Anhang 4.1 Normierung einer Gauß-Funktion und einer Wellenfunktion
Normierung einer Gauß-Funktion
Wir betrachten die Gauß-Funktion
mit der Gleichung \( a\left( k \right) = \left| {a\left( k \right)} \right| \cdot {\text{e}}^{{{\text{i}}\, \cdot \,\varphi \left( k \right)}} = \sqrt[4]{{\frac{{b^{2} }}{\uppi}}} \cdot {\text{e}}^{{ - \,\frac{1}{2}\, \cdot \,b^{2} \, \cdot \,\left( {k - K} \right)^{2} }} \cdot {\text{e}}^{{{\text{i}}\, \cdot \,\varphi \left( k \right)}} \).
Um die Beziehung \( \int\limits_{ - \,\infty }^{\infty } {a^{ * } \left( k \right) \cdot a\left( k \right) \cdot {\text{d}}k} = \int\limits_{ - \,\infty }^{\infty } {\left| {a\left( k \right)} \right|^{2} \cdot {\text{d}}k} = 1 \) nachzuweisen, setzen wir die Gauß-Funktion in das Integral ein:
$$ I1 = \int\limits_{ - \,\infty }^{\infty } {a^{ * } \left( k \right) \cdot a\left( k \right) \cdot {\text{d}}k} = \int\limits_{ - \,\infty }^{\infty } {\left| {a\left( k \right)} \right|^{2} \cdot {\text{d}}k} = \sqrt {\frac{{b^{2} }}{\uppi}} \cdot \int\limits_{ - \,\infty }^{\infty } {{\text{e}}^{{ - \,b^{2} \, \cdot \,\left( {k - K} \right)^{2} }} \cdot {\text{d}}k} . $$
Mit der Substitution \( b \cdot \left( {k - K} \right) = z \), d. h. \( \frac{{{\text{d}}z}}{{{\text{d}}k}} = b \) bzw. \( {\text{d}}k = \frac{1}{b} \cdot {\text{d}}z \), erhalten wir ein Integral, dessen Wert wir einer Formelsammlung entnehmen können:
$$ I1 = \sqrt {\frac{{b^{2} }}{\uppi}} \cdot \frac{1}{b} \cdot \int\limits_{ - \,\infty }^{\infty } {{\text{e}}^{{ - \,z^{2} }} \cdot {\text{d}}z} = \sqrt {\frac{1}{\uppi}} \cdot \int\limits_{ - \,\infty }^{\infty } {{\text{e}}^{{ - \,z^{2} }} \cdot {\text{d}}z} = \sqrt {\frac{1}{\uppi}} \cdot \sqrt\uppi = 1. $$
Normierung einer Wellenfunktion
Für den Nachweis von \( \int\limits_{ - \,\infty }^{\infty } {\psi^{ * } \left( {x{,}\,t} \right) \cdot \psi \left( {x{,}\,t} \right) \cdot {\text{d}}x} = \int\limits_{ - \,\infty }^{\infty } {\left| {\psi \left( {x{,}\,t} \right)} \right|^{2} \cdot {\text{d}}x} = 1 \) setzen wir (4.35) in das Integral ein, d. h. \( \psi \left( {x{,}\,t} \right) = \frac{1}{{\sqrt {2 \cdot\uppi} }} \cdot \int\limits_{ - \,\infty }^{\infty } {a\left( k \right) \cdot {\text{e}}^{{{\text{i}}\, \cdot \,\left( {k\, \cdot \,x\, - \,\omega \left( k \right)\, \cdot \,t} \right)}} \cdot {\text{d}}k} \). Wegen der „Gutartigkeit“ der vorkommenden Funktionen dürfen wir die Reihenfolge der Integrationen verändern. Zur Unterscheidung der für die Berechnung von \( \psi^{ * } \) und \( \psi \) erforderlichen Integrationen verwenden wir die Integrationsvariablen k bzw. \( k^{\prime} \). Dabei hat der Bezeichner \( k^{\prime} \) nicht die Bedeutung einer Ableitung:
$$ I2 = \int\limits_{ - \,\infty }^{\infty } {\psi^{ * } \left( {x{,}\,t} \right) \cdot \psi \left( {x{,}\,t} \right) \cdot {\text{d}}x} , $$
$$ I2 = \frac{1}{{2 \cdot\uppi}} \cdot \int\limits_{ - \infty }^{\infty } {\int\limits_{ - \infty }^{\infty } {\int\limits_{ - \infty }^{\infty } {a^{ * } \left( k \right) \cdot {\text{e}}^{{ - \,{\text{i}}\, \cdot \,\left( {k\, \cdot \,x\, - \,\omega \left( k \right)\, \cdot \,t} \right)}} \cdot {\text{d}}k \cdot a\left( {k^{\prime}} \right) \cdot {\text{e}}^{{{\text{i}}\, \cdot \,\left( {k^{\prime}\, \cdot \,x\, - \,\omega \left( {k^{\prime}} \right)\, \cdot \,t} \right)}} \cdot {\text{d}}k^{\prime} \cdot {\text{d}}x} } } , $$
$$ I2 = \int\limits_{ - \infty }^{\infty } {\int\limits_{ - \infty }^{\infty } {\int\limits_{ - \infty }^{\infty } {\frac{1}{{2 \cdot\uppi}} \cdot } \,{\text{e}}^{{{\text{i}}\, \cdot \,\left( {k^{\prime} - \,k} \right)\, \cdot \,x}} \cdot {\text{d}}x \cdot a^{ * } \left( k \right) \cdot a\left( {k^{\prime}} \right) \cdot {\text{e}}^{{{\text{i}}\, \cdot \,\left( {\,\omega \left( k \right)\, - \,\omega \left( {k^{\prime}} \right)} \right)\, \cdot \,t}} \cdot {\text{d}}k \cdot {\text{d}}k^{\prime}} } . $$
Mit (5.134), d. h. \( \int\limits_{ - \infty }^{\infty } {\frac{1}{{2 \cdot\uppi}} \cdot } \,{\text{e}}^{{{\text{i}}\, \cdot \,\left( {k^{\prime} - k} \right)\, \cdot \,x}} \cdot {\text{d}}x = \delta \left( {k^{\prime} - k} \right) \), können wir die Berechnung von \( I2 \) auf \( I1 \) zurückführen:
$$ I2 = \int\limits_{ - \infty }^{\infty } {\int\limits_{ - \infty }^{\infty } {\delta \left( {k^{\prime} - k} \right) \cdot a^{ * } \left( k \right) \cdot a\left( {k^{\prime}} \right) \cdot {\text{e}}^{{{\text{i}}\, \cdot \,\left( {\,\omega \left( k \right)\, - \,\omega \left( {k^{\prime}} \right)} \right)\, \cdot \,t}} \cdot {\text{d}}k \cdot {\text{d}}k^{\prime}} } , $$
$$ I2 = \int\limits_{ - \infty }^{\infty } {a^{ * } \left( k \right) \cdot a\left( k \right) \cdot {\text{e}}^{{{\text{i}}\, \cdot \,\left( {\,\omega \left( k \right)\, - \,\omega \left( k \right)} \right)\, \cdot \,t}} \cdot {\text{d}}k} = \int\limits_{ - \infty }^{\infty } {a^{ * } \left( k \right) \cdot a\left( k \right) \cdot 1 \cdot {\text{d}}k} = I1 = 1. $$
Analog zeigen wir für \( \int\limits_{ - \,\infty }^{\infty } {\phi^{ * } \left( p \right) \cdot \phi \left( p \right) \cdot {\text{d}}p} = \int\limits_{ - \,\infty }^{\infty } {\left| {\phi \left( p \right)} \right|^{2} \cdot {\text{d}}p} = 1 \) die Normierung der Wellenfunktion \( \psi \left( {x{,}\,t} \right) = \frac{1}{{\sqrt {2 \cdot\uppi \cdot \hbar } }} \cdot \int\limits_{ - \,\infty }^{\infty } {\phi \left( p \right) \cdot {\text{e}}^{{{\text{i}}\, \cdot \,\left( {p\, \cdot \,x\, - \,E\left( p \right)\, \cdot \,t} \right)/\hbar }} \cdot {\text{d}}p} \):
$$ I3 = \int\limits_{ - \,\infty }^{\infty } {\psi^{ * } \left( {x{,}\,t} \right) \cdot \psi \left( {x{,}\,t} \right) \cdot {\text{d}}x} , $$
$$ I3 = \frac{1}{{2 \cdot\uppi \cdot \hbar }} \cdot \int\limits_{ - \infty }^{\infty } {\int\limits_{ - \infty }^{\infty } {\int\limits_{ - \infty }^{\infty } {\phi^{ * } \left( p \right) \cdot {\text{e}}^{{ - \,{\text{i}}\, \cdot \,\left( {p\, \cdot \,x\, - \,E\left( p \right)\, \cdot \,t} \right)/\hbar }} \cdot {\text{d}}p \cdot \phi \left( {p^{\prime}} \right) \cdot {\text{e}}^{{{\text{i}}\, \cdot \,\left( {p^{\prime}\, \cdot \,x\, - \,E\left( {p^{\prime}} \right)\, \cdot \,t} \right)/\hbar }} \cdot {\text{d}}p^{\prime} \cdot {\text{d}}x} } } , $$
$$ I3 = \int\limits_{ - \infty }^{\infty } {\int\limits_{ - \infty }^{\infty } {\int\limits_{ - \infty }^{\infty } {\frac{1}{{2 \cdot\uppi \cdot \hbar }} \cdot {\text{e}}^{{{\text{i}}\, \cdot \,\left( {p^{\prime} - p} \right)\, \cdot \,x/\hbar }} \cdot {\text{d}}x \cdot \phi^{ * } \left( p \right) \cdot \phi \left( {p^{\prime}} \right) \cdot {\text{e}}^{{{\text{i}}\, \cdot \,\left( {E\left( p \right)\, - \,E\left( {p^{\prime}} \right)\,} \right)\, \cdot \,t/\hbar }} \cdot {\text{d}}p \cdot {\text{d}}p^{\prime}} } } . $$
Das Integral \( \int\limits_{ - \infty }^{\infty } {\frac{1}{{2 \cdot\uppi \cdot \hbar }} \cdot {\text{e}}^{{{\text{i}}\, \cdot \,\left( {p^{\prime} - p} \right)\, \cdot \,x/\hbar }} \cdot {\text{d}}x} \) geht nach der Substitution \( \frac{x}{\hbar } = z \), d. h. \( \frac{{{\text{d}}z}}{{{\text{d}}x}} = \frac{1}{\hbar } \) bzw. \( {\text{d}}x = \hbar \cdot {\text{d}}z \), über in die Delta-Distribution \( \int\limits_{ - \infty }^{\infty } {\frac{1}{{2 \cdot\uppi \cdot \hbar }} \cdot {\text{e}}^{{{\text{i}}\, \cdot \,\left( {p^{\prime} - p} \right)\, \cdot \,x/\hbar }} \cdot {\text{d}}x} = \int\limits_{ - \infty }^{\infty } {\frac{1}{{2 \cdot\uppi}} \cdot {\text{e}}^{{{\text{i}}\, \cdot \,\left( {p^{\prime} - p} \right)\, \cdot \,z}} \cdot {\text{d}}z = \delta \left( {p^{\prime} - p} \right)} \). Damit erhalten wir
$$ I3 = \int\limits_{ - \infty }^{\infty } {\int\limits_{ - \infty }^{\infty } {\delta \left( {p^{\prime} - p} \right)} } \cdot \phi^{ * } \left( p \right) \cdot \phi \left( {p^{\prime}} \right) \cdot {\text{e}}^{{{\text{i}}\, \cdot \,\left( {E\left( p \right)\, - \,E\left( {p^{\prime}} \right)\,} \right)\, \cdot \,t/\hbar }} \cdot {\text{d}}p \cdot {\text{d}}p^{\prime}, $$
$$ I3 = \int\limits_{ - \infty }^{\infty } {\phi^{ * } \left( p \right) \cdot \phi \left( p \right) \cdot {\text{e}}^{{{\text{i}}\, \cdot \,\left( {E\left( p \right)\, - \,E\left( p \right)\,} \right)\, \cdot \,t/\hbar }} \cdot {\text{d}}p} = \int\limits_{ - \infty }^{\infty } {\phi^{ * } \left( p \right) \cdot \phi \left( p \right) \cdot 1 \cdot {\text{d}}p} = 1. $$
Anhang 4.2 Herleitung der Schrödinger-Gleichung in Impulsdarstellung
Wir
verwenden
für die Beschreibung der Bewegung eines Quantenobjekts in x-Richtung die Schrödinger-Gleichung in Ortsdarstellung (4.48), formen formal um und integrieren über x:
$$ {\text{i}} \cdot \hbar \cdot \frac{\partial }{\partial t}\psi \left( {x{,}\,t} \right) = \left( { - \frac{{\hbar^{2} }}{2 \cdot m}\Delta + V\left( {x{,}\,t} \right)} \right)\,\psi \left( {x{,}\,t} \right)\quad \quad \left| {\, \cdot \frac{{{\text{e}}^{{ - \,{\text{i}}\, \cdot \,p\, \cdot \,x/\hbar }} }}{{\sqrt {2 \cdot\uppi \cdot \hbar } }}} \right.\quad \left| {\,\int\limits_{ - \infty }^{\infty } {{\text{d}}x} } \right., $$
$$ {\text{i}} \cdot \hbar \cdot \int\limits_{ - \infty }^{\infty } {\frac{1}{{\sqrt {2 \cdot\uppi \cdot \hbar } }} \cdot \frac{{\partial \psi \left( {x{,}\,t} \right)}}{\partial t} \cdot {\text{e}}^{{ - \,{\text{i}}\, \cdot \,p\, \cdot \,x/\hbar }} \cdot {\text{d}}x} = $$
$$ - \frac{{\hbar^{2} }}{2 \cdot m} \cdot \frac{1}{{\sqrt {2 \cdot\uppi \cdot \hbar } }} \cdot \int\limits_{ - \infty }^{\infty } {\frac{{\partial^{2} \psi \left( {x{,}\,t} \right)}}{{\partial x^{2} }} \cdot {\text{e}}^{{ - \,{\text{i}}\, \cdot \,p\, \cdot \,x/\hbar }} \cdot {\text{d}}x} + \frac{1}{{\sqrt {2 \cdot\uppi \cdot \hbar } }} \cdot \int\limits_{ - \infty }^{\infty } {V\left( {x{,}\,t} \right) \cdot \psi \left( {x{,}\,t} \right) \cdot {\text{e}}^{{ - \,{\text{i}}\, \cdot \,p\, \cdot \,x/\hbar }} \cdot {\text{d}}x} . $$
(4.193)
Das Integral auf der linken Seite kann nach (4.40) mit der Ableitung der Funktion \( \phi \left( {p{,}\,t} \right) \) nach der Zeit dargestellt werden:
$$ I1 = {\text{i}} \cdot \hbar \cdot \int\limits_{ - \infty }^{\infty } {\frac{1}{{\sqrt {2 \cdot\uppi \cdot \hbar } }} \cdot \frac{{\partial \psi \left( {x{,}\,t} \right)}}{\partial t} \cdot {\text{e}}^{{ - \,{\text{i}}\, \cdot \,p\, \cdot \,x/\hbar }} \cdot {\text{d}}x} = {\text{i}} \cdot \hbar \cdot \frac{{\partial \phi \left( {p{,}\,t} \right)}}{\partial t} = {\text{i}} \cdot \hbar \cdot \dot{\phi }\left( {p{,}\,t} \right). $$
Das erste Integral auf der rechten Seite in (4.193) formen wir durch zweimalige partielle Integration um. Dabei berücksichtigen wir, dass die Wellenfunktion und ihre Ableitungen für \( x \to \pm \infty \) „genügend schnell“ verschwinden, sodass der ausintegrierte Summand an diesen Grenzen jeweils null ergibt:
$$ I2 = - \frac{{\hbar^{2} }}{2 \cdot m} \cdot \frac{1}{{\sqrt {2 \cdot\uppi \cdot \hbar } }} \cdot \int\limits_{ - \infty }^{\infty } {\frac{{\partial^{2} \psi \left( {x{,}\,t} \right)}}{{\partial x^{2} }} \cdot {\text{e}}^{{ - \,{\text{i}}\, \cdot \,p\, \cdot \,x/\hbar }} \cdot {\text{d}}x} , $$
$$ I2 = - \frac{{\hbar^{2} }}{2 \cdot m} \cdot \frac{1}{{\sqrt {2 \cdot\uppi \cdot \hbar } }} \cdot \left( {\left. {\frac{{\partial \psi \left( {x{,}\,t} \right)}}{\partial x} \cdot {\text{e}}^{{ - \,{\text{i}}\, \cdot \,p\, \cdot \,x/\hbar }} } \right|_{ - \infty }^{\infty } - \int\limits_{ - \infty }^{\infty } {\frac{{\partial \psi \left( {x{,}\,t} \right)}}{\partial x} \cdot \left( {\frac{{ - \,{\text{i}} \cdot p}}{\hbar }} \right) \cdot {\text{e}}^{{ - \,{\text{i}}\, \cdot \,p\, \cdot \,x/\hbar }} \cdot {\text{d}}x} } \right), $$
$$ I2 = - \frac{{\hbar^{2} }}{2 \cdot m} \cdot \frac{1}{{\sqrt {2 \cdot\uppi \cdot \hbar } }} \cdot \frac{{{\text{i}} \cdot p}}{\hbar } \cdot \int\limits_{ - \infty }^{\infty } {\frac{{\partial \psi \left( {x{,}\,t} \right)}}{\partial x} \cdot {\text{e}}^{{ - \,{\text{i}}\, \cdot \,p\, \cdot \,x/\hbar }} \cdot {\text{d}}x} , $$
$$ I2 = - \frac{{\hbar^{2} }}{2 \cdot m} \cdot \frac{1}{{\sqrt {2 \cdot\uppi \cdot \hbar } }} \cdot \frac{{{\text{i}} \cdot p}}{\hbar } \cdot \left( {\left. {\psi \left( {x{,}\,t} \right) \cdot {\text{e}}^{{ - \,{\text{i}}\, \cdot \,p\, \cdot \,x/\hbar }} } \right|_{ - \infty }^{\infty } - \int\limits_{ - \infty }^{\infty } {\psi \left( {x{,}\,t} \right) \cdot \left( { - \frac{{{\text{i}} \cdot p}}{\hbar }} \right) \cdot {\text{e}}^{{ - \,{\text{i}}\, \cdot \,p\, \cdot \,x/\hbar }} \cdot {\text{d}}x} } \right), $$
$$ I2 = \frac{{\hbar^{2} }}{2 \cdot m} \cdot \frac{1}{{\sqrt {2 \cdot\uppi \cdot \hbar } }} \cdot \frac{{p^{2} }}{{\hbar^{2} }} \cdot \int\limits_{ - \infty }^{\infty } {\psi \left( {x{,}\,t} \right) \cdot {\text{e}}^{{ - \,{\text{i}}\, \cdot \,p\, \cdot \,x/\hbar }} \cdot {\text{d}}x} , $$
$$ I2 = \frac{{p^{2} }}{2 \cdot m} \cdot \phi \left( {p{,}\,t} \right). $$
Im letzten Schritt wurde (4.40) verwendet.
Im zweiten Integral auf der rechten Seite in (4.193) nehmen wir für \( V\left( {x{,}\,t} \right) \) eine Entwicklung in eine Potenzreihe vor, indem wir \( V\left( {x{,}\,t} \right) = \sum\limits_{n = 0}^{\infty } {V_{n} \left( t \right) \cdot x^{n} } \) verwenden:
$$ I3 = \frac{1}{{\sqrt {2 \cdot\uppi \cdot \hbar } }} \cdot \int\limits_{ - \infty }^{\infty } {\sum\limits_{n = 0}^{\infty } {\left( {V_{n} \left( t \right) \cdot x^{n} } \right)} \cdot \psi \left( {x{,}\,t} \right) \cdot {\text{e}}^{{ - \,{\text{i}}\, \cdot \,p\, \cdot \,x/\hbar }} \cdot {\text{d}}x} , $$
$$ I3 = \frac{1}{{\sqrt {2 \cdot\uppi \cdot \hbar } }} \cdot \sum\limits_{n = 0}^{\infty } {V_{n} \left( t \right)} \cdot \int\limits_{ - \infty }^{\infty } {x^{n} \cdot \psi \left( {x{,}\,t} \right) \cdot {\text{e}}^{{ - \,{\text{i}}\, \cdot \,p\, \cdot \,x/\hbar }} \cdot {\text{d}}x} . $$
Durch einen Trick können wir das Integral umformen. Dazu betrachten wir folgende Nebenrechnung:
$$ \frac{\partial }{\partial p}{\text{e}}^{{ - \,{\text{i}}\, \cdot \,p\, \cdot \,x/\hbar }} = \left( { - \frac{\text{i}}{\hbar }} \right) \cdot x \cdot {\text{e}}^{{ - \,{\text{i}}\, \cdot \,p\, \cdot \,x/\hbar }} , $$
$$ \frac{{\partial^{n} }}{{\partial p^{n} }}{\text{e}}^{{ - \,{\text{i}}\, \cdot \,p\, \cdot \,x/\hbar }} = \left( { - \frac{\text{i}}{\hbar }} \right)^{n} \cdot x^{n} \cdot {\text{e}}^{{ - \,{\text{i}}\, \cdot \,p\, \cdot \,x/\hbar }} , $$
$$ x^{n} \cdot {\text{e}}^{{ - \,{\text{i}}\, \cdot \,p\, \cdot \,x/\hbar }} = \left( { - \frac{\hbar }{\text{i}}} \right)^{n} \cdot \frac{{\partial^{n} }}{{\partial p^{n} }}{\text{e}}^{{ - \,{\text{i}}\, \cdot \,p\, \cdot \,x/\hbar }} = \left( { - \frac{\hbar }{\text{i}}\frac{\partial }{\partial p}} \right)^{n} \cdot {\text{e}}^{{ - \,{\text{i}}\, \cdot \,p\, \cdot \,x/\hbar }}. $$
Wir verwenden das Ergebnis der Nebenrechnung und (4.40) für die Berechnung von I3:
$$ I3 = \frac{1}{{\sqrt {2 \cdot\uppi \cdot \hbar } }} \cdot \sum\limits_{n = 0}^{\infty } {V_{n} \left( t \right) \cdot } \left( { - \frac{\hbar }{\text{i}}\frac{\partial }{\partial p}} \right)^{n} \cdot \int\limits_{ - \infty }^{\infty } {\psi \left( {x{,}\,t} \right) \cdot {\text{e}}^{{ - \,{\text{i}}\, \cdot \,p\, \cdot \,x/\hbar }} \cdot {\text{d}}x} , $$
$$ I3 = \sum\limits_{n = 0}^{\infty } {V_{n} \left( t \right) \cdot } \left( { - \frac{\hbar }{\text{i}}\frac{\partial }{\partial p}} \right)^{n} \cdot \phi \left( {p{,}\,t} \right) = :V\left( { - \frac{\hbar }{\text{i}}\frac{\partial }{\partial p}{,}\,t} \right) \cdot \phi \left( {p{,}\,t} \right). $$
Durch Einsetzen der Ergebnisse in (4.193) ergibt sich:
$$ {\text{i}} \cdot \hbar \cdot \dot{\phi }\left( {p{,}\,t} \right) = \frac{{p^{2} }}{2 \cdot m} \cdot \phi \left( {p{,}\,t} \right) + V\left( { - \frac{\hbar }{\text{i}}\frac{\partial }{\partial p}{,}\,t} \right) \cdot \phi \left( {p{,}\,t} \right), $$
$$ {\text{i}} \cdot \hbar \cdot \dot{\phi }\left( {p{,}\,t} \right) = \left( {\frac{{p^{2} }}{2 \cdot m} + V\left( { - \frac{\hbar }{\text{i}}\frac{\partial }{\partial p}{,}\,t} \right)} \right) \cdot \phi \left( {p{,}\,t} \right) = \hat{H}\,\phi \left( {p{,}\,t} \right). $$
Wir haben die Schrödinger-Gleichung in Impulsdarstellung erhalten, die durch Verallgemeinerung auf eine Bewegung in \( \overrightarrow {p} \)-Richtung in (4.50) übergeht.
Anhang 4.3 Abschätzung einer Taylorreihe
Wir schätzen in diesem Anhang die Taylorreihe
(4.159) für sehr große Summationsindizes j ab:
$$ h\left( \xi \right) = a_{0} + a_{1} \cdot \xi + a_{2} \cdot \xi^{2} + a_{3} \cdot \xi^{3} + a_{4} \cdot \xi^{4} + \ldots = \sum\limits_{j = 0}^{\infty } {a_{j} \cdot \xi^{j} } . $$
Zunächst betrachten wir die Rekursionsformel (4.161) der Koeffizienten für sehr große Summationsindizes j:
$$ a_{j + 2} = \frac{{2 \cdot j + 1 - \mathcal{E}}}{{\left( {j + 2} \right) \cdot \left( {j + 1} \right)}} \cdot a_{j} = \frac{{2 \cdot j + 1 - \mathcal{E}}}{{j^{2} + 3 \cdot j + 2}} \cdot a_{j} , $$
$$ a_{j + 2} = \frac{{2 + {1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 j}} \right. \kern-0pt} j} - {\mathcal{E} \mathord{\left/ {\vphantom {\mathcal{E} j}} \right. \kern-0pt} j}}}{{j + 3 + {2 \mathord{\left/ {\vphantom {2 j}} \right. \kern-0pt} j}}} \cdot a_{j} \to \frac{2}{j + 3} \cdot a_{j} \to \frac{2}{j} \cdot a_{j} . $$
(4.194)
$$ {\textbf{Behauptung:}}{\text{ F}}{\mathop {\text{u}}\limits^{{..}}}{\text{r}}\,a_{j} \,\,{\text{gilt die N}}{\mathop {\text{a}}\limits^{{..}}}{\text{herungsl}}{\mathop {\text{o}}\limits^{{..}}}{\text{sung}}\,a_{j} \approx \frac{C}{{\left( {\frac{j}{2}} \right)!}}. $$
(4.195)
In der letztgenannten Gleichung stellt C eine Konstante dar und bei \( \left( {\frac{j}{2}} \right)! \) handelt es sich um eine Verallgemeinerung der Beziehung (5.19) für die
Fakultät
, die auf die
Gamma-Funktion
führt (es scheint typisch zu sein, dass bei der Bearbeitung einer Aufgabe ein neues Problem auftaucht). Die Gamma-Funktion bettet sich in ein umfangreiches Spezialgebiet der Analysis ein, das an Hochschulen meist nur in Vertiefungskursen thematisiert wird. Wir kommen mit folgenden Beziehungen aus dieser Thematik aus:
$$ x! = \Gamma \left( {x + 1} \right)\,\text{und}\,\Gamma \left( 1 \right) = 1\,\text{mit}\,x \in {\mathbb{C}}\backslash \left\{ {0,\; - 1,\; - 2,\; \ldots } \right\}, $$
(4.196)
$$ \Gamma \left( {\frac{1}{2} + n} \right) = \frac{{\sqrt\uppi }}{{4^{n} }} \cdot \frac{{\left( {2 \cdot n} \right)!}}{n!}\,\,{\text{mit}}\,\,n \in {\mathbf{\mathbb{N}}}. $$
(4.197)
Damit gelten z. B.:
$$ \left( {\frac{1}{2}} \right)! = \Gamma \left( {\frac{1}{2} + 1} \right) = \frac{{\sqrt\uppi }}{{4^{1} }} \cdot \frac{{\left( {2 \cdot 1} \right)!}}{1!} = \frac{{\sqrt\uppi }}{2}, $$
$$ \left( {\frac{3}{2}} \right)! = \Gamma \left( {\frac{3}{2} + 1} \right) = \Gamma \left( {\frac{1}{2} + 2} \right) = \frac{{\sqrt\uppi }}{{4^{2} }} \cdot \frac{{\left( {2 \cdot 2} \right)!}}{2!} = \frac{{3 \cdot \sqrt\uppi }}{4}, $$
$$ \left( {\frac{5}{2}} \right)! = \Gamma \left( {\frac{5}{2} + 1} \right) = \Gamma \left( {\frac{1}{2} + 3} \right) = \frac{{\sqrt\uppi }}{{4^{3} }} \cdot \frac{{\left( {2 \cdot 3} \right)!}}{3!} = \frac{{15 \cdot \sqrt\uppi }}{8}. $$
Begründung der Behauptung: Wir überzeugen uns, dass sich aus (4.195) die Beziehung (4.194) ergibt:
$$ a_{j + 2} \approx \frac{C}{{\left( {\frac{j + 2}{2}} \right)!}} = \frac{C}{{\left( {\frac{j}{2} + 1} \right)!}} = \frac{C}{{\left( {\frac{j}{2}} \right)!\,\, \cdot \left( {\frac{j}{2} + 1} \right)}} = a_{j} \cdot \frac{1}{{\left( {\frac{j}{2} + 1} \right)}} \approx a_{j} \cdot \frac{1}{{\frac{j}{2}}} = \frac{2}{j} \cdot a_{j} . $$
Mit (4.195) erhalten wir für die Funktion \( h\left( \xi \right) \):
$$ h\left( \xi \right) = \sum\limits_{j = 0}^{\infty } {a_{j} \cdot \xi^{j} } = C \cdot \sum\limits_{j = 0}^{\infty } {\frac{{\xi^{j} }}{{\left( {\frac{j}{2}} \right)!}}} = C \cdot \left( {\frac{{\xi^{0} }}{0!} + \frac{{\xi^{1} }}{{\left( {\frac{1}{2}} \right)!}} + \frac{{\xi^{2} }}{1!} + \frac{{\xi^{3} }}{{\left( {\frac{3}{2}} \right)!}} + \frac{{\xi^{4} }}{2!} + \frac{{\xi^{5} }}{{\left( {\frac{5}{2}} \right)!}} + \frac{{\xi^{6} }}{3!} + \ldots } \right), $$
$$ h\left( \xi \right) > C \cdot \left( {1 + \frac{{\xi^{2} }}{1!} + \frac{{\xi^{4} }}{2!} + \frac{{\xi^{6} }}{3!} + \ldots } \right) = C \cdot \left( {1 + \frac{{\xi^{2} }}{1!} + \frac{{\left( {\xi^{2} } \right)^{2} }}{2!} + \frac{{\left( {\xi^{2} } \right)^{3} }}{3!} + \ldots } \right) = C \cdot {\text{e}}^{{\xi^{2} }} . $$
(4.198)
Im letzten Umformungsschritt wurde die Potenzreihe für \( {\text{e}}^{z} \) mit \( z = \xi^{2} \) verwendet. Mit (4.157) ergibt sich:
$$ \varphi \left( \xi \right) = h\left( \xi \right) \cdot {\text{e}}^{{ - \,\frac{{\xi^{2} }}{2}}} > C \cdot {\text{e}}^{{\xi^{2} }} \cdot {\text{e}}^{{ - \,\frac{{\xi^{2} }}{2}}} = C \cdot {\text{e}}^{{\frac{{\xi^{2} }}{2}}} . $$
Für \( \xi \to \infty \) divergiert \( \varphi \left( \xi \right) \). Wegen \( \xi : = \sqrt {\frac{m \, \cdot \, \omega }{\hbar }} \cdot x \) divergieren bei diesem Grenzübergang auch x und \( \varphi \left( x \right) \). Deshalb kann die Funktion \( \varphi \left( x \right) \) nicht normiert werden.
Die Gamma-Funktion ist ein besonders „schillerndes“ mathematisches Objekt, für das eine Integral-, Grenzwert- und Funktionaldarstellung existiert und das Bezüge zur Beta-Funktion besitzt. Die Erkundung der Eigenschaften der Gamma-Funktion erfolgte insbesondere durch Daniel Bernoulli
, Leonhard Euler
und Carl Friedrich Gauß
. An „mathematischer Feinkost“ interessierten Lesern empfehle ich eine Recherche zu den Stichworten „Gamma-Funktion“ und „Beta-Funktion“. Dabei wünsche ich viel Vergnügen bei der Beschäftigung mit beziehungsreicher Mathematik.