Question:
Algèbre linéaire pour la physique quantique
kamal
2012-10-06 03:17:13 UTC
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Il y a une semaine, j'ai demandé aux utilisateurs de ce site les connaissances mathématiques nécessaires pour comprendre la physique quantique, et la plupart d'entre vous ont mentionné l'algèbre linéaire. J'ai donc décidé de mener une auto-étude de l'algèbre linéaire. Bien sûr, je suis juste 1 semaine, mais j'ai quelques questions.

  1. Comment cela va-t-il s'appliquer à la physique quantique? J'ai appris sur les matrices (addition, soustraction, multiplication et inversion) et sur la façon de résoudre plusieurs équations avec 3 inconnues en utilisant des matrices, et maintenant je commence à en apprendre davantage sur les vecteurs. Je suis juste dans 1 semaine, donc ce n'est probablement même pas la pointe de l'iceberg, mais je veux savoir comment cela va m'aider.

  2. Aussi, disons que je maîtrise l'algèbre linéaire en général en six mois (je suis au lycée mais je suis extrêmement rapide avec les mathématiques), quels autres «types» de devrais-je m'auto-étudier avant de pouvoir comprendre mathématiquement la physique quantique rudimentaire?

Le livre de Shankar sur les «Principes de la mécanique quantique» serait un bon début, au moins il donne une très bonne base mathématique.
Notre professeur nous a recommandé de lire «L'algèbre linéaire bien faite» de Sheldon Axler, mais j'ai trouvé cela très difficile à comprendre, y a-t-il d'autres livres faciles?
Sept réponses:
Sampo Smolander
2012-10-06 07:26:38 UTC
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La mécanique quantique "vit" dans un espace de Hilbert, et l'espace de Hilbert est "juste" un espace vectoriel de dimension infinie, de sorte que les vecteurs sont en fait des fonctions. Alors les mathématiques de la mécanique quantique sont à peu près «juste» des opérateurs linéaires dans l'espace de Hilbert.

 Mécanique quantique Algèbre linéaire ----------------- --- ----------- fonction d'onde vecteur opérateur linéaire matriceeigenstates vecteurs propres système physique Hilbert spacephysical observable matrice hermitienne 
Les espaces de Hilbert n'ont pas besoin d'être de dimension infinie.Chaque espace produit interne complexe et de dimension finie est un espace de Hilbert.
Alex Nelson
2012-10-06 08:29:44 UTC
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Eh bien, apprenez l'algèbre linéaire. Un texte avancé (sur l'algèbre linéaire sur des systèmes de nombres à «champ») est ces notes de cours [html] d'UC Davis.

Une fois que vous avez terminé, vous devriez étudier les équations différentielles . Ou si vous voulez sauter plus loin, peut-être une analyse de Fourier. Une référence gratuite serait mes notes [pdf]. Il est légèrement orienté vers la physique, mais relie les idées à l'algèbre linéaire.

La mécanique quantique, quand on la résume, est une analyse de Fourier. (Au lieu du "domaine fréquentiel", vous avez un "espace momentum", etc.)

Benji Remez
2012-10-06 06:12:59 UTC
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Eh bien, si vous voulez obtenir des informations quantitatives sur la gestion de la qualité, vous devrez également utiliser des calculs - principalement des équations différentielles, et si vous insistez vraiment, l'analyse de Fourier aussi. J'ai appris le calcul de base décent au lycée, donc vous connaissez peut-être déjà certaines bases.

jcohen79
2012-10-06 05:09:39 UTC
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Je suggère d'obtenir une copie usagée de Zetteli. Le chapitre 2 est un aperçu des outils mathématiques de QM, et le tout début du chapitre 3 sont les postulats de QM.

Cela vous montrera directement les mathématiques dont vous avez besoin, et vous pouvez consulter d'autres livres pour plus des explications détaillées sur les parties qui vous posent problème.

Les matrices et les vecteurs sont importants car ils correspondent très bien aux mathématiques de QM, et forment donc le langage de base dans lequel la QM est exprimée. En continuant à étudier l'algèbre linéaire, vous en apprendrez davantage sur les vecteurs propres et les valeurs propres. Celles-ci sont utilisées pour décrire le processus de mesure, qui est essentiel à la gestion de la qualité.

ClassicStyle
2014-02-22 11:11:39 UTC
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La première étape importante serait le calcul. Vraiment juste se familiariser avec l'intégration et la différenciation sur tous les types de fonctions. À partir de là, un peu de connaissances sur les équations différentielles peut aller très loin. En sachant cela, vous pouvez résoudre certains problèmes de base. "Early Transcendentals" de Thomas est un bon livre de calcul. Ensuite, il y a quelques bons livres de physique mathématique qui couvrent de nombreux sujets différents, de l'algèbre linéaire à l'analyse complexe. Je n'aime pas particulièrement ce livre mais je l'utilise, "Mathematical Methods in the Physical Sciences" de Mary Boas.

Arnold Neumaier
2012-10-07 17:45:53 UTC
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Les matrices symétriques carrées (ou plutôt hermitiennes complexes) représentent les observables d'un système de mécanique quantique. Leurs valeurs propres représentent les valeurs observées possibles dans des expériences idéales. Il existe une base de valeurs propres orthonormées, qui vous permet d'écrire n'importe quel vecteur d'état comme une combinaison linéaire (superposition) de vecteurs de base. Les valeurs absolues au carré des produits internes définissent les probabilités. Ensuite, il faut des fonctions de matrices, en particulier la matrice exponentielle, qui donne la dynamique d'un système, et une solution explicite de l'équation de Schroedinger dans le cas d'un système à n niveaux.

Il faut donc apprenez suffisamment pour pouvoir avoir une bonne compréhension de ces concepts: matrice, transposée, transposée conjuguée, combinaison linéaire, base, valeur propre, vecteur propre, produit interne, série de puissance matricielle, matrice exponentielle. Wikipedia propose de bons articles de synthèse sur chacun de ces sujets, pour vous aider à donner un aperçu. Vous pouvez sauter d'autres choses et y revenir au cas où vous en auriez besoin.

En analyse, vous avez besoin de systèmes d'équations différentielles linéaires à coefficients constants (ceux-ci sont liés à l'exponentielle de la matrice) et de la transformée de Fourier . Ce dernier implique une intégration en 3 dimensions, mais encore une fois, vous pouvez sauter beaucoup de choses et revenir aux choses sautées une fois que vous en avez besoin.

Ensuite, vous pouvez consulter divers textes de mécanique quantique ou notes de cours, par exemple mon livre en ligne http://lanl.arxiv.org/abs/0810.1019 - le premier chapitre devrait être compréhensible même avec peu de connaissances préalables, si vous pouvez accepter provisoirement des concepts sans une compréhension complète . Ma FAQ http://www.mat.univie.ac.at/~neum/physfaq/physics-faq.html pourrait également être utile. En lisant ces derniers et en notant où vous perdez le fil, vous pouvez découvrir les autres concepts dont vous avez besoin pour donner un sens à votre lecture. Cela vous dira ce que vous devez encore apprendre. En fin de compte, presque toute l'algèbre linéaire et l'analyse sont utiles en mécanique quantique, mais quoi et quand dépend de ce qui vous intéresse.

En outre, des variables complexes et des calculs avec des variables complexes.
@PeterR: À un moment donné, oui.Mais l'OP avait posé la question de «pouvoir comprendre mathématiquement la physique quantique rudimentaire» et à ce stade, une analyse complexe n'est pas encore nécessaire.
Anonymous
2018-05-23 07:27:29 UTC
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Il y a un joli livre destiné aux lycéens doués, écrit par Thomas Jordan de l'Université du Minnesota, Duluth.Appelé Mécanique quantique sous forme de matrice simple, il s'agit d'une brève introduction aux nombres complexes, aux opérateurs linéaires et à la gestion de la qualité.Je crois que l'auteur l'a utilisé pour enseigner une école d'été pour les élèves du secondaire et un cours universitaire en QM pour les majors d'arts libéraux;ce n'est pas un mauvais point de départ pour quelqu'un au niveau de l'OP (lycée).



Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 3.0 sous laquelle il est distribué.
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