Исследование решений краевых задач для квазипотенциального уравнения с использованием оператора сдвига Текст научной статьи по специальности «Математика»

Математическое моделирование

УДК 519.624.3

Исследование решений краевых задач для квазипотенциального уравнения с использованием

оператора сдвига

И. В. Амирханов, Д. З. Музафаров, Н. Р. Саркар, И. Сархадов, З. А. Шарипов

Лаборатория информационных технологий Объединённый институт ядерных исследований ул. Жолио-Кюри д.6, Дубна, Московская область, 141980, Россия

Квазипотенциальные уравнения широко применяются для релятивистского описания системы двух частиц, например, кварка и антикварка. В работе, используя оператор сдвига, исследованы решения краевых задач для квазипотенциального уравнения с ку-лоновским потенциалом при различных значениях параметра е. Установлено, что при £ ^ 0 имеется решение, которое стремится к решению уравнения Шрёдингера. Кроме того, обнаружены так называемые погранслойные решения и переход одного типа решения в другой. Исследования проведены при использовании системы символьных вычислений MAPLE.

Ключевые слова: квазипотенциальное уравнение, краевая задача, оператор сдвига, символьные вычисления.

1. Введение

Одной из актуальных задач теории элементарных частиц является построение модели для единообразного описания спектра и форм-факторов взаимодействия лёгких и тяжёлых мезонов, так называемых кваркониев, рассматриваемых как связанные состояния кварка и антикварка. Тяжёлые кварконии в некотором приближении успешно описываются нерелятивистской квантовой механикой — решение уравнения Шрёдингера на собственные значения [1]. При описании лёгких мезонов возникает необходимость учёта релятивистских эффектов.

Квазипотенциальные уравнения [2] широко применяются для релятивистского описания системы двух частиц, например, кварка и антикварка. В данной работе, так же как и в предыдущих наших работах [3-12], мы рассматриваем квазипотенциальное уравнение [2,13]. В частном случае для 5- волны, оно имеет вид

[Ее - Не - V(г)] ф(г) = 0,

(1)

где

Ef = -7;

л/lTeV - 1

2 Ч2

у/1+ £2 q2 + 1'

Hf =

ch (ге ¿)-1

£ — безразмерный параметр, V(г) =--— кулоновский потенциал взаимодействия. В уравнении (1), разлагая оператор еЬ ^ге^^ в ряд, можно получить дифференциальное уравнение бесконечного порядка [14]. При е ^ 0, Ее ^ о2, Не ^

а2

— , т.е. уравнение (1) переходит в нерелятивистское уравнение Шрёдингера

d2

- V(г) + q2

ф(г) = 0.

£

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ, 10-01-00467-а.

Задача Коши для таких систем дифференциальных уравнений была рассмотрена работах [15,16]. Краевые задачи для сингулярно возмущённых уравнений являются предметом изучения широкого круга работ [17,18].

Обозначим Е£ = —а2 — собственное значение, где а2 > 0. Тогда уравнение (1) будет иметь вид:

2 71

—а2 — Н£ + ^ -ф(г) = 0. (3)

2. Постановка задачи

В предыдущих наших работах [3-12] исследовались краевые задачи для дифференциального уравнения высокого порядка. В данной работе, используя оператор сдвига

ехр^±1е^ /(г) = / (г ± ъе), (4)

уравнение (3) исследуем со следующими граничными условиями:

ф(0) = 0, ф(г ^ ») = 0,

^'(0) = 1, Ф'(г ^ ») = 0, ()

В дальнейшем решение задачи (3)-(5) будем сравнивать с решением уравнения Шрёдингера, поэтому ниже приведём необходимые сведения о решении уравнения Шрёдингера (дискретный спектр) при I = 0.

Собственные значения имеют вид

72

Еп = q2 = —а2п = — ^, " = 0,1, 2, 3,...

Вводя обозначение у = Zr, приведём конкретные выражения нескольких решений с различными узлами.

Фо (у) = г 32уе-у, ГФ\(У) = 237 У (1 — 2у) е~1,

, / % ^3 2 2 2 2\ _у

ф2(У) = 23373у I1 — 2у + 27у2) е~*,

, / N ^3 1 Л 3 1 2 1 3\ _У Фз(У) = г2 4у ^ — 4у + 1 у2 — —у3) е 4,

, ^ ГУ3 2 Л 4 4 2 4 3 2 4\ _у Му) = 22 57!У I1 — 3У + 25 У — 375 У3 + 9375 П *.

3. Алгоритм решения

Решение с п узлами ищем в виде

(1+£аггг)

Фп(г) = г 1 + ^ ехр(-кг), п = 0,1, 2,..., % = 1, 2, 3,... ,п (6)

где к,а\,аз,... ,а,г — неизвестные постоянные. Подставляя это выражение в уравнение (3), используя оператор сдвига и приравнивая слагаемые при одинаковых степенях г, получаем уравнения для нахождения параметра к

Z£

нт(ек)--- = 0, п = 0,1, 2,... (7)

4 ' п+1 4 7

2

для нахождения а2

2

а2 + ^(ео8(е&) - 1) = 0, (8)

и систему п уравнений для нахождения а>1,1 = 1, 2, 3,... ,п. При п = 0 — это безузловое решение, п =1 — решение с одним узлом, п = 2 — решение с двумя узлами и т. д. Приведём для фиксированных значений п решения щ, % = 1, 2, 3,... ,п этих уравнений.

При п = 0, а,г = 0, % = 1,2, 3,... ,п.

г 1

При п = 1, а1 =

2 008(£Й) '

-П- о -18^ 008(£Й) 2^ „ „_ 2. ,, „2 2

При п = 2, а1 =-=:—-—-, а2 = -=—, где Б2 = 27ео82(ек) - 22е2.

^ 0 1 г(11£2^2 - 144) 2^2 1

При п = 3, = —-тгтр;-, а2 = "ТТ", = -/ пп , где

12 оог(ек)и3 и3 12 оо8(£^)Д3

Б3 = 16 ео82(ей) - г2е2.

^ л 500 г оог(ек)(г2£2 - 15) 10 г2(7Z2е2 - 150)

При п = 4, за1 = 1---, а2 = -У-т-,

аз = -^^0гМ, й4 = 2&, где ^ = п24£4 - 25022£2 + 3125еов4(ек). 3 и 4 3 и 4

Таким образом, алгоритм нахождения собственных функций и собственных значений краевой задачи (3)-(5) сводится к следующему:

1. Для заданных значений е и п ищем действительные и положительные (для удовлетворения граничному условию при г ^ то необходимо, чтобы к > 0) решения уравнения (7).

2. Из уравнения (8) находим собственные значения.

3. Подставляя найденные значения параметров к и а^, % = 1,2,3,... ,п, находим ненормированное решение (6), которое удовлетворит граничному условию ф' (0) = 1.

4. Далее изучим свойства нормированных решений. Для этого умножим функ-

цию на константу Ап, которая находится из условия А. При этом граничное условие ф'п(0) = 1 переходит в ф'п(0) = Ап.

Л

! Ф1<1г = ^

Анализ действительных и положительных решений уравнения (7) проводим

Ие

графически (рис. 1). Для этого водим обозначения х = ек, ¡3 = и перепишем

уравнение (7) в виде

вт(ж) - Р = 0. (9)

1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0

1 I П \ / I П \

л/2 тА /271 571/2 ЗП\

Рис. 1. График функции 8т(ж) и ¡3

Решениями трансцендентного уравнения (9) являются точки пересечений горизонтальных линий для различных значений /3 (0 < /3 < 1) графиком функции

8ш(ж). Для любого фиксированного значения е в интервале 0 < е <

п + 1

сУществует бесконечное число положительных решений к уравнения (7), когда х находится в следующих подынтервалах:

2тк < х < (2т + к, - подынтервал I,

(2т + ■к < х < (2т + 1)^, —подынтервал II, где т = 0,1, 2,... (10)

Мы специально разбили интервал на два подынтервала, так как решения в этих подынтервалах сильно отличаются друг от друга, что легче демонстрировать для решений с различными узлами. Действительно, решения уравнения (7) в этих подынтервалах можно представить в виде

Кт1 = 1 (2тк + агсзт () , Кт11 = 1 ((2т +Х)ж — штат (

где т = 0,1, 2,...

С учётом особенности решений в этих подынтервалах и используя уравнения (7) и (8), находим собственные значения Еп

Еп = - а2 = -

2Z 2

(п +1)2

1^1 -

г £

(п + 1)2

в подынтервале I и

Еп = - а2 = —о

1

1 + А 1 —

г е

(п +1)2

в подынтервале II.

Так как функция со8(е£;) > 0 в подынтервале I и со8(е£;) <0 в подынтервале II, то, с учётом уравнения (7), выражения для а^, % =1, 2, 3,..., п, перепишем в следующем виде:

1

£

Для п = 1 а1 = ±^

1 -

4

где знак '+' принимает значение в подынтервале I, ' —' — в подынтервале II.

18^л/1 - ЩЦ- 272

Для п = 2 о: = ^-^-—, а2 = 2—, где В2 = 27 - V,

знак ' —' принимает значение в подынтервале I, а '+' — в подынтервале II. Для п = 3

1 ^(11^2е2 - 144) 2г2 1

а\ = -, -, а2 = -рт—, аз = ±

12 ди /г-^-' °3' 12 ^/т^

где ^з = 2(8 — Z2е2), знак '+' принимает значение в подынтервале I, а '—' — в подынтервале II. Для п = 4

_ ^500 у/1-(г2е2 - 15) _ 10 г2 (7г2е2 - 150)

а1 = ±_3 Ж , а2 =— У Ж ,

100 V 1 - - 2

аз = ±"3--^-, а4 = 3 ж,

где Б4 = 16^4е4 — 500^2е2 + 3125, знак '+' принимает значение в подынтервале I, ' —' — в подынтервале II.

Таким образом, мы получили точные аналитические решения поставленной задачи для п = 0,1, 2,3,4. Теперь обсудим основные свойства полученных решений.

A) При е ^ 0 в подынтервале I при т = 0 ^0 < х < все решения с различными узлами (п = 0,1, 2, 3,4) и собственные значения полностью переходят в решение уравнения Шрёдингера, а при т = 0,1, 2, 3,... собственные значения и точка пересечения узлов с осью так же стремятся к решению уравнения Шрёдингера, однако параметр Кт растёт при увеличении т. Поэтому все эти решения становятся погранслойными (т.е. при больших Кт, е-Кт быстро затухает).

Б) При е ^ 0 в подынтервале II при всех т = 0,1, 2,... собственные значения стремятся к бесконечности, собственные функции являются безузловыми и погранслойными.

B) Для каждого типа решения с различными значениями п параметр е меня-

„ п +1 ,

ется в интервале 0 < е < —^— (только при этих значениях е уравнение (7) имеет

действительные и положительные решения). При этом при определённых фиксированных значениях e^, % = 1, 2, 3,4 параметры щ, % = 1,2,3,... меняют свои знаки. В тех случаях, когда одновременно все параметры меняют свои знаки (это происходит при тех значениях е когда = 0, j = 1, 2, 3,4), только в этом случае меняется количество узлов (т.е. меняется тип решения).

Для п = 0 решения в обоих подынтервалах являются безузловыми и при

е ^ эти решения (собственные значения и собственные функции) практически совпадают.

2

Для п =1 решение в подынтервале I является одноузловым, и при е ^ —

узел решения стремится к нулю, а в подынтервале II является безузловым.

гг о 3^3

Для п = 2 изменение типа решения происходит при значении £1 = «

2.598076212. В интервале 0 < е < £1 решение в подынтервале I является двухуз-

3

ловым, а при £1 < е < — становится одноузловым. В интервале 0 < £ < £1,

1

решение в подынтервале II является безузловым и становится одноузловым при

£х < е < —. При £ ^ — решения в обоих подынтервалах (собственные значения

и собственные функции) практически совпадают.

Для п = 3 изменение типа решения происходит при значении = 2\[2 и 2.828427124. В интервале 0 < £ < £2 решение в подынтервале I является трёхуз-

ловым, а при е2 < £ < становится двухузловым. Следует отметить, что при 4

£ ^ один узел решения стремится к нулю (см. рис. 3Ь). В интервале 0 < £ < £2

решение в подынтервале II является безузловым, а при £2 < £ < становится одноузловым.

Для п = 4 изменение типа решения в обоих подынтервалах происходит два раза, один раз при £3 = -

\ 10 - \/2о и

2.938926261, а второй раз при £4 =

-\ 10 + ^20 и 4.755282582. В интервале 0 < £ < £3 в подынтервале I решение является четырёхузловым, а при £3 < £ < £4 становится трёхузловым. В интервале 0 < £ < £3 в подынтервале II решение является безузловым и становится одно-

узловым при £3 < £ < £4. Далее при £4 < £ < — в подынтервале I трёхузловое решение становится двухузловым, а в подынтервале II одноузловое решение становится двухузловым. При £ ^ — решения в обоих подынтервалах (собственные значения и собственные функции) практически совпадают.

На рис. 2, 3 приведены некоторые свойства решений для п = 3 (трёхузловое решение).

0.01 0.02 Ь

0.03

0.04

Рис. 2. Решения при е ^ 0: a — в подынтервале I (трёхузловое решение), Ь — в подынтервале II (безузловое и погранслойное решение)

4. Заключение

В работе, используя оператор сдвига exp ^±г£^ /(г) = /(г ± ге), исследованы решения краевых задач для квазипотенциального уравнения с кулоновским потенциалом при различных значениях параметра е. Разработан алгоритм нахождения аналитического решения поставленной задачи для любого количества узлов (п = 0,1,2,...). В явном виде приведены собственные значения и собственные функции для п = 0,1, 2,3,4. Исследована зависимость этих решений от параметра £ (рис. 4). Исследования проведены с использованием системы символьных вычислений MAPLE.

Рис. 3. Решения при е ^ 4: a — в подынтервале I (двухузловое решение), Ь — узел решения a, который стремится к нулю; е — в подынтервале II

(одноузловое решение)

Рис. 4. Зависимость собственных значений Еп от параметра е: а — при

п = 0,1 и Ь — при п = 2, 3,4

Литература

1. Быков А. А., Дремин И. М, Леонидов А. В. // УФН. — 1984. — Т. 143. — С. 332. [Bihkov A. A., Dremin I. M, Leonidov A. V. // UFN. — 1984. — T. 143. — S. 3-32. ]

2. Kadyshevsky V. G., Mir-Kasimov R. M, Skachkov N. B. // Nuovo. Cimento. A. — 1968. — Vol. 55. — Pp. 233-257.

3. Amirkhanov I. V., Zhidkov E. P., Konnova S. V. Computer Physics Communications the Factorization Method and Particular Solutions of the Relativistic Schredinger Equation of nth Order (n = 4, 6). — 2000. — Vol. 126. — Pp. 12-15.

4. Амирханов И. В., Жидков Е. П., Коннова С. В. Исследование решения краевой задачи для сингулярно-возмущенного уравнения Шредингера // Сообщение ОИЯИ, P11-2000-154. — Дубна, 2000. — 10 с. [Amirkhanov I. V., Zhidkov E. P., Konnova S. V. Issledovanie resheniya kraevoyj zadachi dlya singulyarno-vozmuthennogo uravneniya Shredingera // Soobthenie OIYal, P11-2000-154. — Dubna, 2000. — 10 s. ]

5. Асимптотическая аппроксимация решений и собственных значений краевой задачи для сингулярно-возмущенного релятивистского аналога уравнения Шредингера / И. В. Амирханов, С. А. Васильев, Е. П. Жидков, И. Е. Жидкова // Дифф. Урав. — 2000. — Т. 37, № 1. — С. 83-90. [Asimptoticheskaya approksimaciya resheniyj i sobstvennihkh znacheniyj kraevoyj zadachi dlya singulyarno-vozmuthennogo relyativistskogo analoga uravneniya Shredingera / I. V. Amirkhanov, S. A. Vasiljev, E. P. Zhidkov, I. E. Zhidkova // Diff. Urav. —

2000. — T. 37, No 1. — S. 83-90. ]

6. Асимптотика собственных функций и собственных значений краевой задачи для сингулярно возмущенного релятивистского аналога уравнения Шре-дингера при произвольном потенциале / И. В. Амирханов, С. А. Васильев, E. П. Жидков, И. E. Жидкова // Математическое моделирование. — 200З. — Т. 15, № 9. — С. З-1б. [Asimptotika sobstvennihkh funkciyj i sobstvennihkh znacheniyj kraevoyj zadachi dlya singulyarno vozmuthennogo relyativistskogo analoga uravneniya Shredingera pri proizvoljnom potenciale / I. V. Amirkhanov, S. A. Vasiljev, E. P. Zhidkov, I. E. Zhidkova // Matematicheskoe modelirovanie. — 2003. — T. 15, No 9. — S. З-1б. ]

7. Исследование краевых задач для уравнения высокого порядка с малым параметром при старших производных / И. В. Амирханов, E. П. Жидков,

H. Р. Саркар, И. Сархадов // Сообщение ОИЯИ P11-2004-147. — Дубна, 2004. — 22 с. [Issledovanie kraevihkh zadach dlya uravneniya vihsokogo poryadka s malihm parametrom pri starshikh proizvodnihkh / I. V. Amirkhanov, E. P. Zhidkov, N. R. Sarkar, I. Sarkhadov // Soobthenie OIYaI P11-2004-147. — Dubna, 2004. — 22 s. ]

В. Исследование краевых задач для сингулярно-возмущенного дифференциального уравнения высокого порядка / И. В. Амирханов, E. П. Жидков, Д. З. Музафаров и др. // Математическое моделирование. —

2007. — Т. 19, № 11. — С. б5-79. [Issledovanie kraevihkh zadach dlya singulyarno-vozmuthennogo differencialjnogo uravneniya vihsokogo poryadka /

I. V. Amirkhanov, E. P. Zhidkov, D. Z. Muzafarov и др. // Matematicheskoe modelirovanie. — 2007. — T. 19, No 11. — S. б5-79. ]

9. Решение краевых задач для сингулярно-возмущенного дифференциального уравнения высокого порядка / И. В. Амирханов, Д. З. Музафаров, H. Р. Саркар и др. // Сообщение ОИЯИ P11-2007-148. — Дубна, 2007. — 1б с. [Reshenie kraevihkh zadach dlya singulyarno-vozmuthennogo differencialjnogo uravneniya vihsokogo poryadka / I. V. Amirkhanov, D. Z. Muzafarov, N. R. Sarkar и др. // Soobthenie OIYaI P11-2007-148. — Dubna, 2007. — 16 s.]

10. Исследование решений краевых задач для сингулярно-возмущенного дифференциального уравнения высокого порядка в поле кулоновского потенциала / И. В. Амирханов, Д. З. Музафаров, H. Р. Саркар и др. —

2008. [Issledovanie resheniyj kraevihkh zadach dlya singulyarno-vozmuthennogo differencialjnogo uravneniya vihsokogo poryadka v pole kulonovskogo potenciala / I. V. Amirkhanov, D. Z. Muzafarov, N. R. Sarkar и др. — 2008. ]

11. Исследование решений краевых задач для дифференциального уравнения высокого порядка в поле кулоновского потенциала / И. В. Амирханов, Д. З. Музафаров, H. Р. Саркар и др. // Препринт ОИЯИ P 11-2009-150. —

2009. [Issledovanie resheniyj kraevihkh zadach dlya differencialjnogo uravneniya vihsokogo poryadka v pole kulonovskogo potenciala / I. V. Amirkhanov, D. Z. Muzafarov, N. R. Sarkar и др. // Preprint OIYaI P 11-2009-150. — 2009. ]

12. Исследование решений краевых задач для дифференциального уравнения высокого порядка в поле кулоновского потенциала / И. В. Амирханов, Д. З. Музафаров, H. Р. Саркар и др. // Вестник РУД^ сер. «Математика. Информатика. Физика». — 2010. — № 3, вып. 2. — С. 16-20. [Issledovanie resheniyj kraevihkh zadach dlya differencialjnogo uravneniya vihsokogo poryadka v pole kulonovskogo potenciala / I. V. Amirkhanov, D. Z. Muzafarov, N. R. Sarkar и др. // Vestnik RUDN, ser. «Matematika. Informatika. Fizika». — 2010. — No 3, вып. 2. — S. 1620. ]

13. Кадышевский В. Г., Мир-Касымов Р. М., Скачков Н. Б. Трехмерная формулировка релятивистской проблемы двух тел // ЭЧАЯ. — 1972. — Т. 2, № 3. — С. 637. [Kadihshevskiyj V. G., Mir-Kasihmov R. M., Skachkov N. B. Trekhmernaya formulirovka relyativistskoyj problemih dvukh tel // EhChAYa. — 1972. — T. 2, No 3. — С. 637. ]

14. Жидков Е. П., Кадышевский В. Г., Катышев Ю. В. К вопросу о предельном переходе в релятивистском предельном переходе // ТМФ. — 1970. — Т. 3, № 2. — С. 191-196. \Zhidkov Е. Р., Kadihshevskiyj V. С, Katгhshev Уч. V. К торгуй о ргеёеУпош регекЬоёе V ге1уа1т818кош ргеёеЦпот регекЬоёе // ТМР. — 1970. — Т. 3, Мо 2. — Б. 191-196. ]

15. Тихонов А. Н. О зависимости решений дифференциальных уравнений от малого параметра // Матем. Сбор. — 1948. — Т. 22 (64), № 2. — С. 193-204. [Tikhonov А. N. О zavisimosti гевЬеп1у] ёЩегепааЦтИкЬ uravneniyj о! та^о рагате^а // Ма!ет. БЬог. — 1948. — Т. 22 (64), Мо 2. — Б. 193-204. ]

16. Тихонов А. Н. О системах дифференциальных уравнений, содержащих параметры // Матем. Сбор. — 1950. — Т. 27(69), № 1. — С. 147-156. [Tikhonov А. N. О sistemakh ёЩегепааЦтЬкЬ uravneniyj, 8оёегеЬа!ЫкИ рагате^Ш // Ма!ет. БЬог. — 1950. — Т. 27(69), Мо 1. — Б. 147-156. ]

17. Вишик М. И., Люстерник Л. А. Регулярное вырождение и пограничный слой для линейных дифференциальных уравнений с малым параметром // УМН. — 1957. — Т. 12, вып. 5 (77). — С. 3-122. [Vishik М. I., Lyusternik Ь. А. Б^и^атое vihrozhdenie i pogranichnihyj в1оу] ё1уа НпеурШкИ ёЩегепааЦпШкЬ uravneniyj 8 таНЬт рагате^от // ИММ. — 1957. — Т. 12, вып. 5 (77). — Б. 3-122. ]

18. Васильева А. Б., Бутузов В. Ф. Асимптотические методы в теории сингулярных возмущений. — М.: Высшая школа, 1990. [Vasiljeva А. В., Bчtчzov V. Б. Л8тр!оМсЬе8Ие metodih v !еот 8ingu1yarnihkh vozmutheniyj. — М.: Vih88haya 8Ько1а, 1990. ]

UDC 519.624.3

Investigation of Solutions of Boundary Problems for the Quasipotential Equation Using the Shift Operator I. V. Amirkhanov, D. Z. Muzafarov, N. R. Sarker, I. Sarhadov,

Z. A. Sharipov

Laboratory of Information Technologies Joint Institute for Nuclear Research Joliot-Curie 6, 141980 Dubna, Moscow region, Russia

The quasipotential equations are widely applied to the relativistic description of a system of two particles, for example, a quark and an antiquark. In the work, the solutions of boundary problems for the quasipotential equation with the Coulomb potential at various values of parameter e are investigated with use of the shift operator. It is established that at e ^ 0 there is a solution which aspires to the Schrodinger equation solution. Besides, the so-called frontier layer solutions and transition of one type of the solution into another are found out. Investigations are carried out using the system of symbolical evaluations MAPLE.

Key words and phrases: quasipotential equation, boundary problem, shift operator, symbolic computing.