Lyons Greene
01/01/2023 · High School
Hausaufgabe 33: (Eigenwertproblem und Exponentialmatrix) \( \quad(3+1+2=6 \) Punkte) Zur Behandlung des Spins in der Quantenmechanik benötigt man die sogenannte Pauli-Matrix \[ \sigma=\left(\begin{array}{rr}0 & -i \\ i & 0\end{array}\right) \] a) Bestimmen Sie ihre Eigenwerte \( \lambda_{1} \) und \( \lambda_{2} \) sowie die zugehörigen Eigenvektoren \( \vec{v}_{1} \) und \( \vec{v}_{2} \). b) Verifizieren Sie für die von Ihnen gefundenen Eigenwerte und Eigenvektoren jeweils die Gleichung \( \sigma \vec{v}_{i}=\lambda_{i} \vec{v}_{i} \). c) Berechnen Sie die Exponentialmatrix \( e^{i \varphi \sigma} \) für \( \varphi \in \mathbb{R} \).
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### Lösung
### a) Eigenwerte und Eigenvektoren bestimmen
Die Pauli-Matrix ist gegeben durch
\[ \sigma=\left(\begin{array}{cc}0 & -i \\ i & 0\end{array}\right) \]
Die Eigenwerte sind \( \lambda_1 = i \) und \( \lambda_2 = -i \).
Für \( \lambda_1 = i \) ist der Eigenvektor \( \vec{v}_1 = \left(\begin{array}{c}1 \\ 1\end{array}\right) \).
Für \( \lambda_2 = -i \) ist der Eigenvektor \( \vec{v}_2 = \left(\begin{array}{c}1 \\ -1\end{array}\right) \).
### b) Verifizierung der Eigenvektoren
Die Eigenvektoren erfüllen die Gleichung \( \sigma \vec{v}_{i}=\lambda_{i} \vec{v}_{i} \).
### c) Berechnung der Exponentialmatrix
Die Exponentialmatrix \( e^{i \varphi \sigma} \) wird durch die Taylor-Reihe berechnet.
Solución paso a paso
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