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2乗に比例する関数はどうだったかな? 基本は1年生のときの比例と変わらないよね? おさえておくべきことは、 関数の基本形 y=ax² グラフ の3つ。 基礎をしっかり復習しておこう。 そんじゃねー そら 数学が大好きなシステムエンジニア。よろしくね! もう1本読んでみる
ここで懲りずに、さらにEを大きくするとどうなるのでしょうか。先ほど説明したように、波動関数が負の値を取る領域では、波動関数は下に凸を描きます。したがって、 Eをさらに大きくしてグラフのカーブをさらに鋭くしていくと、今度は波形一つ分の振動をへて、井戸の両端がつながります 。しかしそれ以上カーブがきつくなると、波動関数は正の値を取り、また井戸の両端はつながらなくなります。 一番目の解からさらにエネルギーを大きくしていった場合に, 次に見つかる物理的に意味のある解. 二乗に比例する関数 ジェットコースター. 同様の議論が続きます。波動関数が正の値をとると上にグラフは上に凸な曲線を描きます。したがって、Eが大きくなって、さらに曲線のカーブがきつくなると、あるとき井戸の両端がつながり、物理的に許される波動関数の解が見つかります。 二番目の解からさらにエネルギーを大きくしていった場合に, 次に見つかる物理的に意味のある解. 以上の結果を下の図にまとめました。下の図は、ある決まったエネルギーのときにのみ、対応する波動関数が存在することを意味しています。ちなみに、一番低いエネルギーとそれに対応する波動関数には 1 という添え字をつけ、その次に高いエネルギーとそれに対応する波動関数には 2 のような添え字をつけるのが慣習になっています。これらの添え字は量子数とよばれます。 ところで、このような単純で非現実的な系のシュレディンガー方程式を解いて、何がわかるんですか? 今回、シュレディンガー方程式を定性的に解いたことで、量子力学において重要な結果が2つ導かれました。1つ目は、粒子のエネルギーは、どんな値でも許されるわけではなく、とびとびの特定の値しか許されないということです。つまり、 量子力学の世界では、エネルギーは離散的 ということが導かれました。2つ目は粒子の エネルギーが上がるにつれて、対応する波動関数の節が増える ということです。順に詳しくお話ししましょう。 粒子のエネルギーがとびとびであることは何が不思議なんですか? ニュートン力学ではエネルギーが連続 であったことと対照的だからです。例えばニュートン力学の運動エネルギーは、1/2 mv 2 で表され、速度の違いによってどんな運動エネルギーも取れました。また、位置エネルギーを見ると V = mgh であるため、粒子を持ち上げればそれに正比例してポテンシャルエネルギーが上がりました。しかし、この例で見たように、量子力学では、粒子のエネルギーは連続的には変化できないのです。 古典力学と量子力学でのエネルギーの違い ではなぜ量子力学ではエネルギーがとびとびになってしまったのですか?
粒子が x 軸上のある領域にしか存在できず、その領域内ではポテンシャルエネルギーがゼロであるような系です。その領域の外側では、無限大のポテンシャルエネルギーが課せられると仮定して、壁の外へは粒子が侵入できないものとします。ポテンシャルエネルギーを x 軸に対してプロットすると、ポテンシャルエネルギーが深い壁をつくっており、井戸のように見えます。 井戸型ポテンシャルの系のポテンシャルを表すグラフ (上図オレンジ) と実際の系のイメージ図 (下図). この系のシュレディンガー方程式はどのような形をしていますか? 二乗に比例する関数 変化の割合. 井戸の中ではポテンシャルエネルギーがゼロだと仮定しており、今は一次元 (x 軸)しか考えていないため、井戸の中におけるシュレディンガー方程式は以下のようになります。 記事冒頭の式から変わっている点について、注釈を加えます。今は x 軸の一次元しか考えていないため、波動関数 の変数 (括弧の中身) は r =(x, y, z) ではなく x だけになります。さらに、変数が x だけになったため、微分は偏微分 でなくて、常微分 となります (偏微分は変数が2つ以上あるときに考えるものです)。 なお、粒子は井戸の中ではポテンシャルエネルギーがゼロだと仮定しているため、ここでは粒子のエネルギーはもっぱら運動エネルギーを表しています。運動エネルギーの符号は正なので、E > 0 です。ただし、具体的なエネルギー E の大きさは、今はまだわかりません。これから計算して求めるのです。 で、このシュレディンガー方程式は何を意味しているのですか? 上のシュレディンガー方程式は次のように読むことができます。 ある関数 Ψ を 2 階微分する (と 同時におまじないの係数をかける) と、その関数 Ψ の形そのものは変わらずに、係数 E が飛び出てきた。その関数 Ψ と E はなーんだ? つまり、「シュレディンガー方程式を解く」とは、上記の関係を満たす関数 Ψ と係数 E の 2 つを求める問題だと言えます。 ではその問題はどのように解けるのですか? 上の微分方程式を見たときに、数学が得意な人なら「2 階微分して関数の形が変わらないのだから、三角関数か指数関数か」と予想できます。実際に、三角関数や複素指数関数を仮定することで、この微分方程式は解けます。しかしこの記事では、そのような量子力学の参考書に載っているような解き方はせずに、式の性質から量子力学の原理を読み解くことに努めます。具体的には、 シュレディンガー方程式の左辺が関数の曲率 を表していることを利用して、半定性的に波動関数の形を予想する事に徹します。 「左辺が関数の曲率」ってどういうことですか?
5, \beta=-1. 5$、学習率をイテレーション回数$t$の逆数に比例させ、さらにその地点での$E(\alpha, \beta)$の逆数もかけたものを使ってみました。この学習率と初期値の決め方について試行錯誤するしかないようなのですが、何か良い探し方をご存知の方がいれば教えてもらえると嬉しいです。ちょっと間違えるとあっという間に点が枠外に飛んで行って戻ってこなくなります(笑) 勾配を決める誤差関数が乱数に依存しているので毎回変化していることが見て取れます。回帰直線も最初は相当暴れていますが、だんだん大人しくなって収束していく様がわかると思います。 コードは こちら 。 正直、上記のアニメーションの例は収束が良い方のものでして、下記に10000回繰り返した際の$\alpha$と$\beta$の収束具合をグラフにしたものを載せていますが、$\alpha$は真の値1に近づいているのですが、$\beta$は0.