научная статья по теме ВЫЧИСЛЕНИЕ ТОЧЕК ВЕТВЛЕНИЯ СОБСТВЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ КУЛОНОВСКОГО ВОЛНОВОГО СФЕРОИДАЛЬНОГО УРАВНЕНИЯ Математика

Текст научной статьи на тему «ВЫЧИСЛЕНИЕ ТОЧЕК ВЕТВЛЕНИЯ СОБСТВЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ КУЛОНОВСКОГО ВОЛНОВОГО СФЕРОИДАЛЬНОГО УРАВНЕНИЯ»

ЖУРНАЛ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАТЕМАТИКИ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ, 2007, том 47, < 11, с. 1880-1897

УДК 519.651

ВЫЧИСЛЕНИЕ ТОЧЕК ВЕТВЛЕНИЯ СОБСТВЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ

Предложен метод вычисления собственных значений 'тп(Ь, с) и собственных функций куло-новского волнового сфероидального уравнения в случае комплексных параметров Ь и с. Метод использует представление решения в виде комбинации разложений и их сшивку в одной точке. На основе обширного численного анализа показано, что определенные точки Ь, и с, являются точками ветвления второго порядка для функций 'тп(Ь, с) с различными номерами п1 и п2, так что собственные значения в этих точках являются двойными. Для высокоточного расчета точек ветвления Ь, и с, и двойных собственных значений использованы аппроксимации Паде, квадратичные аппроксимации Эрмита-Паде, метод конечных элементов и обобщенный итерационный метод Ньютона. Вычислено большое количество этих особых точек. Библ. 25. Фиг. 7. Табл. 3.

Ключевые слова: кулоновские волновые сфероидальные функции, вычисление собственных значений, точки ветвления собственных значений, аппроксимации Паде, квадратичные аппроксимации, обобщенный метод Ньютона.

Кулоновские волновые сфероидальные функции возникают в задачах квантовой механики, астрофизики, физики плазмы, теории химической связи, атомной физики и т.д. (см. [1], [2]). В частности, в квантовой механике эти функции возникают при исследовании уравнения Шрё-дингера, в задачах рассеяния, задаче двух кулоновских центров и в задаче трех тел.

Трехмерное уравнение Шрёдингера имеет вид

здесь А - лапласиан, ¥ - функция плотности вероятности, Е - энергия, а У(х) - функция потенциала.

При специальном виде потенциала уравнение (1.1) допускает разделение переменных в сфероидальных координатах п, ф), получаемых вращением вокруг осей симметрии плоской эллиптической системы координат.

Обозначим через / фокусное расстояние эллиптической системы, а ось г будем считать осью вращения. Тогда при вращении системы вокруг большой оси эллипса мы получим вытянутые сфероидальные координаты п, ф); их связь с декартовыми координатами точки (х, у, г) имеет вид (см. [3])

1. ВВЕДЕНИЕ

А¥(х) + 2[Е- У{х)]¥(х) = 0, х е

(1.1)

г = 2 £п, £е[ 1,~), п е [ -1, 1 ], фе[ 0, 2п).

Ь

1)Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (коды проектов 07-01-00295, 07-01-00503) и Программы < 3

ОМН РАН).

1880

При вращении эллиптической системы вокруг малой оси эллипсов получим сплюснутые сфероидальные координаты п, ф); их связь с декартовыми координатами точки (x,y, z) имеет вид

x = (^2+1)(1-п2) cos ф, y = (^2+1)(1-п2) sin ф,

z = ^п, 0,-), пе[-1, 1 ], фе[ 0, 2п).

Если потенциал п, ф) представлен в виде

т,п,ф) = -4{ 2 C(tp) 2 I (1.2)

d-1 п2 (52-1)(I-п2)J

то уравнение (1.1) допускает разделение переменных в вытянутых координатах. Здесь A(^), В(п) и С(ф) - некоторые функции координат п и ф соответственно. Аналогично, если потенциал п, ф) имеет вид

К(5.п.ф) = -4 {+ 2 2 i (1.3)

d1 52 + п2 К2 + 1)( 1-п2)

то уравнение Шрёдингера допускает разделение переменных в сплюснутых координатах. Выбирая решение ¥ в виде

= X(%) Y (п) Z (ф),

получаем обыкновенные дифференциальные уравнения для функций X©, Y^), Дф). Запишем лишь уравнение для угловой функции Y^), в вытянутых сфероидальных координатах оно будет иметь вид

2

2

(1- п) ^ Y (п)

+ (Х - с2п2 + В(п)Y (п) = 0;

здесь ц и X - константы разделения, а параметр с определяется из равенства

2 Её2 С = —

где величины Е и ё заданы в (1.1) и (1.2), (1.3).

Будем рассматривать случай кулоновских функций, чему соответствует

ц = т = 0, 1, 2, ..., В(п) = Ьп. Сформулируем возникающую сингулярную задачу Штурма-Лиувилля.

Задача Р. Найти собственные значения X (далее СЗ) и собственные функции 7(п) (далее СФ) -ограниченные на отрезке п £ [-1, 1] решения кулоновского волнового сфероидального уравнения

2

(1- п2) тY (п)

+ ÍX- c2п2 + bп Y(п) = 0, m = 0, 1, .... (1.4)

v 1 - п '

Поставленная краевая задача имеет дискретный невырожденный бесконечный спектр Хп (т.е. каждому СЗ соответствует только одна СФ, см. [2]), соответствующие СФ Утч(с, Ь; п), Ц = 0, 1, ..., определенные с точностью до нормировки, называются угловыми кулоновскими сфероидальными функциями.

Аналитическое продолжение функции Утд(с, Ь; п) с отрезка п £ [-1, 1] на плоскость с двумя разрезами по вещественной оси, п £ -1] и п £ [1,(т.е. в звезду Миттаг-Леффлера функции Утд(с, Ь; п)), дает голоморфную в этой области функцию Утд(с, Ь; п). Радиальные кулоновские сфероидальные функции Птк(с, а; возникают при аналогичном рассмотрении уравнения для функции Х(^), когда Л© = а^.

При Ь = 0 задача Р превращается в задачу Штурма-Лиувилля, определяющую угловые сфероидальные функции 8т(с; п) (см. [2]-[7]), при этом

Утд(с, 0; п) = ^тп(с,п),

где п = q + т. Таким образом, кулоновские сфероидальные функции являются обобщением сфероидальных функций.

При фиксированном значении т в случае вещественных параметров Ь и с2 (т.е. при вещественном или чисто мнимом значении параметра с), согласно теории Штурма-Лиувилля (см. [8]), функции Ут(с, Ь; п) образуют базис в пространстве Х2(-1, 1), а все СЗ упорядочены по возрастанию:

'т, Ч +1 (Ь, с)>'т, Ч( Ь с ) .

В случае комплексных параметров Ь и с2 (т.е. когда параметр с не лежит на действительной или мнимой осях) оператор Шрёдингера становится несамосопряженным, поведение СЗ ^Ь, с) в зависимости от одного из параметров становится довольно сложным.

В настоящей работе разработан эффективный метод вычисления СЗ 'тДЬ, с) и угловых ку-лоновских сфероидальных функций Ут(с, Ь; п) при произвольных комплексных значениях параметров. Метод основан на построении разложений решения в особых точках п = 1 и п = -1 и на сшивке этих разложений в одной точке. Численно исследованы значения 'тДЬ, с) как функции комплексного аргумента с при фиксированном Ь и как функции комплексного аргумента Ь при фиксированном с. С помощью обширных высокоточных численных экспериментов показано, что при каждом выбранном т и Ь функции 'тДЬ, с) имеют особые точки с, - точки ветвления 2-го порядка. В этих точках склеиваются римановы поверхности двух функций 'тДЬ, с) и 'т, q + 2р(Ь, с) для одного из значенийр = 1, 2, ..., так что эти СЗ образуют двойное СЗ 'т<?(Ь, с,) = = 'т, q + 2р(Ь, с,). Аналогично, при каждом выбранном т и с функции 'тДЬ, с) имеют особые точки Ь, - также точки ветвления 2-го порядка, в которых склеиваются римановы поверхности двух функций 'т(Ь, с) и ч + Х(Ь, с), так что эти СЗ образуют двойное СЗ 'т<?(Ь,, с) = ч + Х(Ь,, с).

При разработке эффективных численных методов основным инструментом для нас служили квадратичные аппроксимации Эрмита-Паде (см. [9], [10]), позволившие построить сходящиеся с геометрической скоростью итерационные процессы для высокоточного расчета нескольких первых точек ветвления с,, Ь, и соответствующих им двойных СЗ '(с,, Ь) и '(с, Ь,). Обобщенный метод Ньютона и метод конечных элементов позволили перевычислить полученные значения с высокой точностью, а также вычислить точки ветвления с,, Ь, и соответствующие им двойные СЗ '(с,, Ь), '(с, Ь,) для широкого диапазона параметров Ь и с. Обобщенный метод аргумента подтвердил верность полученных результатов.

В разд. 2 разработан метод вычисления СЗ и СФ с помощью построения разложений для СФ в точках п = ±1 и их сшивки. Здесь исследованы также асимптотики коэффициентов разложений.

В разд. 3 исследованы разложения СЗ '(с, Ь) по степеням параметра с при Ь = 0 и по степеням Ь при с = 0.

В разд. 4 с помощью аппроксимаций Паде и метода конечных элементов исследованы точки ветвления СЗ '(с, Ь) при фиксированном параметре Ь и точки ветвления при фиксированном параметре с. Проиллюстрирована динамика этих точек при изменении параметров.

В разд. 5 точки ветвления вычислены с помощью квадратичных аппроксимаций Эрмита-Паде, наиболее адекватных исследуемым особым точкам.

В разд. 6 приведены карты точек ветвления СЗ и даны таблицы этих точек и соответствующих им двойных СЗ.

Значения '(Ь, с) для комплексных параметров Ь и с определялись с помощью аналитического продолжения из точки Ь = 0, с = 0 сначала по вещественным осям, а затем с помощью непрерывного изменения мнимых частей Ь и с.

Значения '(0, с) вычислялись согласно методам, рассмотренным в [11], [12], путем продолжения с вещественной оси Re(c).

Проведенный обширный численный анализ позволяет предположить, что верна

Гипотеза. При любых фиксированных параметрах т = 0, 1, ... и Ь е С все ветви собственных значений 'т(Ь, с) составляют полную аналитическую функцию в плоскости комплексного параметра с; при этом существует счетное множество точек ветвления с, второго порядка

значений Хтц(Ь, с). Аналогично, при любых фиксированных параметрах т = 0, 1, ... и с £ С все ветви собственных значений Хтц(Ь, с) составляют полную аналитическую функцию в плоскости комплексного параметра Ь; при этом существует счетное множество точек ветвления Ь второго порядка значений Хтц(Ь, с). В точках с и Ь соответствующие СЗ образуют двойные СЗ.

2. МЕТОД РЕШЕНИЯ 2.1

Сначала спектральный параметр X в уравнении (1.4) будем полагать произвольным, X £ С, и построим метод вычисления СЗ Хп и СФ Уп(п).

С помощью метода Фробениуса (см. [13]) легко показать, что в особых точках п = 1 и п = -1 характеристическими показателями решений 7(п) являются числа

ц = ±т/2.

Тогда, с учетом ограниченности решения 7(п) в точках п = ±1, используем замену для функции 7(п) (см. [2, с. 601]):

2 т/2

7(п) = (1- п2) Ф(п).

Это позволяет получить уравнение для Ф(п) в простой форме:

(1-п2)Ф''(п) - 2(т +1 )пФ'(п) + [X - т(т +1) + Ьп - с2п2]Ф(п) = 0. (2.1)

Теперь нас интересует решение Ф(п), регулярное в точках п = 1 и п = -1, т.е. когда искомая функция Ф(п) является целой.

2.2. Окрестность точки п = 1 Сначала представим решение Ф(п) уравнения (2.1) в окрестности точки п = 1 в виде степенно-

го ряда

ф(п) = XSk( 1-N<~,

(2.2)

k = 0

с неизвестными коэффициентами sk = як(т, Ь, с, X).

Продифференцировав дважды разложение (2.2) и подставив результат в (2.1), получим уравнение для искомых коэффициентов sk:

2 2 2

-(m + k) - c + m +

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком