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東北大学 工学研究科 電気・情報系 2016年8月実施 基礎科目 問題6 物理基礎2

Author

祭音Myyura (co-authored with GPT 5.6 SOL)

Description

日本語版

行列の交換関係に関して,次の問に答えよ。交換関係とは,[A,B]=ABBA[A,B]=AB-BA のことである。AABB は任意の正方行列である。ここで,ii は虚数単位であり,OO は零行列である。f(t)=exp(tA)Bexp(tA), g(λ)=exp(λA)exp(λB)f(t)=\exp(tA)B\exp(-tA),\ g(\lambda)=\exp(\lambda A)\exp(\lambda B) とする。ただし,AABB は変数 tt 及び λ\lambda を含まないものとする。行列の指数関数は次のように定義される:

exp(X)=n=01n!Xn.\exp(X)=\sum_{n=0}^{\infty}\frac1{n!}X^n.

ここで,XX は任意の正方行列であり,X0X^0 は単位行列 II を表すものとする。

(1)

α=12(010101010),β=12(0i0i0i0i0),γ=(100000001)\alpha=\frac1{\sqrt2}\begin{pmatrix}0&1&0\\1&0&1\\0&1&0\end{pmatrix},\quad \beta=\frac1{\sqrt2}\begin{pmatrix}0&-i&0\\i&0&-i\\0&i&0\end{pmatrix},\quad \gamma=\begin{pmatrix}1&0&0\\0&0&0\\0&0&-1\end{pmatrix}

とする。交換関係 [α,β][\alpha,\beta] 及び [α,(α2+β2+γ2)][\alpha,(\alpha^2+\beta^2+\gamma^2)] を計算せよ。

(2) f(0)f(0) を求めよ。

(3) ddtexp(tA)=Aexp(tA)=exp(tA)A\frac d{dt}\exp(tA)=A\exp(tA)=\exp(tA)A を示せ。

(4) 下記二つの関係式を示せ:

f(t)=ddtf(t)=exp(tA)[A,B]exp(tA),f'(t)=\frac d{dt}f(t)=\exp(tA)[A,B]\exp(-tA),
f(t)=ddtf(t)=exp(tA)[A,[A,B]]exp(tA).f''(t)=\frac d{dt}f'(t)=\exp(tA)[A,[A,B]]\exp(-tA).

(5) [A,[A,B]]=[B,[A,B]]=O[A,[A,B]]=[B,[A,B]]=O のとき,exp(tA)Bexp(tA)\exp(tA)B\exp(-tA) を計算せよ。f(t)f(t) が次のように展開できることに注意せよ:

f(t)=f(0)+t1!f(0)+t22!f(0)+t33!f(3)(0)+.f(t)=f(0)+\frac t{1!}f'(0)+\frac{t^2}{2!}f''(0)+\frac{t^3}{3!}f^{(3)}(0)+\cdots.

(6) [A,[A,B]]=[B,[A,B]]=O[A,[A,B]]=[B,[A,B]]=O のとき,[exp(λA),B]=λ[B,A]exp(λA)[\exp(\lambda A),B]=-\lambda[B,A]\exp(\lambda A) となる。この関係式を用いて,ddλg(λ)=(A+B+λ[A,B])g(λ)\frac d{d\lambda}g(\lambda)=(A+B+\lambda[A,B])g(\lambda) を示せ。

(7) [A,[A,B]]=[B,[A,B]]=O[A,[A,B]]=[B,[A,B]]=O のとき,exp(A)exp(B)=exp(A+B+12[A,B])\exp(A)\exp(B)=\exp\left(A+B+\frac12[A,B]\right) を証明せよ。

题目描述

矩阵交换子定义为 [A,B]=ABBA[A,B]=AB-BA,矩阵指数定义为 eX=n0Xn/n!e^X=\sum_{n\ge0}X^n/n!。令

f(t)=etABetA,g(λ)=eλAeλB,f(t)=e^{tA}Be^{-tA},\qquad g(\lambda)=e^{\lambda A}e^{\lambda B},

A,BA,B 不依赖于 t,λt,\lambdaOO 表示零矩阵。

  1. 给定
α=12(010101010),β=12(0i0i0i0i0),γ=(100000001),\alpha=\frac1{\sqrt2}\begin{pmatrix}0&1&0\\1&0&1\\0&1&0\end{pmatrix},\quad \beta=\frac1{\sqrt2}\begin{pmatrix}0&-i&0\\i&0&-i\\0&i&0\end{pmatrix},\quad \gamma=\begin{pmatrix}1&0&0\\0&0&0\\0&0&-1\end{pmatrix},

[α,β][\alpha,\beta][α,α2+β2+γ2][\alpha,\alpha^2+\beta^2+\gamma^2]。 2. 求 f(0)f(0)。 3. 证明 ddtetA=AetA=etAA\frac d{dt}e^{tA}=Ae^{tA}=e^{tA}A。 4. 证明 f(t)=etA[A,B]etAf'(t)=e^{tA}[A,B]e^{-tA}f(t)=etA[A,[A,B]]etAf''(t)=e^{tA}[A,[A,B]]e^{-tA}。 5. 当 [A,[A,B]]=[B,[A,B]]=O[A,[A,B]]=[B,[A,B]]=O 时,求 eABeAe^ABe^{-A}。 6. 在相同条件下,利用 [eλA,B]=λ[B,A]eλA[e^{\lambda A},B]=-\lambda[B,A]e^{\lambda A} 证明 g(λ)=(A+B+λ[A,B])g(λ)g'(\lambda)=(A+B+\lambda[A,B])g(\lambda)。 7. 在相同条件下证明 eAeB=eA+B+[A,B]/2e^Ae^B=e^{A+B+[A,B]/2}

Kai

(1)

直接计算得

[α,β]=iγ.\boxed{[\alpha,\beta]=i\gamma.}

α2+β2+γ2=2I\alpha^2+\beta^2+\gamma^2=2I,因此

[α,α2+β2+γ2]=O.\boxed{[\alpha,\alpha^2+\beta^2+\gamma^2]=O.}

(2)–(3)

f(0)=B.\boxed{f(0)=B.}

逐项求导并移指标:

ddtetA=n=1tn1An(n1)!=Ak=0tkAkk!=AetA=etAA.\frac d{dt}e^{tA}=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{t^{n-1}A^n}{(n-1)!}=A\sum_{k=0}^{\infty}\frac{t^kA^k}{k!}=Ae^{tA}=e^{tA}A.

(4)

由乘积法则及 AAetAe^{tA} 可交换,

f=AetABetAetABetAA=etA(ABBA)etA.f'=Ae^{tA}Be^{-tA}-e^{tA}Be^{-tA}A=e^{tA}(AB-BA)e^{-tA}.

再求导一次即得

f=etA[A,[A,B]]etA.\boxed{f''=e^{tA}[A,[A,B]]e^{-tA}.}

(5)

C=[A,B]C=[A,B]。条件给出 f=0f''=0,且 f(0)=B,f(0)=Cf(0)=B,f'(0)=C,所以

f(t)=B+tC,eABeA=B+[A,B].f(t)=B+tC,\qquad\boxed{e^ABe^{-A}=B+[A,B].}

(6)

eλAB=(B+λC)eλAe^{\lambda A}B=(B+\lambda C)e^{\lambda A}

g=AeλAeλB+eλABeλB=(A+B+λC)g.g'=Ae^{\lambda A}e^{\lambda B}+e^{\lambda A}Be^{\lambda B} =\boxed{(A+B+\lambda C)g}.

(7)

[A,C]=[B,C]=0[A,C]=[B,C]=0,矩阵 A+BA+BCC 可交换。因此

h(λ)=exp[λ(A+B)+λ22C]h(\lambda)=\exp\left[\lambda(A+B)+\frac{\lambda^2}2C\right]

满足 h=(A+B+λC)hh'=(A+B+\lambda C)hh(0)=Ih(0)=I,与 gg 的初值问题相同。由解的唯一性 g=hg=h,令 λ=1\lambda=1

eAeB=exp(A+B+12[A,B]).\boxed{e^Ae^B=\exp\left(A+B+\frac12[A,B]\right).}