Thus :

   <F> =   <F>



 

 

  

 * 

F

^

 

 

 d



 

 

 

 * 

F

^

 

 

 d







 

 

  

  (

F

^

 

 



 d

An operator that satisfy this condition is    

Hermitian

One Definition of 

Hermitian operator 

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Funkcje własne odpowiadające tej samej wartości można ortogonalizować

(wartości własne zdegenerowane)

)

deg

(

,...,

2

,

1

ˆ

,

,

eneracji

krotno

śr

g

j

f

F

j

l

l

j

l

0

)

ˆ

(

,

j

l

l

f

F

j

i

j

l

i

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

i

l

l

g

j

j

l

j

l

i

l

d

itd

d

d

itd

x

x

N

x

N

)

-f

F

(

c

y

,

,

*

,

3

,

*

1

,

3,1

2

,

*

1

,

2,1

2

,

2

,

3

1

,

1

,

3

3

,

3

l,3

1

,

1

,

2

2

,

2

l,2

1

,

l,1

,

1

,

,

,

 

Wtedy     

x

   x

          

gdzie

.

)

(

)

(

    

wybierzmy 

0

ˆ

 

wtedy     

    

weźe

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n

n

n

For an observable 

 with the corresponding

operator 

ˆ 

 we have the eigenvalue equation 

:

(IIIa). The meassurement of the quantity represented by 

has as the    o n l y  outcome  one of the values     

n

  n=1,2,3  ....

(IIIb). If the system is in a state described by 

n

a meassurement of 

 will result in the 

value 

n

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Examples of operators and their 

eigenfunctions 

Example Operator

Eigenfunction Eigenvalue

1

 x

  

exp[ikx]

ik

2

 

2

 x

  

exp[ikx]

 k

2

3

 

2

 x

  

coskx

 k

2

4

 

2

 x

  

sinkx

 k

2

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 with the eigenfunction f and the eigenvalue k

**

.

**

ˆ 

A f kf

ˆ 

(cfk(cf)

sh

ow

Mu

st 

Demonstrate that cf also is an eigenfunction to      

ˆ 

A      

with the same eigenvalue k if c is a constant

proof:

ˆ 

A  is a Linear operator

ˆ 

(cf)cˆ 

A f

*

ˆ 

(cfcˆ 

f

operator

 

linear

 

a

 

be

 

A

Let ˆ

c is a constant

f is a function

e.g.  A =

d

dx

 

ckf

f is an eigenfunction of 

ˆ 

Rearrangement of constant

factors and QED

k(cf)

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we can  solve the eigenvalue problem

ˆ 



n

n

n

For any such operator  

ˆ 



We obtain   

eigenfunctions

and eigenvalues

The only possible values that can arise from measurements 

of the physical observable 

 are the eigenvalues 

n

Postulate 3

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A linear operator 

ˆ 

A  will have a set of 

eigenfunctions f

n

(x) {n=1,2,3..etc}

and associated eigenvalues k

n

 such that 

:

The set of  eigenfunction {f

n

(x),n 1..} 

is  orthonormal 

:

f

i

(x)

*

all space

f

j

(x)dx

ij

ˆ 

A f

n

(xk

n

f

n

(x)

o  if  ij

 1 if i=j

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e

i

 e

j



ij

ei

ei

ei

An example of an orthonormal set is the  Cartesian unit vectors

An example of an orthonormal function set is

n

(x)=   

1

L

sin

nx

L









  

n=1,2,3,4,5....

n

(x)

*

o

L

m

(x) 

nm

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That is, any function g(x) that
depends on the same variables 
as the eigenfunctions can be written 

g(x)= a

n

f

n

(x)

i=1

all

where 

a

n

f

n

(x)

*

g(x)dx

all space

The set of  eigenfunction {f

n

(x),1..} 

forms a complete set.

ei

ei

ei

  

i

 ;  i=1,2,3 form  a complete set

  

For any vector 

  

(

1

)

1

 (

2

)

2

 (

3

)

3

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