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Asymptotische Methoden in der Wellenmechanik

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Academic year: 2022

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Asymptotische Methoden in der Wellenmechanik

Carsten Henkel Wintersemester 2018/19

Ubungsblatt 3¨ Abgabe: 28. November 2018

Aufgabe 3.1– Zur Euler-Konstante (10 Punkte)

Die Euler-Konstante ist definiert als der Grenzwert (log ist der nat¨urliche Loga- rithmus)

= lim

N!1

(

logN +

XN n=1

1 n

)

⇡0.5772. . . (3.1) Zeigen Sie, dass man auch ¨uber die Asymptotik der folgenden Integrale finden kann

= lim

x&0

8<

:logx+

Z1 x

dt t e t

9=

; (3.2)

=

Z1 0

dt t

1

1 +t e t (3.3)

Aufg. 6.5 aus C. M. Bender & S. A. Orszag, “Advanced mathematical methods for scientists and engineers” (McGraw-Hill 1978).

Aufgabe 3.2– G¨ultigkeit der gleichm¨aßig asymptotischen N¨aherung (8 Punkte) Untersuchen Sie die Pr¨azision der asymptotischen N¨aherung f¨ur die Bessel- Funktionen, die in der Vorlesung vorgestellt wurde.

1. Sch¨atzen Sie den Term ab, der in der Differentialgleichung f¨ur die Koordinaten-Transformationx7!y(x)vernachl¨assigt wurde.

2. Vergleichen Sie die gleichm¨aßige N¨aherung mit dem asymptotischen Ver- halten der Bessel-Funktionen am Ursprung und im Unendlichen. Unter- suchen Sie, f¨ur welche Drehimpulsquantenzahlen n die f¨uhrenden Terme

¨ubereinstimmen. Was kann man ¨uber die n¨achsth¨oheren Ordnungen sagen?

Aufgabe 3.3– Nichtlineare Schr¨odingergleichung (II) (8 Punkte)

Die nichtlineare Schr¨odingergleichung aus Aufgabe 2.3 untersuchen wir hier f¨ur ein lineares Potential. Wir betrachten also die Verallgemeinerung von Langer’s Analyse auf ein wechselwirkendes Quantengas. Die Aufgabe bezieht sich auf die Arbeiten

7

(2)

“Asymptotic formula for the condensate wave function of a trapped Bose gas” von Dionisios Margetis [Phys. Rev. A61 (2000) 055601] und

“Excitations at the border of a condensate” von Abdoulaye Diallo und Carsten Hen- kel [J. Phys. B48 (2015) 165302; arXiv:1504.03164].

In geeigneten Einheiten lautet die Gleichung f¨ur die kollektive Wellenfunktion des Systems

d2

dx2 x +| (x)|2 = 0 (3.4)

wobei wir o.B.d.A. annehmen, dass (x) reell und positiv ist. (i) Machen Sie eine Skizze des Potentials.

(ii) Das asymptotische Verhalten wird durch die Formeln

x! 1: (x)⇠p

2 Ai( x) (3.5)

x!+1: (x)⇠p

x

1 c1

x3 c2

x3 +O(xn) (3.6) beschrieben. (Die Relation “⇠” bedeutet: “asymptotisch gleich”.) Tragen Sie dieses Verhalten in Ihre Skizze ein. Warum ist der Vorfaktor in Gl.(3.5) nicht beliebig?

Die Koeffizienten in der Reihe (3.6) wurden von Margetis berechnet:

c1 = 1

8, c2 = 73

128, c3 = 10 657 1024 , c4 = 13 912 277

32 768 , c5 = 8 045 883 943

262 144 , c6 = 14 518 450 612 315 4 194 304 , . . .

(3.7)

(iii) ¨Uberlegen Sie, ob Sie daraus feststellen k¨onnen, ob die Reihe eine konvergente oder eine asymptotische ist.

(iv) Wenn man sich f¨ur kollektive Anregungen des Quantengases interessiert, muss man die folgenden gekoppelten Gleichungen (benannt nach Bogoliubov und de Gennes) l¨osen:

d2f

dx2 +h3| (x)|2 xif =!g d2g

dx2 +h| (x)|2 xig =!f (3.8) wobei ! 0 die Anregungsfrequenz ist. Skizzieren Sie die Potentiale, die auf der linken Seite auftreten und geben Sie die n¨achsten Koeffizienten der asymptotischen Reihe

x 1 : | (x)|2 x⇠ 1

4x2 +. . . (3.9)

an.

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