2020년 7월 30일 목요일

동서양 고대 수학(2) - 동양 (구장산술)

옛날 서양(유럽)에서 동양은 유럽의 동쪽으로 이슬람 문화권이나 인도를 의미하는데, 사실상 더 동쪽엔 아시아가 있고 그 중 중국, 한국, 일본이 있다고 할 수 있습니다. 이 3국 중 고대에 가장 발달한 중국의 수학에 대하여 알아 볼까 합니다. 실제로 동양의 수학도 상당한 수준으로 발달되어 있음을 알 수 있습니다. 

중국에서 현존하는 가장 오래된 수학서(혹은 산학서)는 “산수서”라고 합니다. 기원전 202년 ~ 186년 사이에 작성된 것으로 추정되는데, 린드 파피루스가 기원전 1650년경이라고 하니 비교하면 훨씬 후의 수학서라고 볼 수 있습니다. 

“산수서” 다음으로 오래된 중국의 수학서는 “구장산술”이라고 합니다. 263년에 삼국지에 나오는 유휘라는 사람이 쓴 것으로 서문에 따르면 전한의 정창과 경수창이 진나라 때의 유문을 모아서 구장산술의 편집에 관여했다고 합니다. 이 구장산술은 중국의 “유클리드 원론”이라고 불리울만큼 후대에 아시아 지역 수학서로서 자리매김합니다. 물론, 구장산술에 내용을 계속 추가하거나 해설을 더하는 방식으로 말입니다.

<구장산술 구성과 내용 >
구장산술의 내용을 보면 린드 파피루스에 나와 있는 것처럼 실제 사용하는 문제들을 위주로 기술하고 있는 것을 알 수 있습니다. 린드 파피루스보다 훨씬 후대의 수학서라서 그런지 연립 방정식과 피타고라스의 정리가 보이는 것을 알 수 있네요.

1) 방전(方田以御田疇界域, 38문) - 평면도형의 넓이, 분수 계산(약분, 덧/뺄/곱셈, 대소비교, 평균)
1-1  밭이 있는데, 가로가 15보, 세로가 16보이다. 밭의 넓이는 얼마인가?
1-37 환전이 있는데, 가운데 둘레가 92보, 바깥 둘레가 122보, 간격이 5보이면 밭의 넓이는 얼마인가?

2) 속미(粟米以御交質田變易, 46문) - 비례식 (경률-삼수법, 기율)
2-1  겉곡식(속) 1말이 있는데, 궂은쌀(여미)로 바꾸려고 한다.  얼마나 얻겠는가?
2-38 576전으로 대나무78그루를 샀다. 큰 것과 작은 것의 단가를 구하면 각각 얼마인가?

3) 쇠분(衰分以御貴賤稟稅, 20문) - 비례식, 수열 
3-1 대부, 불경, 잠뇨, 상조, 공사가 모두 5인이 함께 사냥하여 사슴 5마리를 잡았는데, 작위의 서열에 따라 분배하려고 한다. 각각의 몫은 얼마인가?
3-20 1000전을 대여하면 이자가 30전이다. 70전을 빌려주고 9일 만에 받으면 이자는 얼마인가?

4) 소광(少廣分以御積冪方圓, 24문) - 분수 계산, 제곱근 (정사각형 넓이, 정육면체 부피, 구의 부피)
4-12 넓이가 55225보인 밭이 있는데, 한 변은 얼마인가?
4-23 부피가 4500자인 구가 있다. 지름은 얼마인가?   

5) 상공(商功以御功程積實, 28문) - 입체도형의 부피
5-2 성의 아래 너비가 4장, 위 너비가 2장, 높이가 5장, 길이가 126장 5 자이다.  부피는 얼마인가?

6) 균수(均輸以御遠近勢費, 28문) - 다양한 비례식
6-9 역참 수송을 하는데, 빈 수레는 하루에 70리, 짐 실은 수레는 하루에 50리를 간다. 태창의 조를 실어서 상림으로 나르는데, 5일에 3번 왕복할 수 있다. 태창과 상림 사이의 거리는 얼마인가?

7) 영부족(盈不足以御隱雜互見, 20문) - 일차방정식 (이중 임시 위치법)
7-1 여럿이 구매하려는데, 8전씩 내면 3전이 남고 7전씩 내면 4전이 모자란다. 사람수와 물건값은?

8) 방정(方程以御錯糅正負, 18문) - 일차연립방정식
8-1 벼 상품 3단, 중품 2단, 하품 1단은 알곡이 39말, 상품 2단, 중품, 3단, 하품 1단은 알곡이 43말이고,  벼 상품 1단, 중품 2단, 하품 3단은 알곡이 26말이다. 상, 중, 하품 1단의 알곡은 각각 얼마인가?

9) 구고(句股以御高深廣遠, 24문) - 피타고라스정리와 그 응용
9-1  밑면이 3자이고 높이가 4자이다. 빗변은 얼마인가?
9-12 문의 높이, 너비, 낚시대의 길이를 모두 모를 때, 낚시대를 누이면 4자가 못나가고, 
세우면 2자가 못되고 비슴듬히 기울이니 꼭 맞다. 각각의 길이는 얼마인가?
9-23 산이 나무의 서쪽에 있는데, 높이를 모른다, 산은 나무로부터 53리 떨어져 있고, 높이가 9장 5자다. 사람이 나무로부터 동쪽으로 3리 떨어진 곳에 서서 바라보니 사람의 눈높이는 7자다. 산의 높이는?

<출처>
상기 내용은 아래 사이트의 일부 내용을 그대로 인용함.

<구장산술과 음수>
구장산술에서는 양수와 음수를 빨간 막대와 검증 막대로 표기하였다고 하였으며 양수와 음수의 셈법 등이 나와 있다고 합니다. 손해를 봤을 때 적자(赤字)라고 표현하는 것은 구장산술에서 양수와 음수의 색깔을 반대로 표기한 것이라고 합니다. 유럽에서도 음수는 디오판토스가 3세기경 방정식을 푸는 과정에서 발견이 되었으며, 15세기 경에 음수 부호를 만들었고 르네상스 시대에 들어서 음수를 이해하려고 노력하였다고 합니다. 지금의 음수 개념이 유럽에서 정립된 것은 19세기라고 합니다. 현대의 음수 개념만큼은 아니지만 동양에서는 유럽보다 훨씬 빨리 음수를 사용했다고 할 수 있겠습니다.

<참고>

음수와 관련된 몇 가지 자료를 링크하겠습니다

 <음수의 역사>

음수를 크기에 해당하는 양

http://news.khan.co.kr/kh_news/khan_art_view.html?art_id=200707311147102

< 음수 X 음수는 양수인가? >

음수끼리의 곱이 왜 양수가 되는지에 대한 설명 블로그입니다

http://cafe.daum.net/TCP62/3rxO/401?q=%EC%9D%8C%EC%88%98%EC%9D%98%20%EC%9D%B4%ED%95%B4












2020년 7월 29일 수요일

동서양 고대 수학(1) - 서양(린드 파피루스)

세계 4대 문명(이집트 문명, 바빌로니아 문명, 인더스 문명, 황화 문명)은 수학이 발달하였습니다. 여기서는 대표적으로 서양과 동양의 수학인 이집트 “린드 파피루스”와 중국의 “구장산술”에 대한 내용을 볼까 합니다. 먼저, 린드 파피루스에 있는 문제들 중 몇 가지를 보기로 하겠습니다.


<린드 파피루스>
린드 파피루스는 고대 이집트의 수학지식을 적어놓은 길이 5.5m 폭 0.33m의 두루마리라고 합니다. 종이가 나오기 전에 서양에서 파피루스라는 것을 사용했다고 합니다. 린드 파피루스는 아메스라는 사람에 의해서 작성되었고, 수학에 관한 내용과 함께 기존에 있던 파피루스를 보고 베낀 것’이라는 내용이 적혀 있다고 합니다. 린드 파피루스는 기원전 1650년 경에 작성된 것으로 추정하고 있으니 그 이전부터 이집트는 수학이 발달되었다는 것을 짐작할 수 있습니다.

<린드 파피루스의 구성>
상형문자로 작성되어 있으며, 87개의 실용적인 문제를 포함하고 있다고 합니다. 린드 파피루스의 첫 번째 부분은 참조 테이블과 21 개의 산술 및 선형방정식을 포함한 20 개의 대수 문제로 구성되어 있다고 합니다. 두 번째는 부피/면적/피라미드와 관련된 문제들이라고 합니다. 그 외 기타 부분이 있다고 합니다.


<린드 파피루스의 내용>
린드 파피루스에 있는 내용 중 몇 가지 흥미로운 문제들을 볼까 합니다. 지금 수학과는 매우 다른 방식이지만 수학의 발달을 따라 가는 것은 사람이 어떻게 생각하는 방식을 넓혀왔는지를 알고 미래에 모르는 문제들을 해결하는 참고로 매우 훌륭한 자료가 되기도 합니다.

<이집트 수학 문제>
① 이집트의 곱셈 :  25 X 7 
  • 1단계) 첫 번째 수인 25에 대해서 2의 거듭제곱 중 25를 넘지 않는 가장 큰 수를 찾는다(16). 
  • 2단계) 25에서 1단계에서 찾은 16을 빼면, 9가 남는데 1단계에서 처럼 9를 넘지 않는 가장 큰 2의 거듭제곱을 찾는다(8). 
  • 3단계) 2의 거듭제곱으로 찾아지지 않아, 종료되고 1이 남는다.
  • 따라서, 25 = 16+8+1로 분해된다.
<참고>

25 X 7 = (16+8+1) X 7=16 X 7 + 8 X 7 + 1 X 7 = 112 + 56 + 7 
16 X 7 부분을 자세히 보기로 합니다.
16 X 7은 (2X2X2X2)X7이므로 7을 2배씩 4번하면 된다는 것을 의미합니다. 위 표를 풀어서 다시 쓰면 아래와 같습니다.
예제의 1단계에서 찾은 16에 대한 설명은 위 표에서 2번째 열과 4번째와 5번째 열로 설명하고 있는 것입니다.

② 원의 넓이 : 지름이 9인 원의 넓이? (단위는 지금과 달라 생략)
아래 출처를 보면, 매우 자세히 설명하고 있습니다.
돌 64내를 이용하여, 정사각형을 만듭니다. 동일한 돌을 이용하여 원을 구합니다. 그러면, 변의 길이가 8인 정사각형은 지름이 9인 원으로 변합니다.
이 원리를 이용하면, 지름이 9인 원의 넓이는 8 X 8 = 64가 됩니다. 물론, 지금에 비하면 정확한 값은 아닙니다. 크세스라는 사람이 찾아다고 하는데, 근사값이지만 구하기 어려운 값을 찾기 위한 아이디어는 놀랍습니다. 이집트에서 곱하기는 8X8로 하지 않았겠죠. 이집트 곱셈방법으로 했습니다. 

<출처>

③ 이집트의 분수
이집트에서는 단위 분수만을 사용했다고 합니다. 단위분수는 분자를 1로 하는 분수를 의미합니다. 예를 들면, 1/2, 1/3 , 1/4 등 입니다. 단위 분수가 아닌 유일한 분수는 2/3만 사용하였다고 합니다. 그렇다면, 다른 분수들은 어떻게 하였을까요? 린드 파피루스에는 분자가 2이고 분자가 5~101 수 중 홀수 인 분수에 대하여 단위 분수의 합으로 표시한 표가 가장 앞부분에 있다고 합니다. 

④ 10명에게 빵 9개를 공평하게 나눠주기
이집트의 분수에서 이야기했듯이 린드 파피루스에서는 9/10에 대하여 단위분수의 합으로 계산된 표가 제시되어 있습니다. 답은 다음과 같아요.
9/10 = 2/3 + 1/5 + 1/30
이 식으로 어떻게 빵을 나눠 준다는 의미일까요?
  • 1단계) 빵 1개를 3등분합니다. 그러니, 총 조각은 27(=9X3)가 되겠죠. 27개 조각 중 20개는 각자에게 2개씩 10명에게 줍니다. 그럼, 남아 있는 조각은 7개입니다. 7개는 빵 1개를 3등분한 조각이니까. 빵 2개와 1/3 조각이 되는 거죠.
  • 2단계) 남아 있는 7개 조각 중 6개 조각은 다시 빵 2개가 됩니다. 남은 빵 2개를 각각 5등분하여 10개 조각을 만들어서 10명에게 1/5 조각 씩 주면 남은 빵은 1/3조각만 남게 됩니다.
  • 3단계) 1/3 조각을 30등분하고 각자 3조각씩 나누면 10명에게 공평하게 나눠 지게 됩니다.
⑤ 삼각비를 이용하여 피라미드의 높이 측정
피라미드의 높이를 측정하기 위하여 아래 그림과 같이 그림자를 한 변으로 하는 피라미드와 막대기에 의한 삼각형의 닮음을 이용하였다.
<출처>

2020년 7월 27일 월요일

(Shankar) 5.4. The Single-Step Potential: A Problem in Scattering (2)


Instead of following the procedure described by shankar, it is described with reference to the Golwala Lecture Note based on Shankar's procedure. The contents of the Golwala Necture Note are separately marked as "Golwala". 
  • This Case is somewhat different from the case of free particles. Therefore, it would be better to see it compared to the procedure in the Free Particle.
  • Golwala's Notation is difficult to match exactly with Shankar's Notation, so I quoted Golwala's Notation as it is and refer to the table compared to Shankar's Notation.
  • The part that describes my personal commentary is marked as "My Commentary", so just for reference.
  • The part that I do not understand personally was marked as "I don’t understand ???".
  • The pictures in Shankar's book are omitted, see Shankar Book

5.4.2. finding the fate of the incident wave packet 

  Shankar’ Book

   Consider the step potential (Fig. 5.3)

\(V\left( x \right)\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{ = 0\;\;\;\;\;\;\;\;x < 0\;\;\;\left( {region\;\;I} \right)}\\{ = {V_0}\;\;\;\;\;x > 0\;\;\;\left( {region\;\;II} \right)}\end{array}} \right.\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\left( {5.4.1} \right)\)

Such an abrupt change in potential is rather unrealistic but mathematically convenient. A more realistic transition is shown by dotted lines in the figure.

Imagine now that a classical particle of energy \(E\) is shot in from the left (region I) toward the step. One expects that if \({\rm{E}} > {V_0}\), the particle would climb the barrier and travel on to region II, while if \({\rm{E}} < {V_0}\) , it would get reflected. We now compare this classical situation with its quantum counterpart.

   First of all, we must consider an initial state that is compatible with quantum principles. We replace the incident particle possessing a well-defined trajectory with a wave packet

Though the detailed wave function will be seen to be irrelevant in the limit we will consider, we start with a Gaussian, which is easy to handle analytically:

ψtx,0=ψtx=π2-1/4eik0(x+a)e-x+a2/22    (5.4.2)

This packet has a mean momentum \({p_0} = \hbar {k_0}\), a mean position \(X =  - a\) (which we take to be far away from the step), with uncertainties

X=2,           P=2

We shall be interested in the case of large \(\Delta \), where the particle has essentially welldefined momentum \(\hbar {k_0}\) and energy \({E_0} \simeq {\hbar ^2}k_0^2/2m\). We first consider the case \({E_0} > {V_0}\).

After a time \(t \simeq a{\left[ {{p_0}/m} \right]^{ - 1}}\), the packet will hit the step and in general break into two packets: \({\psi _R}\), the reflected packet, and \({\psi _T}\), the transmitted packet (Fig. 5.3). The area under \({\left| {{\psi _R}} \right|^2}\) at large \(t\) is the probability of finding the particle in region I in the distant future, that is to say, the probability of reflection. Likewise the area under \({\left| {{\psi _T}} \right|^2}\) at large \(t\) is the probability of transmission. Our problem is to calculate the reflection coefficient


  finding the fate of the incident wave packet, \({\psi _I}\)

   (Step1, Shankar) Solve for the normalized eigenfunction of the step potential Hamiltonian, \({\psi _E}\left( x \right)\) In region I, as \(V = 0\), the (unnormalized) solution is the familiar one:

ψEx=Aeik1x+Be-ik1x,    k1=2mE2

In region II (see Eq. (5.2.2))

ψEx=Ceik2x+De-ik2x,    k2=2mE-V02

Of interest to us are eigenfunctions with \(D = 0\), since we want only a transmitted (right-going) wave in region II, and incident plus reflected waves in region I.


(My commentary) In region II, In Region II, there is no left-going wave, so D=0. Region I has both Incident\(\left( {A{e^{i{k_1}x}}} \right)\) and reflected\(\left( {B{e^{ - i{k_1}x}}} \right)\) waves, so \(A \ne 0\) and \(B \ne 0\).

\(C{e^{i{k_2}x}}\) : transmitted wave

If we now impose the continuity of \({\psi _E}\left( x \right)\) and its derivative at \(x = 0\).

\(A + B = C\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\left( {5.4.7} \right)\)

\(i{k_1}\left( {A - B} \right) = i{k_2}C\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\left( {5.4.8} \right)\)

\(B = \left( {\frac{{{k_1} - {k_2}}}{{{k_1} + {k_2}}}} \right)A = \left( {\frac{{{E^{1/2}} - {{\left( {E - {V_0}} \right)}^{1/2}}}}{{{E^{1/2}} + {{\left( {E - {V_0}} \right)}^{1/2}}}}} \right)A\;\;\;\;\;\;\;\left( {5.4.9} \right)\).

\(C = \left( {\frac{{2{k_1}}}{{{k_1} + {k_2}}}} \right)AA\;\;\;\;\;\;\;\left( {5.4.10} \right)\)

\({\psi _E}\left( x \right) = A\left[ {\left( {{e^{i{k_1}x}} + \frac{B}{A}{e^{ - i{k_1}x}}} \right)\theta \left( { - x} \right) + \frac{C}{A}{e^{i{k_2}x}}\theta \left( x \right)} \right]\;\;\;\;\left( {5.4.11} \right)\)

where

\(\theta \left( x \right) = \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{1\;\;\;\;\;\;if\;x > 0}\\{0\;\;\;\;\;\;if\;x < 0}\end{array}} \right.\)

Since to each \(E\) there is a unique \({k_1} = + {\left( {2mE} \right)^{1/2}}\), we can label the eigenstates by \({k_1}\), instead of \(E\). Eliminating \({k_2}\) in favor of \({k_1}\) , =

\({\psi _E}\left( x \right) = {\psi _{{k_1}}}\left( x \right) = A\left[ {\left( {{e^{i{k_1}x}} + \frac{B}{A}{e^{ - i{k_1}x}}} \right)\theta \left( { - x} \right) + \frac{C}{A}{e^{i\sqrt {k_1^2 - \frac{{2m}}{{{\hbar ^2}}}{V_0}} \;x}}\theta \left( x \right)} \right]\;\;\;\;\;\left( {5.4.12} \right)\)


(Step2, Golwala) propagator \(\left( {U\left( t \right)}\right)\)

- Although not mentioned in the shankar book, it is detailed in the Golwala Lecture Note. Therefore, we summarize the contents of the Golwala Lecture Note.

Ut=0e-iEt|ψEkψEk|+θ(-kV-k)|ψE-kψE-k|dk          Golwalas (5.71)

where |ψEk is the state whose position representation has wavenumber \({k_1} = k\) in region I. By analogy to the free particle case, we integrate over \(k\) instead of \(E\) to count states correctly and have the correct differential in the integral.

Negative \(k\) corresponds to states that are initially left-going (\(A = 0\) and \(c \ne 0\)).

the \(\theta \) function is necessary because there are no such states for \(0 < E < {V_0}\) for \({V_0} > 0\).

(I don’t understand ???)

kV=2m2V0,   k2=2m2E-V0=k2-2m2V0

 (My commentary) Since only right-going is considered, the second term in \(U\left( t \right)\) can be ignored. Therefore, in Region I, the propagator becomes the same as that of the Free Particle.

(Step3, Golwala) Ux,t ;x'=x|Ut|x' Can we do the integral in closed form as we did for the free particle? No!

The |x -basis matrix elements of \(U\left( t \right)\) are given by taking the product with x| on the left and |x on the right, giving

(I don’t understand \(\theta \left( { - {k_V} - k} \right)\). ???)

Can we do the integral in closed form as we did for the free particle? Even for \(x \le 0\) and \(x' \le 0\), where the wavefunctions are free-particle-like, the integral cannot be done in the same way because of the absence of left-going states for \(0 < {E_k} < {V_0}\) For \(x > 0\) or \(x' > 0\) the wavefunctions are either decaying exponentials or have an argument \({k_2}\) that is not related to in the usual simple way, so the integral certainly cannot be done in the same way for them.

(Step4, Shankar) Calculate the initial wave function \({\psi_I}\left( {x,0} \right)\)

First of all, we must consider an initial state that is compatible with quantum principles. We replace the incident particle possessing a well-defined trajectory with a wave packet

Though the detailed wave function will be seen to be irrelevant in the limit we will consider, we start with a Gaussian, which is easy to handle analytically:

ψIx,0=ψIx=π2-1/4eik0(x+a)e-x+a2/22    (5.4.2)

This packet has a mean momentum \({p_0} = \hbar {k_0}\), a mean position X=-a .

(Step5, Shankar) Find the projection  aE=ψE|ψI

(My Commentary) Since \(U\left( {x,t\;;x'} \right)\) cannot be calculated, ψE|ψI  in equation \(\psi \left( {x,t} \right)\) is calculated first.

ak1=ψk1|ψI=ψk1|xx|ψIdx=ψk1*(x)ψI(x,0)dx =-Aeik1x+BAe-ik1xθ-x+CAeik12-2m2V0 xθx*ψI(x,0)dx =-Ae-ik1x+BA*eik1xθ-xψI(x,0)+CA*e-ik12-2m2V0 xθxψI(x,0)dx    (5.4.13)

 The second integral vanishes (to an excellent approximation) since \({\psi _I}\left( x \right)\) is nonvanishing far to the left of \(x = 0\), while \(\theta \left( x \right)\) is nonvanishing only for \(x > 0\).

(My Commentary)

CA*e-ik12-2m2V0 xθxψIx,0=0x<0 :   θx=0x>0 : ψIx=0 ak1=ψk1|ψI=-Ae-ik1x+BA*eik1xθ-xψI(x,0)dx

 the second piece of the first integral also vanishes since \({\psi _I}\) in \(k\) space is peaked around \(k = + {k_0}\) and is orthogonal to (left-going) negative momentum states.(I don’t understand ???. The contents of Golwala's Lecture Note are relatively easy to understand, and are cited in the box below.)

[We can ignore the \(\theta \left( { - x} \right)\) factor in Eq. (5.4.13) since it equals 1 where \({\psi _I}\left( x \right) \ne 0\).]

\(\theta \left( { - x} \right) = 1\) and \({\psi _I}\left( x \right) \ne 0\) for \(x < 0\)

ak1=ψk1|ψI=A-e-ik1xψI(x,0)dx=2/π1/4e-k1-k022/2eik1a ,   A=1/2π

Is just the Fourier transform of \({\psi _I}\)

[Golwala’s Lecture Note]

The two terms are calculating the Fourier transform at \(k\) of \({\psi _I}\left( {x,0} \right)\) for positive and negative \(k\), respectively.

We know from our discussion of Gaussian wave packets for the free particle that the Fourier transform of our initial state is

k|ψ0=k|ψ0dx=k|xx|ψ(0)dx=k|xψxx,0dx=12πe-ikxψxx,0dx
 By shankar’s (1.10.31) and (1.10.32), x|k= ψkx=12πeikx
=12πe-ikx12πσx21/4eik0(x+a)e-x+a24σx2dx=12πσk21/4e-k-k024σk2eika

where we have made the simple change of variables to \(k = p/\hbar \) to match up with the way we index the states here with \(k\).

Since \(\frac{{{\sigma _k}}}{{{k_0}}} = \frac{{{\sigma _p}}}{{{p_0}}} \ll 1\), it holds that the Gaussian essentially vanishes for \(k < 0\).

(My Commentary : \({k_0} > 0\) and \({\sigma _k}\) is very small, so there is little effect of \(k < 0\) in gaussian distribution.

Therefore,

ψEk|ψ(0)2πA12πσk21/4e-k-k024σk2eika

(My Commentary : I don't know exactly, but if \(A = 1/\sqrt {2\pi } \), it seems that \(\sqrt {2\pi } \) exists to make ψEk|ψ(0)=k|ψ0 . \(A = 1/\sqrt {2\pi } \) is covered later.)


(Step6, Shankar) Append to each coefficient a(E) a time dependence e^(- iEt/ℏ) and get ψ(x,t) at any future time.

ψx,t=x|ψt=x|U(t)|ψ0=x|U(t)|ψk1ψk1|ψIdk1 =U(t)x|ψk1ψk1|ψIdk1=U(t)ψk1(x)ak1dk1      (5.4.15)

Step 1 : ψk1x=Aeik1x+BAe-ik1xθ-x+CAeik12-2m2V0 xθx  and k1=2mE2

Step 2 : Ut=0e-iEt|ψEkψEk|dk=e-iEt

Step 3 : ψIx,0=ψIx=π2-1/4eik0(x+a)e-x+a2/22

Step 4 : ak1=2/π1/4e-k1-k022/2eik1a

=e-ik12t2mAeik1x+BAe-ik1xθ-x+CAeik12-2m2V0 xθx2/π14e-k1-k0222eik1adk1 =24π31/4e-ik12t2me-k1-k0222eik1aeik1x+BAe-ik1xθ-x+CAeik12-2m2V0 xθxdk1 (5.4.16)

You can convince yourself that if we set t = 0 above we regain \({\psi _I}\left( x \right)\), which corroborates our choice \(A = \frac{1}{{\sqrt {2\pi } }}\)

Calculate \(A = \frac{1}{{\sqrt{2\pi } }}\) at \(t = 0\), \(\psi \left({x,t} \right) = {\psi _I}\left( {x,0} \right)\)

ψx,t=Aeik1x2/π1/4e-k1-k022/2eik1adk1=π2-1/4eik0(x+a)e-x+a2/22 A2/π1/4eik1(x+a)e-k1-k022/2dk1=A2/π1/4e-2k1-ix+a2+k022-x+a222+ix+ak0dk1 =A2/π1/4e-x+a222eix+ak0e-k1-ix+a2+k022/2dk1 =A2/π1/4e-x+a222eix+ak02π12π1/e-  k1-ix+a2+k022/2dk1 =A2/π1/4e-x+a222eix+ak02π     12π1/e-  k1-ix+a2+k022/2dk1=1 A2/π1/4e-x+a222eix+ak02π=π2-1/4eik0(x+a)e-x+a2/22 A2π1/42π=π2-1/4 A2π1π214=1π214 A=12π
<A2/π1/4eik1(x+a)e-k1-k022/2dk1=A2/π1/4e-2k1-ix+a2+k022-x+a222+ix+ak0dk1>
eik1x+ae-k1-k0222=-2k12-2k1k0+k022+2ix+ak12 =-2k12-2k1k0+k02-2ix+ak1/22=-2k12-2ix+a2+k0k1+k022 =-2k12-2ix+a2+k0k1+ix+a2+k02+k02-ix+a2+k022 =-2k1-ix+a2+k02+x+a22-2ix+ak022=-2k1-ix+a2+k022-x+a2/2-2ix+ak02 =-2k1-ix+a2+k022-x+a222+ix+ak0

(Step7, Shankar) Identify \({\psi _R}\) and \({\psi _T}\) in \(\psi \left( {x,t \to \infty } \right)\) and determine \(R\) and \(T\) using Shankar’s Eqs. (5.4.3) and (5.4.4).

reflection coefficient : R=ψR2dx,    t       (5.4.3)
transmission coefficient : T=ψT2dx,    t       (5.4.4)
ψx,t=24π31/4e-ik12t2me-k1-k0222eik1aeik1x+BAe-ik1xθ-x+CAeik12-2m2V0 xθxdk1

Consider the first of the three terms. If \(\theta \left( { - x} \right)\) were absent, we would be propagating the original Gaussian. After replacing \(x\) by \(x + a\) in Eq. (5.1.15), and inserting the\(\;\theta \left( { - x} \right)\) factor, the first term of \(\psi \left( {x,t} \right)\) is

ψx,t=π+tim-1/2exp-12211+tim2x-p0tm2expp0ix-p0t2m      (5.1.15) θ-xπ-14+tim-12exp-x+a-k0tm2221+tim2expk0ix+a-k0t2m θ-xG-a,k0,t       (5.4.17)

Since the Gaussian \(G\left( { - a,{k_0},t} \right)\) is centered at \(x = - a + \frac{{\hbar {k_0}t}}{m} \simeq \frac{{\hbar {k_0}t}}{m}\) as \(t \to \infty \), and \(\theta \left( { - x} \right)\) vanishes for \(x > 0\),the product \(\theta G\) vanishes. Thus the initial packet has disappeared and in its place are the reflected and transmitted packets given by the next two terms. In the middle term if we replace \(B/A\), which is a function of \({k_1}\) , by its value \({\left( {B/A} \right)_0}\) at \({k_1} = {k_0}\) (because \(a\left( {{k_1}} \right)\) is very sharply peaked at \({k_1} = {k_0}\)) and pull it out of the integral, changing the dummy variable from \({k_1}\) to \( - {k_1}\) , it is easy to see that apart from the factor \({\left( {B/A} \right)_0}\theta \left( { - x} \right)\) up front, the middle term represents the free propagation of a normalized Gaussian packet that was originally peaked at \(x = + a\) and began drifting to the left with mean momentum \( - \hbar {k_0}\) . Thus

ψR=θ-xGa,-k0,tB/A0     (5.4.18)

As \(t \to \infty \), we can set \(\theta \left( { - x} \right)\) equal to 1, since \(G\) is centered at \(x = a - \frac{{\hbar {k_0}t}}{m} \simeq - \frac{{\hbar {k_0}t}}{m}\). Since the Gaussian \(G\) has unit norm, we get from Eqs. (5.4.3) and (5.4.9),

R=ψR2dx=BA02=E01/2-E0-V01/2E01/2+E0-V01/22 where E0=2k022m             (5.4.19)

This formula is exact only when the incident packet has a well-defined energy \({E_0}\), that is to say, when the width of the incident Gaussian tends to infinity. But it is an excellent approximation for any wave packet that is narrowly peaked in momentum space.

To find \(T\), we can try to evaluate the third piece. But there is no need to do so, since we know that

R+T=1           (5.4.20) T=1-R=1-E01/2-E0-V01/2E01/2+E0-V01/22=1-E0+E0-V0-2E01/2E0-V01/2E01/2+E0-V01/22 =2E0-V0+2E01/2E0-V01/2-2E0+V0+2E01/2E0-V01/2E01/2+E0-V01/22=4E01/2E0-V01/2E01/2+E0-V01/22 C=2k1k1+k2A=2E1/2E1/2+E-V01/2A       (5.4.10) CA02=2E01/2E01/2+E0-V01/22=4E0E01/2+E0-V01/22 =4E01/2E0-V01/2E01/2+E0-V01/22=CA02E0-V01/2E01/2             (5.4.21)

Consider the unnormalized eigenstate

ψk0=A0eik0xθ-x+B0e-ik0xθ-x+C0eik02-2m2V0 xθx    (5.4.22)

The incoming plane wave \({A_0}{e^{i{k_0}x}}\) has a probability current associated with it equal to

Using   j=2miψ*ψ-ψψ*     (5.3.8)  jI=2miA0*e-ik0xik0A0eik0x+A0eik0xik0A0*e-ik0x=k02mA0*A0+A0A0*=k0mA02            (5.4.23)

while the currents associated with the reflected and transmitted pieces are

jR=2mi-B0*eik0xik0B0e-ik0x-B0e-ik1xik0B0*eik0x=-k02mB0*B0+B0B0*=-k0mB02            (5.4.24)

(My commentary : shankar describes \({j_R} = \frac{{\hbar {k_0}}}{m}{\left| {{B_0}} \right|^2}\), and I calculate \({j_R} = - \frac{{\hbar {k_0}}}{m}{\left| {{B_0}} \right|^2}\). If the direction is neglected, the quantity is the same in both equations. )

jT=2miC0*e-ik02-2m2V0 xik02-2m2V0C0eik02-2m2V0 x+C0eik02-2m2V0 xik02-2m2V0C0*e-ik02-2m2V0 x =2mk02-2m2V0C0*C0+C0C0*=mk02-2m2V0C02            (5.4.25)

the reflection and transmission probabilities (\(R\) and \(T\))

R=B0A02    (5.4.26)

(My commentary : (\(R\) and \(T\)) are probabilities, so they should be positive real numbers. Therefore, the direction is ignored in eq. (5.4.26).)

T=jTjI=C0A02k02-2m2V0k0=C0A021-2m2V022mE0=C0A02E0-V0E0   k0=2mE02       (5.4.27)