ハイゼンベルクの不確定性原理
📂フーリエ解析ハイゼンベルクの不確定性原理
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fとそのフーリエ変換 f^の間には特別な関係がある。ある定数Ωに対してf^(ω)=0 for ∣ω∣≥Ωが成立する場合、fも同じ性質を持つことは不可能である。つまり、fとf^が同時に狭い場所に集中することはできないということであり、数学的にはfとf^が同時に狭い有限なサポートを持つことはできないということであり、統計学的にはfとf^の分散が同時に小さいことはできないということである。
この事実は、次のようなフーリエ変換の性質から見ることができる。
F[f(δx)](ξ)=δ1f^(δξ),δ>0
上記の式で、δが大きくなるとは、fが原点に近づいて圧縮されるという意味であり、同時にf^は広がっていることがわかる。δが小さくなると、反対の現象が起こる。
定理を紹介する前に、新しい記法を一つ紹介しよう。関数fのaでの拡散dispersionを次のように定義しよう。
Δaf:=∫∣f(x)∣2dx∫(x−a)2∣f(x)∣2dx
これはfの値がaの周りでどれだけ広がっているかを意味する。Δafの値が大きいとは、aの近くでfが大きな値をほとんど取らないということであり、逆にΔafの値が小さいとは、aの近くでfが大きな値をたくさん取るということである。したがって、fとf^が同時に狭い区間に集中することはできないというのは、すべてのa,α∈Rに対してΔafとΔαf^の値が同時に小さいことには限界があるということと同じである。
一言で言えば、fの値がはっきりするほど、f^の値が不確実になるという意味であり、逆もまた真である。統計学に慣れている人は、Δafを平均がaで確率密度関数が∣f(x)∣2の確率変数の分散と理解すればよい。
上記の内容は、次の定理で表される。
定理
f′が区分的に連続であり、f(x),xf(x),f′(x)∈L2が成り立つ場合、次の不等式が成立する。
(Δaf)(Δαf^)≥41,∀a,α∈R
証明
a=α=0
まずa=α=0の場合について考えよう。部分積分により、次の式を得る。
∫ABxf(x)f′(x)dx=x∣f(x)∣2AB−∫AB(∣f(x)∣2+xf(x)f′(x))dx
これを整理すると次のようになる。
∫AB∣f(x)∣2dx=x∣f(x)∣2AB−∫ABxf(x)f′(x)dx−∫ABxf(x)f′(x)dx=x∣f(x)∣2AB−2Re∫ABxf(x)f′(x)dx
ここでxf(x)∈L2と仮定したのでx→±∞limxf2(x)≤x→±∞limx2f2(x)=0が成立する。したがって、上記の式でB→∞,A→−∞の極限を取ると次のようになる。
∫−∞∞∣f(x)∣2dx=−2Re∫−∞∞xf(x)f′(x)dx
すると、コーシー-シュワルツの不等式により次の式が成立する。
∫−∞∞∣f(x)∣2dx⟹(∫−∞∞∣f(x)∣2dx)2≤2Re(∫−∞∞x2∣f(x)∣2dx)21(∫−∞∞∣f′(x)∣2dx)21≤4(∫−∞∞x2∣f(x)∣2dx)(∫−∞∞∣f′(x)∣2dx)
そして、プランシュレルの定理により∥f^∥2=2π∥f∥2が真であり、導関数のフーリエ変換はF[f′](ξ)=iξFf(ξ)であるので、次が成立する。
∫−∞∞∣f′(x)∣2dx=2π1∫−∞∞∣F[f′](ξ)∣2dξ=2π1∫−∞∞ξ2∣f^(ξ)∣2dξ
これを(eq1)に代入すると次のようになる。
(∫−∞∞∣f(x)∣2dx)2≤4(∫−∞∞x2∣f(x)∣2dx)2π1∫−∞∞ξ2∣f^(ξ)∣2dξ
さらに、プランシュレルの定理を積分形で表すと∫∣f(x)∣2dx=2π1∫∣f^(ξ)∣2dξであるので、この式の左辺に代入して次を得る。
(∫−∞∞∣f(x)∣2dx)(∫−∞∞∣f^(ξ)∣2dξ)≤4(∫−∞∞x2∣f(x)∣2dx)(∫−∞∞ξ2∣f^(ξ)∣2dξ)
したがって、次の結果を得る。
41≤(∫−∞∞∣f(x)∣2dx)(∫−∞∞x2∣f(x)∣2dx)(∫−∞∞∣f^(ξ)∣2dξ)(∫−∞∞ξ2∣f^(ξ)∣2dξ)=(Δ0f)(Δ0f^)
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一般化
F(x)=e−iαxf(x+a)としよう。すると、次の式が成立する。
Δ0F=∫∣F(x)∣2dx∫x2∣F(x)∣2dx=∫∣f(x+a)∣2dx∫x2∣f(x+a)∣2dx=∫∣f(x)∣2dx∫(x−a)2∣f(x)∣2dx=Δaf(change of variable x+a=x)
今、F^を求めると次のようになる。
F^(ξ)=∫F(x)e−iξxdx=∫f(x+a)e−i(α+ξ)xdx=∫f(x)e−i(α+ξ)xei(α+ξ)adx=ei(α+ξ)a∫f(x)e−i(α+ξ)xdx=ei(α+ξ)af^(α+ξ)(change of variable x+a=x)
今、Δ0F^を求めると次のようになる。
Δ0F^=∫∣F^(ξ)∣2dξ∫ξ2∣F^(ξ)∣2dξ=∫∣f^(α+ξ)∣2dξ∫ξ2∣f^(α+ξ)∣2dξ=∫∣f^(ξ)∣2dξ∫(ξ−α)2∣f^(ξ)∣2dξ=Δαf^(change of variable ξ+a=ξ)
したがって、a=α=0の場合の結果を使うと、次の式を得る。
41≤(Δ0F)(ΔαF^)=(Δaf)(Δαf^)
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参照