Zagadnienia

14. Widmo operatora energii dla atomu wodoru

14.1. Operator Laplace'a i współrzędne sferyczne.

Jak pokazaliśmy w Stwierdzeniu (13.4), operator Laplace'a jest przemienny z operatorami naturalnej reprezentacji grupy SO3R. Sytuacja ta sugeruje spojrzenie na R3\0 jako na produkt sfery S2 i prostej R.

Technicznie odbywa się ono poprzez wprowadzenie na sferze współrzędnych ”geograficznych”: współrzędnej θ - ”szerokości geograficznej” , stałej na ”równoleżnikach” i podającej liczony od 0 do π kąt między wektorem położenia a ”osią obrotu Ziemi” ( osią 0x3 przyjętego układu kartezjańskiego) oraz współrzędnej φ - ”długości geograficznej” - stałej na południkach - podającej kąt liczony od 0 do 2π od ”południka 0”, za który przyjmiemy linię przecięcia sfery z półpłaszczyzną x1x2 dla x1>0. Zatem mamy

x1=rsinθcosφ
x2=rsinθsinφ (14.1)
x3=rcosθ

gdzie 0<θ<π,0φ2π oraz 0,r<+ jest odległością od zera. Współrzędne θ,φdają po wyrzuceniu południka 0 wraz z biegunami wzajemnie jednoznaczne odwzorowanie płaskiej mapy na sferę.

Wzory (14.1) można traktować albo jako równoległy do kartezjańskiego opis punktów W=R3\{półpłaszczyznax1x2dla x>0} albo jako wzajemnie jednoznaczne odwzorowanie S:ΩW, gdzie

Ω=θ,φ,r:0<θ<π,  0<φ<2π,0<rnaW

Tej zamianie współrzędnych odpowiada nowy opis operatora Laplace'a. Przenosząc funkcję Fx,y,z określoną na W do zbioru Ω, tak że jej obraz wynosi

F~θ,φ,r=FSθ,φ,r.

Po żmudnych rachunkach otrzymujemy

F~=1r2rr2r+1sinθθsinθθ+1sin2θ2φ2F~θ,φ,r (14.2)

Przedmiotem naszego zainteresowania w tym wykładzie będzie widmo punktowe σpH operatora energii (13.8) to znaczy zbiór wartości własnych H. Wiemy już (Stwierdzenie 13.3), że dla potencjału U, przyjmującego wartości rzeczywiste widmo σpH przyjmuje wartości rzeczywiste.

W dalszym ciągu dla ustalonej liczby λC wygodnie będzie rozważać operator Hλ=H-λI. Oznaczając

kerHλ=fL2R3,dx:Hλf=0

Możemy wtedy widmo punktowe H opisać warunkiem:

σpH=λR:kerHλ0 (14.3)

Oczywiście widmo H zależy od potencjału U.

W tym rozdziale skupimy się na potencjale coulombowskim

Ur=-e24π01r (14.4)

Strategia naszego postępowania jest następująca:

Korzystając z tego, że potencjał (14.4) jest niezmienniczy dla naturalnego działania grupy SO3,R użyjemy niebanalnego faktu (którego dowód naszkicowany jest w punkcie 14.4 ), że w przypadku potencjału sferycznie symetrycznego zachodzi implikacja:

(kerHλ{0})(kerHλzawiera funkcjęFo postaci (14.5))
Fθ,φ,r=θΦφRr. (14.5)

Następnie, korzystając z postaci (14.2) operatora Laplace'a zastosujemy ”metodę separacji zmiennych ”, prowadzącą do trzech równań różniczkowych zwyczajnych na funkcje ,Φ i R z osobna.

Równania te nie są niezależne - łączy je występowanie wspólnych ”stałych separacji”. Ich wyznaczenie za pomocą równań na φ i na θ stanowi drugą część postępowania. Nie korzysta ona z postaci (14.4) naszego potencjału a jedynie z jego symetrii sferycznej.

Krok ostatni, to dyskusja równania na Rr z wykorzystaniem (14.4). Przynosi ona opis możliwych wartości własnych H zgodny z warunkami Bohra i Balmera. A zatem potwierdza trafność równania Schro¨dingera.

14.2. Metoda separacji zmiennych.

W przypadku sferycznie symetrycznego potencjału V, korzystając z opisu (14.2) operatora Laplace'a, otrzymany dla operatora Hλ=H-λI
warunek HλF=0 w postaci

-rr2r+2mr22Vr-2mr22λ+1sinθθsinθθ+1sin2θ2φ2F=0, (14.6)

Jak widzimy, nasz operator zapisuje się w formie

Hλ=Hλr+Hλθφ

gdzie część Hλr zawiera tylko różniczkowanie względem r i mnożenie przez funkcje zależne od r. Analogicznie wygląda sytuacja dla Hλθφ, tym razem względem φ i θ oraz funkcji tych argumentów.

Zastosujmy ten operator do funkcji (14.5). Wtedy Hλr działa tylko na Rr a Hλθφ tylko na θϕφ. W rezultacie dzieląc całości przez F i przenosząc na prawą stronę część zależną od θ,φ otrzymamy

HλrRrRr=-(Hλ)θ,φ(θ)ϕ(φ)θϕφ (14.7)

Ponieważ po lewej stronie (14.7) mamy funkcję zmiennej r a po prawej zmiennych θ i φ, równość ta może zachodzić tylko wtedy , kiedy obie strony są stałe. Otrzymamy więc:

HλrRr=cRr
(Hλ)θ,φ(θ)ϕ(φ)=-c(θ)ϕ(φ)

Ostatnia równość po podstawieniu postaci Hλθ,φ i po pomnożeniu przez sin2θ przyjmie formę:

sinθθsinθθ+2φ2θϕφ=-cθϕφsin2θ,

Wykonując różniczkowania, dzieląc przez θϕφ, i przenosząc wyrazy zawierające θ na jedną stronę a zawierające φ na drugą, otrzymamy

sinθθsinθθθθ+csin2θ=2ϕφ2ϕ

skąd, podobnie jak poprzednio lewa strona i prawa strona równe są stałej d. Otrzymamy zatem równania

d2ϕdφ2=dϕ (14.8)

oraz

sin2θd2dθ2+sinθcosθddθ+csin2θ-d=0. (14.9)

Każde rozwiązanie równania (14.8) jest kombinacją liniową funkcji eidφ gdzie d ma dwie wartości zespolone. Na to, aby ϕφ była funkcją 2π okresową - co wynika z opisu we współrzędnych sferycznych, różniczkowalnej na R3\0 funkcji Fθ,φ,r=RrθΦφ, potrzeba i wystarcza by d=m2 dla mZ. Zatem stała separacji c musi być taka żeby określone na 0,π równanie (14.9) miało rozwiązania określone na (0,π.)

14.3. Kroki redukujące.

Zajmiemy się równaniem (14.9). Naszym celem jest pokazanie, że ma ono niezerowe rozwiązanie na 0,π tylko wówczas, gdy c=ll+1 dla l=0,1,2,

Postępowanie polega na przechodzeniu do coraz prostszych równań w taki sposób, że kolejne równania zawierają c jako parametr oraz, że posiadanie rozwiązania przy ustalonym c przez równanie poprzednie implikuje posiadanie rozwiązania przy tym samym c przez równanie następne. W rezultacie po pewnej liczbie kroków dochodzimy do równań:

1-x2d2fdx2-2xdfdx-cf=0 (14.10)

Zagadnienie, przy jakim c takie równanie posiada rozwiązania na (-1, 1), jest jednym z klasycznych zadań analizy i wiąże się z teorią wielomianów Legendre'a. w innym sformułowaniu jest to pytanie o widmo punktowe operatora

Af=1-x2d2fdx2-2xdfdx. (14.11)

Nasze postępowanie przebiega w kilku krokach.

Krok pierwszy:

Od równania (14.9) przejdziemy do równania

1-w2d2dw2-2wddw+c-m21-w2Gw=0 (14.12)

gdzie G ma być funkcją określoną na (-1,1).

Przejścia dokonujemy, podstawiając θ=arccosw, tak, że Gw=arccosw lub inaczej:

θ=Gcosθ (14.13)

Z (14.13) otrzymujemy

ddθ=-sinθdGdw

oraz

d2dθ2=sin2θd2Gdw2-cosθdGdw

Wstawiając te wartości do (14.9), po przekształceniach, otrzymamy (14.13).

Krok drugi:

Od równania (14.13) przejdziemy do równania (14.14 ), rozważanego, podobnie jak (14.13), na odcinku (-1, 1).

1-w2d2dw2-2wm+1ddw+c-mm+1Umw=0m (14.14)

Indeks m pojawia się w (14.14) w związku z następującą dalej redukcją, obniżającą m do m-1 i w konsekwencji doprowadzającą do (14.10) przy m=0.

Aby przejść od (14.13) do (14.14)(m), przyjmijmy

Umw=Gw1-w2m2

a zatem

Gw=Umw1-w2m2. (14.15)

Po prostych,lecz pracochłonnych obliczeniach, pokazujemy, że spełnienie przez G o postaci (14.15) warunku (14.12) implikuje, że Um spełnia równanie (14.14)(m).

Krok trzeci:

Lemat 14.1

(a) Jeżeli Um-1 jest rozwiązaniem (14.14)(m-1) to dUm-1dx jest rozwiązaniem równania (14.14)(m). (b) Każde rozwiązanie (14.14)(m) powstaje jako pochodna pewnego rozwiązania równania(14.14)(m-1).

Niech h będzie jakąś funkcją różniczkowalną na (-1,1) i obliczmy wartość wyrażenia

ddw1-w2d2hdw2-wmdhdw+c-m-1mh (14.16)

Oznaczmy dhdw=Fw. Wtedy wyrażenie (14.17) przyjmie postać:

-2wdFdw+1-w2d2Fdw2-2mF-2wmdFdw+c-m-1mF=
1-w2d2Fdw2-2wm+1dFdw+c-mm+1F.

Zatem, dla dowodu (a) należy jako h w (14.16) podstawić Um-1. Wtedy wyrażenie w nawiasie kwadratowym jest równe identycznościowo zeru a wobec tego F spełnia równanie (14.14) (m).

Dla dowodu (b) niech F będzie rozwiązaniem (14.14) (m). Wtedy F jest funkcją różniczkowalną, a więc ma funkcję pierwotną h. Przeprowadzając przytoczone rachunki w odwrotnym kierunku i podstawiając F=dhdw otrzymamy równość mówiącą, że wyrażenie (14.17) jest równe zeru. Oznacza to, że h spełnia równanie (14.14)(m-1), w kórym zero po prawej stronie zostało zastąpione przez jakąś stałą. Wtedy modyfikacja h przez dodanie do niego odpowiedniej stałej sprawi, że tak zmienione h spełni (14.14)(m-1).

Wniosek 14.1

Jeżeli równanie (14.9) z parametrem c ma rozwiązanie na 0,π, to równanie (14.10) z parametrem c ma rozwiązanie na (-1, 1).

14.4. Wielomiany Legendre'a.

Pojawiają się one w związku z kilku zagadnieniami analizy. Powodem naszego zainteresowania jest ich związek z równaniem Laplace'a. Nie mając zamiaru przedstawić w pełny sposób tej klasy funkcji specjalnych, skoncentrujmy się na jej własnościach związanych z pytaniem:

Problem 14.1

Dla jakich wartości parametru zespolonego c równanie (14.10) posiada niezerowe rozwiązanie?

Definicja 14.1

Wielomian

Pnx=12nn!dndxnx2-1n (14.17)

nazwiemy n-tym wielomianem Legendre'a . Przyjmiemy dodatkowo P0=1. (Mnożenie przez czynnik 12nn! daje własność Pn1=1 i jest naturalne przy innej definicji wielomianów Legendre'a).

Stwierdzenie 14.1

(a) Stopień Pn wynosi n. (b) Wielomian Pn spełnia równanie (14.10) ze stałą c równą n-1n. (Stałą zero w przypadku P0). Znaczy to, że dla operatora

A=ddx1-x2ddx (14.18)

zachodzi

APn=n-1nPn

(c) Jeżeli c1,c2 są wartościami własnymi operatora (14.11) oraz c1c2 a f1 i f2 są odpowiadającymi im funkcjami własnymi,to

-11f1xf2xdx=0.

(d) Funkcje P0,P1,P2, stanowią ortogonalny układ zupełny w przestrzeni L2-1,1,dx

(a) Pn otrzymujemy, różniczkując n-krotnie wielomian x2-1nstopnia 2n.

(b) Niech Wn oznacza przestrzeń wszystkich wielomianów o współczynnikach zespolonych, których stopień nie przekracza n. Ponieważ dla operatora liniowego A danego wzorem (14.11) Axn jest też wielomianem stopnia n o współczynniku przy xn równym nn-1, widzimy, że AWn=Wn dla n=0,1,2...

Pisząc z kolei A w formie

A=ddx1-x2ddx (14.19)

i wykonując dwukrotnie całkowanie przez części, pokazujemy, że

-11Afgdx=-11fAgdx (14.20)

dla dowolnych f i g.

Pokażemy, że w przestrzeni Wn istnieje baza ortogonalna f0,f1,fn taka, że stopień wielomianu fn wynosi n, oraz Afn=nn-1fn.

Postępując indukcyjnie przyjmiemy f0=1, wtedy Af0=0.

Niech będą określone f0,,fn-1, stanowiące bazę ortogonalną Wn-1 i będące wektorami własnymi A.

Niech fnWn będzie (jedynym z dokładnością do proporcjonalności) wektorem ortogonalnym do Wn-1. Wtedy na mocy (14.20) Afn jest też ortogonalny do Wn-1 a więc Afn=λfn. Z tego, że Axn jest stopnia n oraz ma współczynnik przy xn równy nn-1 wynika, że λ=nn-1.

Pokażemy, że fn=Pn (po odpowiednim unormowaniu). W tym celu wystarczy pokazać, że

-11PnPmdx=0dlanm (14.21)

Istotnie, P0=1=f0 oraz P0,P1,Pn-1 rozpinają Wn-1 podobnie jak
f0,f1,,fn-1, a z pokazanego poprzednio f0,,fk stanowią bazę ortogonalną Wk dla k=1,2,,n.

Pokażemy, że zachodzi (14.21).

Posłużymy się lematem:

Lemat 14.2

Niech k<n, wtedy dkdxkx2-1n=0 dla x±1.

Istotnie

Pk=dkdxkx2-1x2-1n-1=j=02kjdjdxjx2-1dk-jdxk-jx2-1n-1

Pierwszy składnik sumy po stronie prawej zawiera czynnik x2-1, do pozostałych dwóch składników można stosować założenie indukcyjne. Wykorzystując lemat uzyskujemy (indukcyjnie) (14.21), całkując przez części.

(c) Z warunków ddx1-x2dfidx=cifi dla i=1,2 otrzymamy

-11ddx1-x2df1dxf2-df2dxf1dx=c1-c2-11f1f2dx

Lewa strona jest równa 1-x2df1dxf2-df2dxf1 w granicach 1,-1 a zatem wynosi 0.

(d) Z (b) i (c) wynika ortogonalność funkcji Pi a z (a) wynika, że przestrzeń liniowa rozpinana przez P0,Pn, jest zarazem przestrzenią rozpinaną przez 1,x,x2,,xn.

Wniosek 14.2

Jedynymi liczbami zespolonymi c, dla których równanie (14.10) ma rozwiązanie są 0,12,23,mm+1,

Funkcja P spełniająca równanie (14.10) jest różniczkowalna na R, więc należy do L2-1,1,dx. Na podstawie punktu (c) Stwierdzenia 14.1 dla c różnego od mm+1 przy m=0,1,2...) f jako funkcja własna operatora (14.12) byłaby ortogonalna do przestrzeni wszystkich wielomianów, co nie jest możliwe.

14.5. Wartości własne operatora energii dla potencjału coulombowskiego.

Badając wartości własne operatora energii

H=-22m+U (14.22)

rozważamy rodzinę operatorów Hλ=Hλ-I dla λC i badamy warunek Hλ=0.

W przypadku potencjału coulombowskiego

Ur=-e24π01r, (14.23)

gdzie e jest ładunkiem elektronu a 0 stałą dielektryczną próżni, wygodnie jest w opisie Hλ przejść do współrzędnych sferycznych, zapisując warunek Hλ=0 w postaci (14.6).

Jak pokazaliśmy, metoda separacji zmiennych prowadzi do równania Hλr-cRr=0, które po wykonaniu różniczkowań, podzieleniu przez r2, podstawieniu za U potencjału coulombowskiego (14.23) oraz uwzględnieniu, że stała separacji c musi przyjmować jedną z wartości ll-1 dla l=1,2,3, przybiera postać:

d2dr2+2rddr+2l2λ+e24π0r+ll-1r2Rr=0 (14.24)

Naszym celem będzie zbadanie, dla jakich λ powyższe równanie posiada rozwiązanie oraz powiązanie otrzymanego warunku z występującymi tu parametrami fizycznymi. (Przypomnijmy, że ze Stwierdzenia(13.3) wynika, że λR ). W celu możliwie jaknajwiększego uniezależnienia współczynników naszego równania od parametrów fizycznych, przejdziemy do ”unormowanej” zmiennej ρ=ra1, gdzie a1=4π02me2 jest promieniem Bohra (porównaj (12.8)). Oznaczymy też μ=-8π0a1e2λ.

W wyniku tych zmian otrzymamy równanie

d2dρ2+2ρddρ-ll-1ρ2+2ρ-μRρ=0, (14.25)

gdzie ”obecna” funkcja R jest równa dawnej funkcji R od zmiennej a1ρ.

Warunek FL2R3,dx dla F(r,θ,φ)=R(r)(θ)ϕ(φ) prowadzi do warunku:

0+Rρ2ρ2dρ<+ (14.26)

i będziemy szukać rozwiązań (14.24) spełniających (14.25). Przekształcimy równanie (LABEL:14.5.4), aby zależność od parametru l było łatwiej poddać kontroli a także, aby uprościć jego postać.

Wskazówką przy szukaniu odpowiedniego podstawienia mogą być następujące dwie obserwacje: Uproszczenie równania (14.24) do

d2dρ2+2ρddρ-ll-1ρ2αρ=0 (14.27)

daje równanie o podobnych (mamy nadzieję) rozwiązaniach dla małych wartości ρ. Co więcej, dla (14.27) możemy odgadnąć dwa liniowo niezależne rozwiązania. Są nimi

α1ρ=ρl-1orazα2ρ=ρ-l.

Z nich tylko α1 spełnia dla małych ρ warunek (LABEL:14.5.4). Podobnie dla dużych ρ możemy (14.24) uprościć do

d2dρ2-μβρ=0. (14.28)

Równanie to ma dwa liniowo niezależne rozwiązania β1ρ=e-μρ i β2=eμρ. Ponieważ, jak pokazaliśmy w Stwierdzeniu 13.3, λ a zatem μ są rzeczywiste, to całkowalność rozwiązań (14.28) mamy szansę uzyskać tylko dla μ>0 ( zatem λ<0 ).

W wyniku tych obserwacji zapropononujemy podstawienie

Rρ=ρle-μρLρ. (14.29)

Wtedy

dRdρ=lρl-1e-μρLρ-μρle-μρLρ+ρle-μρdLdρ

oraz

d2Rdρ2=l(l-1)ρl-2e-μρL(ρ)-2lμ)ρl-1L(ρ)+μρle-μρL(ρ)+2lρl-1e-μρdLdρ-
-2μρle-μρdLdρ+ρle-μρd2Ldρ2

I w rezultacie podstawiając te wartości oraz (14.29 ) do równania (14.27), widzimy, że L musi spełniać równanie:

ρd2dρ2+2l+1-ρμddρ+2lρ-l+1μ+1Lρ=0 (14.30)

Rozwińmy funkcję L w szereg Laurenta o środku w 0, to jest niech:

Lρ=-+anρn. (14.31)

Wtedy

dLdρρ=n=0n+1an+1ρn+n=-2-n+1anρn (14.32)

Widzimy (14.30), że n-ty współczynnik funkcji otrzymanej jako lewa strona równania (identycznościowo równej zero na mocy tegoż równania wynosi:

bn=nn+1an+1+2l+1n+1an+1-2μnan+-2μl+1+2an+2lan+1

Ponieważ funkcja równa identycznościowo zeru ma wszystkie współczynniki równe zeru, otrzymamy stąd

an+1n+1n+2l+1+2l=an2μn+2μl+1

skąd

an+1=2μn+l+1-1n+1n+2l+1+2lan (14.33)

Ze wzoru tego wynika, że dla dużych n stosunek an+1an zachowuje się jak 2μn+1, skąd można wyprowadzić, że Lρ zachowuje się dla dużych ρ jak e2μρ a zatem Rρ nie może być funkcją całkowalną. Jedynym wyjątkiem jest sytuacja, kiedy an=0 począwszy od pewnego n.

To się może stać wtedy, kiedy

μ=1n+l+12

Przypomnijmy, że przyjęliśmy μ=-8π0a1e2λ, gdzie a1=4π02me2 jest promieniem Bohra (12.8). Wtedy μ=-λR gdzie R=me432Π2022 jest stałą Rydyberga. Ostatecznie otrzymujemy warunek

λ=-Rn+l+12

dla l=0,1,2, oraz n=0,1,2,, zgodny z (12.9).

14.6. Funkcje własne operatora energii dla potencjału o symetrii sferycznej.

W punkcie tym pokażemy, że w przypadku potencjału V, który we współrzędnych (14.1) zależy jedynie od r, przestrzeń kerHλ, o ile nie jest równa 0 zawiera funkcje o postaci

F(r,θ,φ)=R(r)(θ)ϕ(φ). (14.34)

Redukcja ta nie zależy od postaci operatora Hλ a jedynie od tego, że jest on przemienny z naturalną reprezentacją grupy SO3,R, Wynika stąd, że Y=kerHλ jest zachowana przez operatory A~ dla ASO3R.

Dla krótkości niech G=SO3,R, niech ρ oznacza naturalną reprezentację G w L2R3,dx, to znaczy dla Gg=ASO3,R niech ρgf=A~f.

Pierwszym krokiem do pokazania (14.34) jest następujący

Lemat 14.3

Jeżeli Y0 jest domkniętą przestrzenią niezmienniczą reprezentacji ρ składającą się z funkcji różniczkowalnych, to Y zawiera funkcje o postaci

Fr,θ,φ=RrHθ,φ (14.35)

Dowód lematu korzysta z teorii reprezentacji unitarnych zwartych grup topologicznych. Potrzebne fragmenty tej teorii podane są w następnym punkcie tego wykładu.

Idea dowodu Lematu

Niech dμr oznacza unormowaną miarę Lebesque'a na sferze Sr ( tj. o środku 0 i promieniu r) w R3. Niech ρr oznacza reprezentację G w L2Sr,dμr indukowaną przez naturalne działania G na Sr.

Dla ustalonego r określmy Πr:YL2Sr,dμr, kładąc Πrf=γ gdzie γθ,φ=fr,θ,φ.

Z Twierdzenia 14.1 wynika, że istnieje skończenie wymiarowa ρ-niezmiennicza podprzestrzeń zespolona ZY, taka, że ρ ograniczona do Z jest nieprzywiedlna.

Jeżeli funkcje fir,θ,φi=1,2,,d stanowią bazę ortonormalną Z, to reprezentację ρ ograniczoną do Z można opisać wzorem

ρgfir,θ,φ=j=1dbijgfjr,θ,φ (14.36)

gdzie Bg=bijgij=1d przebiega pewną (nieprzywiedlnie działającą na Cd ) podgrupą grupy unitarnej Ud.

Ponieważ działanie grupy G dotyczy współrzędnych θ i φ to z ρ-niezmienniczości przestrzeni Z wynika ρ-niezmienniczość przestrzeni Zr=ΠrZ. Oznaczmy

hir=Πrfii=1,dgdziehirθ,φ=fr,θ,φ

Wtedy

ρgrhirθ,φ=i=1dbijghirθ,φ (14.37)

Zauważmy teraz, że dla każdej pary r1,r2 przekształcenie ir1,r2r,θ,φ:Sr1Sr2 określone we współrzędnych sferycznych wzorem ir1,r2r2,θ,φ=r1,θ,φ pozwala utożsamić Sr1 z Sr2 i indukuje przekształcenie unitarne

Ir1,r2:L2Sr1,dμr1L2Sr2,dμr2

i przy tym, dla dowolnych r1,r2 oraz gG

Ir1,r2ρgr1=ρgr2Ir1,r2 (14.38)

Zatem Ir1,r2 dają utożsamienie przestrzeni L2Sr,dμr wraz z działaniem G.

Zauważmy, że przy każdym r funkcje hi są liniowo niezależne. Istotnie, gdyby k spośród nich rozpinało przestrzeń Zr dla pewnego k<d to operatory Bg dla gG działaby z przestrzenią niezmienniczą w Cd.

Z utożsamienia (LABEL:14.6.5) reprezentacji ρr dla różnych r wynika, że wszystkie one mają ten sam rozkład na ortogonalną sumę prostą reprezentacji nieprzywiedlnych. Z tego, że reprezentacje ρr są cykliczne wynika, że każda reprezentacja nieprzywiedlna może pojawić się w tym rozkładzie tylko skończoną ( od swojego wymiaru) liczbę razy. Dwie reprezentacje nieprzywiedlne pojawiające się w rozkładzie są identyczne lub działają w przestrzeniach ortogonalnych.

Ponieważ małej zmianie r odpowiada mała zmiana bazy ( h1r,hdr) i ponieważ wzór (14.36) określa reprezentację nieprzywiedlną, wynika stąd, hir nie zależą od r, to jest

hirθ,φ=hiθ,φdla wszystkichr

Ale to wtedy znaczy, że

fir,θ,φ=Rrhiθ,φ.

Wynika stąd teza.

Uwaga 14.1

Przytoczone rozumowanie pokazuje też, że Zr=Z1RrR1.

Niech S będzie sferą w R3 i dμ unormowaną miarą Lebesque'a na S. Ograniczmy reprezentację ρ do 1-parametrowej podgrupy SO3R składającej się z obrotów wokół osi x3, to jest w przyjętych współrzędnych sferycznych przekształcenie Aφ0, będące obrotem o kąt φ0, ma postać

θ,φθ,φ+φ0mod.2π.
Lemat 14.4

Niech Z0 będzie domkniętą przestrzenią niezmienniczą dla przekształceń Aφ,0φ<2π. Istnieje 0hZ oraz liczba całkowita n0 takie, że

h(θ,φ)=ein0φ(θ). (14.39)

Dla liczby całkowitej n rozpatrzmy operator Tn dany wzorem

Tnf=02πeinφA~φfdφ (14.40)

Twierdzimy, że istnieje n0 oraz fZ, że Tn0t0. Istotnie, w przeciwnym razie dla każdej funkcji ciągłej χ mielibyśmy:

02πχφA~φfdφ=0czyli02πχφfθ,ψ+φdφ0

Nie tracąc ogólności możemy założyć, że fθ0,φ00, że f jest ciągła, χ jest rzeczywista nieujemna oraz, że nośnik χ jest zawarty w dowolnie małym otoczeniu ((θ0,φ0). Dostajemy stąd sprzeczność. Szczegóły pozostawiamy czytelnikowi.

Niech zatem Tn0f0 dla pewnej funkcji fZ. Wtedy Tn0fZ i twierdzimy, że Tn0f(θ,φ)=e-in0φ(θ).

Istotnie

e-in0φTn0fθ,φ=ein0φ02Πein0αfθ,φ+αdα=
=02Πein0α+φf(θ,α+φ)dα=02Πein0αf(θ,αdα)=(θ)
Wniosek 14.3

W każdej różnej od zera przestrzeni kerHλ znajduje się funkcja F postaci

F(r,θ,φ)=R(r)(θ)ein0φ (14.41)

14.7. Wybór faktów z teorii reprezentacji grup zwartych.

Definicja 14.2

Grupą topologiczną nazywamy grupę G, która jest jednocześnie przestrzenią topologiczną, przy czym odwzorowanie

G×Ga,ba-1bG

jest ciągłe.

Grupę topologiczną nazywamy zwartą (odpowiednio lokalnie zwartą) jeżeli jako przestrzeń topologicznie jest ona zwarta (lokalnie zwarta).

Definicja 14.3

Miarę μ określoną na σ- ciele podzbiorów grupy G nazywamy lewostronnie (odpowiednio prawostronnie) niezmienniczą jeżeli dla każdego A oraz gG zbiór gA ( odpowiednio Ag) oraz jeżeli μgA=μA (odpowiednio ( μ(Ag)=μ(A)).

Uwaga 14.2

Przekształcenie Ggg-1G indukuje odwzorowanie miar. Obrazem miary lewostronnie niezmienniczej jest miara prawostronnie niezmiennicza (i odwrotnie). Wobec tego każde zdanie o miarach lewostronnie niezmienniczych ma swój odpowiednik dla miar prawostronnie niezmienniczych. W dalszym ciągu w związku z lewicowymi sympatiami autora będziemy formułowac teorię dla miar lewostronnie niezmienniczych.

Twierdzenie 14.1

(Alfred Haar)

Na każdej lokalnie zwartej grupie topologicznej G istnieje określona na σ-ciele podzbiorów borelowskich G regularna miara lewo niezmiennicza. (Regularność miary oznacza, że dla każdego E>0 i A istnieje zbiór zwarty Z i otwarty Q, takie, że ZAQ oraz μQ\Z<E.)

Miara ta ( zwana lewą miarą Haara) jest jedyna w tym sensie, że każde dwie takie miary są proporcjonalne. Miara Haara μ grupy zwartej jest skończona ( na ogół normuje się ją tak, żeby μG=1). Własność skończoności miary Haara charakteryzuje grupy zwarte w klasie grup lokalnie zwartych.

Definicja 14.4

Niech G będzie grupą a GLX grupą wszystkich odwracalnych przekształceń liniowych przestrzeni liniowej X ze złożeniem przekształceń jako operacją grupową.

Homomorfizm ρ:GGLX nazwiemy reprezentacją G.

Reprezentację nazwiemy skończenie wymiarową (wymiaru n) jeżeli X ma wymiar n.

Najczęściej rozważa się reprezentacje, gdzie X jest przestrzenią nad C. Dla grup topologicznych właściwym jest rozważanie reprezentacji ciągłych. Wtedy X powinna też być przestrzenią topologiczną. Najczęściej używanym posulatem ciągłości reprezentacji jest warunek ciągłości trajektorii (nazywany w dalszym tekście ciągłością reprezentacji): dla każdego ustalonego xX funkcje GgρgxX są ciągłe.

Reprezentacja jest cykliczna, jeżeli istnieje xX taki, że przestrzeń liniowa Yx rozpinana przez trajektorię

Gx=yX:y=ρgxgG

jest gęsta w X.

Jeżeli warunek gęstości Yx zachodzi dla każdego x0, to reprezentacja nazywa się nieprzywiedlna.

Reprezentacja ρ nazywa się unitarną, jeżeli X jest przestrzenią Hilberta a operatory ρg reprezentacji ρ są operatorami unitarnymi to jest ρg*=ρg-1=ρg-1 dla gG. O dwóch reprezentacjach ρ1 i ρ2 grupy G działających odpowiednio w przestrzeniach X1 i X2 powiemy, że są równoważne, jeżeli istnieje liniowy izomorfizm I:X1X2 (topologiczny, jezeli X1 i X2 są topologiczne) taki, że Iρ1g=ρ2gI dla gG. Reprezentacje równoważne są w pewnym sensie takie same a różnią się tylko opisem.

Stwierdzenie 14.2

Każda lokalnie zwarta grupa topologiczna posiada injektywną reprezentacją unitarną. Jest nią lewa regularna reprezentacja opisana w następujący sposób:

Przestrzenią X jest L2G,dμ, gdzie dμ oznacza lewą miarę Haara, natomiast ρgfh=fgh.

Twierdzenie 14.2

(Podstawowe twierdzenie o ciągłych reprezentacjach unitarnych grup zwartych).

(a) Każda ciągła reprezentacja nieprzywiedlna grupy zwartej jest skończenie wymiarowa.

(b) Każda ciągła hilbertowska reprezentacja grupy zwartej równoważna jest reprezentacji unitarnej.

(c) Każda ciągła reprezentacja unitarna grupy zwartej w ośrodkowej przestrzeni Hilberta rozkłada się na ortogonalną sumę prostą reprezentacji nieprzywiedlnych

X=Xn (14.42)

gdzie każda z przestrzeni Xn w (14.42) jest ρ-niezmiennicza oraz ρ-ograniczona do Xn jest nieprzywiedlna. Krotnością występowania danej reprezentacji nieprzywiedlnej w rozkładzie (14.42) nazwiemy liczbę składników, dla których eprezentacja ρ ograniczona do Xi jest równoważna tej reprezentacji.

(d) Reprezentacja o rozkładzie (14.42) jest cykliczna wtedy i tylko wtedy, gdy krotność występowania w tym rozkładzie dowolnej reprezentacji nieprzywiedlnej jest niewiększa niż jej wymiar.

Treść automatycznie generowana z plików źródłowych LaTeXa za pomocą oprogramowania wykorzystującego LaTeXML.

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

Projekt współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego i przez Uniwersytet Warszawski.