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C++:一维方孔的 Numerov 方法的实现

转载 作者:行者123 更新时间:2023-11-28 07:10:37 25 4
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我想通过 Numerov 方法解决薛定谔问题,但我遇到了一些麻烦。我正在用 C++ 编程,所以这是我的代码:

#include<cstdlib>
#include<iostream>
#include<cmath>

using namespace std;

double x_min=-4.0 , x_max=4.0;
int N=2000;
double r=(x_max-x_min)/(1.0*N);
double d=2.0;
double p=0.4829; // 2m/(hbar^2)
double Vo=20.0; // Altura del pozo

double x_m=0.1; //Matching point
int i_x_m=(x_m-x_min)/r;

double Control=-123456789;

double SlopeLeft,SlopeRight;

double PAR;

double K2(double x, double E);
double NumerovL(int i, double k21, double k22, double k23, double Y[]);
double NumerovR(int i, double k21, double k22, double k23, double Y[]);
double FuncLeft(double E, double Y[]);
double FuncRight(double E, double Y[]);
void PrintFunc(double Y[]);
void Normalizar(double Y[]);
double f(double E, double Y[]);
double Biseccion(double a, double b, double Y[]);

//=========================MAIN===============================

int main(int argc, char **argv)
{

double Y[N+1]; // Función de Onda

double paso=0.02; // Escala en la que se varia la energía
double Eo=0;

for(double E=0 ; E<=Vo ; E+=paso) // Cálculo de las funciones IMPARES
{
PAR=-1;
Eo=Biseccion(E,E+paso,Y);

if(Eo != Control && SlopeRight*SlopeLeft<0.)
{
Y[i_x_m]=FuncRight(Eo,Y);
Y[i_x_m]=FuncLeft(Eo,Y);


Normalizar(Y);

PrintFunc(Y);
}

}


for(double E=0 ; E<=Vo ; E+=paso) // Cálculo de las funciones PARES
{
PAR=1;
Eo=Biseccion(E,E+paso,Y);

if(Eo != Control && SlopeRight*SlopeLeft>0.)
{
Y[i_x_m]=FuncRight(Eo,Y);
Y[i_x_m]=FuncLeft(Eo,Y);

Normalizar(Y);

PrintFunc(Y);
}
}


return 0;
}

//=========================FUNCIONES===============================

double K2(double x, double E)
{
double k2;

if(fabs(x)<=d)
{
k2=p*E;
return k2;
}
else
{
k2=p*(E-Vo);
return k2;
}
}

double NumerovL(int i, double k21, double k22, double k23, double Y[])
{ // Para la función de Onda Izquierda
double A1,B1,C1,N;
A1=2.0*(1.0-(5.0/12.0)*r*r*k21)*Y[i-1];
B1=(1.0+(1.0/12.0)*r*r*k22)*Y[i-2];
C1=1.0+(1.0/12.0)*r*r*k23;
N=(A1-B1)/(C1);
return N;
}

double NumerovR(int i, double k21, double k22, double k23, double Y[])
{ // Para la función de Onda Derecha
double A1,B1,C1,N;
A1=2.0*(1.0-(5.0/12.0)*r*r*k21)*Y[i+1];
B1=(1.0+(1.0/12.0)*r*r*k22)*Y[i+2];
C1=1.0+(1.0/12.0)*r*r*k23;
N=PAR*(A1-B1)/(C1);
return N;
}

double FuncLeft(double E, double Y[])
{
double k21,k22,k23,Yleft,b;

b=sqrt(p*(Vo-E));

Y[0]=exp(b*x_min);
Y[1]=exp(b*(x_min+r));


for(int i=2 ; i<i_x_m ; i++) // Se calcula la función de Onda Izquierda
{
k21=K2(x_min+(i-1)*r,E);
k22=K2(x_min+(i-2)*r,E);
k23=K2(x_min+i*r,E);

Y[i]=NumerovL(i,k21,k22,k23,Y);

if(i==i_x_m-1) //Función de Onda Izquierda en el Matching point
{
k21=K2(x_min+(i)*r,E);
k22=K2(x_min+(i-1)*r,E);
k23=K2(x_min+(i+1)*r,E);

Yleft=NumerovL(i+1,k21,k22,k23,Y);
}
}

SlopeLeft=(Yleft-Y[i_x_m-1])/r;

return Yleft;
}

double FuncRight(double E, double Y[])
{
double k21,k22,k23,Yright,b;

b=sqrt(p*(Vo-E));

Y[N]=PAR*exp(-b*(x_min+N*r));
Y[N-1]=PAR*exp(-b*(x_min+(N-1)*r));

for(int i=N-2 ; i>i_x_m; i--) // Se calcula la función de Onda Derecha
{
k21=K2(x_min+(i+1)*r,E);
k22=K2(x_min+(i+2)*r,E);
k23=K2(x_min+i*r,E);

Y[i]=PAR*NumerovR(i,k21,k22,k23,Y);

if(i==i_x_m+1) //Función de Onda Derecha en el Matching point
{
k21=K2(x_min+(i)*r,E);
k22=K2(x_min+(i+1)*r,E);
k23=K2(x_min+(i-1)*r,E);

Yright=NumerovR(i-1,k21,k22,k23,Y);
}
}

SlopeRight=PAR*(Y[i_x_m+1]-Yright)/r;

return Yright;
}

void PrintFunc(double Y[])
{
for(int i=0 ; i<=N+1 ; i++)
{
cout << x_min+i*r << "\t" << Y[i] << endl;
}
}

void Normalizar(double Y[])
{
double S=0;

for(int i=0 ; i<=N+1 ; i++)
{
S += Y[i]*Y[i]*r;
}

S=sqrt(S);

for (int i=0 ; i<=N+1 ; i++)
{
Y[i]=Y[i]/S;
}

}

double f(double E, double Y[])
{
double F;

F=FuncLeft(E,Y)-PAR*FuncRight(E,Y);

return F;
}

double Biseccion(double a, double b, double Y[])
{

double Tol=0.00001; //Tolerancia para encontrar la raiz

double RET=-123456789;

if(f(a,Y)*f(b,Y)<0)
{
while(fabs(a-b)>Tol)
{
double x_m,fa,fm;

fa=f(a,Y);
x_m=(a+b)/2.0;
fm=f(x_m,Y);
//fb=f(b);

if(fa*fm<0)
{
b=x_m;
//RET=b;
}
else
{
a=x_m;
//RET=a;
}
}
RET=a;
}
return RET;
}

基本上代码会占用所有能量,即 0<E<Vo 和函数“Biseccion”在能量 EE+step 之间应用二分法算法。因此,该函数找到左右(来自 Numerov Method )波函数匹配的特征能量。

代码编译完美,但当我想绘制奇怪的解决方案时,问题就出现了。我得到了两个令人满意的解决方案,但另外两个它的函数是连续的而不是导数。我获得的情节的 Here is an example

如您所见,有两个图表不是问题的令人满意的解决方案。

如果有人能帮我解决这个问题,我将不胜感激。

最佳答案

您的代码没有任何问题。您得到的本征函数存在歧义,因为重新缩放的本征函数也将是一个解决方案(当然在施加归一化条件之前)。

在某些情况下,匹配条件会失败,您无法在匹配点处获得连续导数,但在这些情况下,您只需重新调整左侧或右侧特征函数之一,即可获得平滑的导数。然后您将整个事情标准化,

关于C++:一维方孔的 Numerov 方法的实现,我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题: https://stackoverflow.com/questions/21025739/

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