<?xml version="1.0"?>
<!DOCTYPE article
PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.4 20190208//EN"
       "JATS-journalpublishing1.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" article-type="research-article" dtd-version="1.4" xml:lang="en">
 <front>
  <journal-meta>
   <journal-id journal-id-type="publisher-id">Vestnik of Don State Technical University</journal-id>
   <journal-title-group>
    <journal-title xml:lang="en">Vestnik of Don State Technical University</journal-title>
    <trans-title-group xml:lang="ru">
     <trans-title>Вестник Донского государственного технического университета</trans-title>
    </trans-title-group>
   </journal-title-group>
   <issn publication-format="print">1992-5980</issn>
  </journal-meta>
  <article-meta>
   <article-id pub-id-type="publisher-id">12234</article-id>
   <article-id pub-id-type="doi">10.12737/20217</article-id>
   <article-categories>
    <subj-group subj-group-type="toc-heading" xml:lang="ru">
     <subject>Информатика, вычислительная техника и управление</subject>
    </subj-group>
    <subj-group subj-group-type="toc-heading" xml:lang="en">
     <subject>INFORMATION TECHNOLOGY, COMPUTER SCIENCE AND MANAGEMENT</subject>
    </subj-group>
    <subj-group>
     <subject>Информатика, вычислительная техника и управление</subject>
    </subj-group>
   </article-categories>
   <title-group>
    <article-title xml:lang="en">Integral equation for numerical solution of stationary quantum-mechanical problems</article-title>
    <trans-title-group xml:lang="ru">
     <trans-title> Интегральное уравнение для численного решения стационарных квантово-механических зада</trans-title>
    </trans-title-group>
   </title-group>
   <contrib-group content-type="authors">
    <contrib contrib-type="author">
     <name-alternatives>
      <name xml:lang="ru">
       <surname>Князев</surname>
       <given-names>Сергей Юрьевич</given-names>
      </name>
      <name xml:lang="en">
       <surname>Knyazev</surname>
       <given-names>Sergey Юрьевич</given-names>
      </name>
     </name-alternatives>
     <email>ksy@donpac.ru</email>
    </contrib>
   </contrib-group>
   <pub-date publication-format="print" date-type="pub" iso-8601-date="2016-07-07T00:00:00+03:00">
    <day>07</day>
    <month>07</month>
    <year>2016</year>
   </pub-date>
   <pub-date publication-format="electronic" date-type="pub" iso-8601-date="2016-07-07T00:00:00+03:00">
    <day>07</day>
    <month>07</month>
    <year>2016</year>
   </pub-date>
   <volume>16</volume>
   <issue>3</issue>
   <fpage>79</fpage>
   <lpage>86</lpage>
   <self-uri xlink:href="https://zh-szf.ru/en/nauka/article/12234/view">https://zh-szf.ru/en/nauka/article/12234/view</self-uri>
   <abstract xml:lang="ru">
    <p>Целью работы является описание метода численного решения стационарного уравнения Шредингера, основанного на использовании интегрального уравнения, тождественного уравнению Шредингера. По своей структуре это интегральное уравнение близко к уравнению Фредгольма второго рода и допускает получение численного решения задачи. Рассматриваемый метод позволяет находить собственные значения энергии и собственные решения для квантово-механических задач различной размерности. Приведены результаты тестирования метода при решении задачи для одномерного и двумерного квантового осциллятора. Найденные численным методом значения собственных энергий и собственных функций осциллятора сравнивались с известными аналитическими решениями, затем оценивалась погрешность результата. Наибольшая точность решения получена для первых энергетических уровней. Погрешность численного решения возрастает с номером собственного значения энергии. Для последующего энергетического уровня погрешность увеличивается почти на порядок. Для четвертого энергетического уровня при разбиении области интегрирования на 500 элементов погрешность решения для собственных функций не превосходит 2%. Если энергетический уровень является вырожденным, то существует возможность получения всех собственных функций, соответствующих данному уровню. Для этого используются различные вспомогательные функции, симметрия которых согласуется с симметрией собственной функции.</p>
   </abstract>
   <trans-abstract xml:lang="en">
    <p>The work objective is to describe the numerical solution method for the stationary Schrödinger equation based on the application of the integral equation identical to the Schrödinger equation. The structure of this integral equation is close to the structure of the Fredholm equation of second kind and allows obtaining the problem numerical solution. The method under study allows finding the energy eigenvalues and eigensolutions to the quantum-mechanical problems of various dimensions. The test results of the solving problems method for one-dimensional and two-dimensional quantum oscillators are obtained. The found numerical values of eigenenergy and eigenfunctions of the oscillator are compared to the known analytical solutions, and then the error of result is evaluated. The highest accuracy of the solution is obtained for the first energy levels. The numerical solution error increases with the number of the energy eigenvalue. For the subsequent energy level, the error increases almost by an order of magnitude. The solution error for the fourth energy level is less than 2% if the integration domain contains 500 elements. If the energy level is degenerate, it is possible to obtain all eigenfunctions corresponding to the given level. For this purpose, various auxiliary functions the symmetry of which is coherent with the eigenfunction symmetry are used.</p>
   </trans-abstract>
   <kwd-group xml:lang="ru">
    <kwd>уравнение Шредингера</kwd>
    <kwd>собственные значения</kwd>
    <kwd>собственные функции</kwd>
    <kwd>численное решение</kwd>
    <kwd>фундаментальные решения.</kwd>
   </kwd-group>
   <kwd-group xml:lang="en">
    <kwd>Schrödinger equation</kwd>
    <kwd>eigenvalues</kwd>
    <kwd>eigenfunctions</kwd>
    <kwd>numerical solution</kwd>
    <kwd>the fundamental solutions.</kwd>
   </kwd-group>
  </article-meta>
 </front>
 <body>
  <p>Фундаментальное значение при решении квантовых механических задач описывается уравнением Шредингера [1]. Аналитические решения этого уравнения могут быть получены лишь для весьма ограниченного круга задач, преимущественно одномерных. Поэтому разработано множество приближенных методов решения уравнения Шредингера, как аналитических, с использованием теории возмущения [2–4], так и прямых численных методов. Несмотря на широкий спектр имеющихся численных методов решения уравнения Шредингера, таких, например, как метод Нумерова [5], метод диагонализации [6–7], спектральный метод [7], и других численных методов [8–12], проблема эффективных способов нахождения собственных энергий и собственных функций для основного уравнения квантовой механики, особенно при решении многомерных задач, продолжает оставаться актуальной. Ниже предложена методика решения уравнения Шредингера, основанная на приведении его к интегральному уравнению с последующим численным решением.</p>
 </body>
 <back>
  <ref-list>
   <ref id="B1">
    <label>1.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Ландау, Л. Д. Квантовая механика. Нерелятивистская теория / Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. - Москва : Гос. изд-во физ.-мат. лит., Наука, 1963. - 703 с.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Landau, L.D., Lifshitz, E.M. Kvantovaya mekhanika. Nerelyativistskaya teoriya. [Quantum mechanics. Nonrelativistic theory.] Moscow: Nauka, 1963, 703 p. (in Russian).</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B2">
    <label>2.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Kesarwani, R. N. Eigenvalues of an anharmonic oscillators / R. N. Kesarwani, Y. P. Varshni // J. Math. Phys. -</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Kesarwani, R.N., Varshni, Y.P. Eigenvalues of an anharmonic oscillators. J. Math. Phys., 1981, vol. 22, no.9, pp.1983-1989.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B3">
    <label>3.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Ульянов, В. В. Интегральные методы в квантовой механике / В. В. Ульянов. - Харьков : Вища школа. Изд-во при Харьк. ун-те, 1982. - 160 с.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Ulyanov, V.V. Integral&amp;#180;nye metody v kvantovoy mekhanike. [Integral methods in quantum mechanics.] Kharkov: Vishcha shkola, 1982, 160 p. (in Russian).</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B4">
    <label>4.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Bender, С. М. Anharmonic oscillator. II. A study of perturbation theory in large order / С. М. Bender, Т. Т. Wu // Phys. Rev. - 1973. - Vol. 7. - № 6. - P. 1620-1636.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Bender, С.М., Wu, Т.Т. Anharmonic oscillator. II. A study of perturbation theory in large order. Phys. Rev., 1973, vol. 7, no.6, pp. 1620-1636.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B5">
    <label>5.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Killingbeck, J. P. Microcomputer Quantum Mechanics / J. P. Killingbeck. - Adam Hiller, 1983. - p. 380.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Killingbeck, J.P. Microcomputer Quantum Mechanics. Adam Hiller, 1983, 380 p.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B6">
    <label>6.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Banerjee, К. The anharmonic oscillator / К. Banerjee, S. P. Bhatnagar, V. Choudhry, S. S. Kanwal // Proc. R. Soc. A, 1978. - Vol. 360. - P.575-586.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Banerjee, К., Bhatnagar, S.P., Choudhry, V., Kanwal, S.S. The anharmonic oscillator. Proc. R. Soc. A, 1978, vol. 360, pp.575-586.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B7">
    <label>7.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Черкасский, В. А. Численное решение уравнения Шредингера: метод диагонализации и спектральный метод / В. А. Черкасский // Вісник Харківського національного університету. - 2010. - № 926. - С. 204-211.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Cherkassky, V.A. Chislennoe reshenie uravneniya Shredingera: metod diagonalizatsii i spektral&amp;#180;nyy metod. [The numerical solution of the Schrödinger equation: diagonalization method and spectral method.] Вісник Харківського національного університету, 2010, no. 926, pp. 204-211 (in Russian).</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B8">
    <label>8.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Dineykhan, M. The Schroedinger equation for bound state systems in the oscillator representation / М. Dineykhan, G. V. Efimov // Repots of Math. Phys. - 1995. - V.6. - № 2/3. - P. 287-308.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Dineykhan, M., Efimov, G.V. The Schroedinger equation for bound state systems in the oscillator representation. Repots of Math. Phys., 1995, vol. 6, no.2/3, pp. 287-308.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B9">
    <label>9.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Abrashkevich, A. G. FESSDE, a program for the finite-element solution of the coupled-channel Schroedinger equation using high-order accuracy approximations / A. G. Abrashkevich, D. G. Abrashkevich, M. S. Kaschiev, I. V. Puzynin // Соmр. Phys. Commun. - 1995. - Vol. 85 - P. 6574.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Abrashkevich, A.G., Abrashkevich, D.G., Kaschiev, M.S., Puzynin, I.V. FESSDE, a program for the finite-element solution of the coupled-channel Schroedinger equation using high-order accuracy approximations. Соmр. Phys. Commun., 1995, vol. 85, pp. 65-74.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B10">
    <label>10.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Jafarpour, М. Calculation of energy eigenvalues for the quantum anharmonic oscillator with a polynomial potential / М. Jafarpour, D. Afshar // J. Phys. A: Math. Gen. - 2002. - Vol. 35 - P. 87-92.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Jafarpour, М., Afshar, D. Calculation of energy eigenvalues for the quantum anharmonic oscillator with a polynomial potential. J. Phys. A: Math. Gen., 2002, vol. 35, pp. 87-92.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B11">
    <label>11.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Квитко, Г. В. Численное решение уравнения Шрёдингера с полиномиальными потенциалами / Г. В. Квитко, Э. Л. Кузин, Д. В. Шоть // Вестник Балт. муницип. ин-та им. И. Канта. - 2011. - Вып. 5. - С.115-119.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Kvitko, G.V., Kuzin, E.L., Shott, D.V. Chislennoe reshenie uravneniya Shredingera s polinomial&amp;#180;nymi potentsialami. [Numerical solution of the Schrödinger equation with polynomial potentials.] IKBFU’s Vestnik, 2011, vol. 5, pp. 115-119 (in Russian).</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B12">
    <label>12.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Лукьяненко, А. Н. Символьно-численное решение двумерного уравнения Шрёдингера с двухъямным потенциалом / А. Н. Лукьяненко, Н. А. Чеканов // Университет им. В.И. Вернадского. - 2008. - № 3(13). - Т. 2. - С. 43-49.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Lukyanenko, A.N., Chekanov, N.A. Simvol&amp;#180;no-chislennoe reshenie dvumernogo uravneniya Shredingera s dvukh&amp;#180;&amp;#180;yamnym potentsialom. [Symbolic-numerical solution of two-dimensional Schrödinger equation with a double-well potential.] Universitet im. V.I. Vernadskogo, 2008, no. 3(13), vol. 2, pp.43-49 (in Russian).</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B13">
    <label>13.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Полянин, А. Д. Справочник по линейным уравнениям математической физики. - Москва : Физматлит, 2001. - 576 с.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Polyanin, A.D. Spravochnik po lineynym uravneniyam matematicheskoy fiziki. [Handbook on linear equations of mathematical physics.] Moscow: Fizmatlit, 2001, 576 p. (in Russian).</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B14">
    <label>14.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Владимиров, B. C. Уравнения математической физики / В. С. Владимиров, В. В. Жаринов. - Москва : Физматлит, 2004. - 400 с.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Vladimirov, V.S., Zharinov, V.V. Uravneniya matematicheskoy fiziki. [Equations of Mathematical Physics.] Moscow: Fizmatlit, 2004, 400 p. (in Russian).</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B15">
    <label>15.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Fairweather, G. The method of fundamental solutions for problems in potential theory / G. Fairweather, R. L. Johnston // Treatment of Integral Equations by Numerical Methods / eds. C. T. H. Baker, G. F. Miller. - London : Academic Press, 1982. - P. 349-359.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Fairweather, G., Johnston, R.L. The method of fundamental solutions for problems in potential theory. C.T.H. Baker, G.F. Miller, eds. Treatment of Integral Equations by Numerical Methods. London: Academic Press, 1982, pp.349-359.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B16">
    <label>16.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Князев, С. Ю. Численное решение уравнений Пуассона и Гельмгольца с помощью метода точечных источников / С. Ю. Князев // Изв. вузов. Электромеханика. - 2007. - № 2. - С. 77-78.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Knyazev, S.Yu. Chislennoe reshenie uravneniy Puassona i Gel&amp;#180;mgol&amp;#180;tsa s pomoshch&amp;#180;yu metoda tochechnykh istochnikov. [Numerical solution of Poisson and Helmholtz equations using the point-source method] Russian Electromechanics, 2007, no. 2, pp. 77-78 (in Russian).</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B17">
    <label>17.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Князев, С. Ю. Численное решение краевых задач для неоднородных уравнений Гельмгольца методом точечных источников поля / С. Ю. Князев, Е. Е. Щербакова, А. Н. Заиченко // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. - 2014. - № 4. - С. 14-19.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Knyazev, S.Yu., Shcherbakova, E.E., Zaichenko, A.N. Chislennoe reshenie kraevykh zadach dlya neodnorodnykh uravneniy Gel&amp;#180;mgol&amp;#180;tsa metodom tochechnykh istochnikov polya. [Numerical Solution of the Boundary Problems with Non-Homogeneous Helmholtz Equation by Field Point-Source Method.] Russian Electromechanics, 2014, no. 4, pp. 14-19 (in Russian).</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B18">
    <label>18.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Князев, С. Ю. Решение задач тепло- и массопереноса с помощью метода точечных источников поля / С. Ю. Князев, Е. Е. Щербакова // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. - 2006. - № 4. - С. 43-47.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Knyazev, S.Yu., Shcherbakova, E.E. Reshenie zadach teplo- i massoperenosa s pomoshch&amp;#180;yu metoda tochechnykh istochnikov polya. [The solution of heat and mass transfer problems by the point source method.] University News. North-Caucasian region. Technical Sciences Series, 2006, no. 4, pp. 43-47 (in Russian).</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B19">
    <label>19.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Князев, С. Ю. Моделирование полей упругих деформаций с применением метода точечных источников / С. Ю. Князев, В. Н. Пустовойт, Е. Е. Щербакова // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. - 2015. - Т. 15. № 1 (80). - С. 29-38.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Knyazev, S.Yu., Pustovoyt, V.N., Shcherbakova, E.E. Modelirovanie poley uprugikh deformatsiy s primeneniem metoda tochechnykh istochnikov. [Modeling the elastic strain fields by point-source method.] Vestnik of DSTU, 2015, vol. 15, no. 1(80), pp. 29-38 (in Russian).</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B20">
    <label>20.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Князев, С. Ю. Моделирование трехмерных полей упругих деформаций с помощью метода точечных источников / С. Ю. Князев, В. Н. Пустовойт, Е. Е. Щербакова, А. А. Щербаков // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. - 2015. - Т. 15. № 4 (83). - С. 13-23. 21 - Vol. 22. - № 9. - P. 1983-1989.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Knyazev, S.Yu., Pustovoyt, V.N., Shcherbakova, E.E., Shcherbakov, A.A. Modelirovanie trekhmernykh poley uprugikh deformatsiy s pomoshch´yu metoda tochechnykh istochnikov. [Modeling of three-dimensional elastic strain fields by point-source method.] Vestnik of DSTU, 2015, vol. 15, no. 4(83), pp. 13-23 (in Russian).</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
  </ref-list>
 </back>
</article>
