定态微扰论

非简并微扰论

本篇笔记将介绍 “old-fashion” 的微扰理论。这里我们来看定态微扰论。这里我们首先讨论非简并微扰论:就是说要处理的能级是非简并的。微扰论的出发点是为了解决这样一个问题:为了求解如下能量本征值问题:

Hψn=Enψn(1)H\psi_n = E_n\psi_n \tag{1}

其中 HH 可分为两部分:

H=H0+H1(2)H = H_0 + H_1\tag{2}

H0H_0 对应的本征值问题是容易求解的,即:

H0ψn(0)=En(0)ψn(0)(3)H_0\psi_n^{(0)} = E_n^{(0)}\psi_n^{(0)}\tag{3}

而 H1≪H0H_1\ll H_0,我们可以将 H1H_1 看成微扰。那么我们可以将方程 (3)(3) 给出的本征能量、本征波函数作为方程 (1)(1) 的本征能量、本征波函数的零阶近似。在此基础上,有:

En=En(0)+ΔEn,ΔEn=En(1)+En(2)+En(3)+⋯ψn=ψn(0)+Δψn,Δψn=ψn(1)+ψn(2)+ψn(3)+⋯(4)\begin{aligned} &E_n = E_n^{(0)} + \Delta E_n,\quad \Delta E_n = E_n^{(1)} + E_n^{(2)} + E_n^{(3)} + \cdots\\ &\psi_n = \psi_n^{(0)} + \Delta \psi_n,\quad \Delta \psi_n = \psi_n^{(1)} + \psi_n^{(2)} + \psi_n^{(3)} + \cdots\\ \end{aligned}\tag{4}

其中角标代表对修正的阶数。
将 (4)(4) 式代入 (1)(1) 得到:

(H0+H1)(ψn(0)+ψn(1)+⋯ )=(En(0)+En(1)+⋯ )(ψn(0)+ψn(1)+⋯ )(H_0+H_1)(\psi_n^{(0)} + \psi_n^{(1)} + \cdots) = (E_n^{(0)} + E_n^{(1)} + \cdots)(\psi_n^{(0)} + \psi_n^{(1)} + \cdots)

将上式展开,令左右相同阶的项相等,将得到以下一组方程

{H0ψn(0)=En(0)ψn(0)H1ψn(0)+H0ψn(1)=En(1)ψn(0)+En(0)ψn(1)H1ψn(1)+H0ψn(2)=En(2)ψn(0)+En(1)ψn(1)+En(0)ψn(2)⋯H1ψn(i−1)+H0ψn(i)=∑k=0iEn(k)ψn(i−k)⋯(5)\left\{ \begin{aligned} &H_0\psi_n^{(0)} = E_n^{(0)}\psi_n^{(0)}\\ &H_1\psi_n^{(0)} + H_0\psi_n^{(1)} = E_n^{(1)}\psi_n^{(0)} + E_n^{(0)}\psi_n^{(1)}\\ &H_1\psi_n^{(1)} + H_0\psi_n^{(2)} = E_n^{(2)}\psi_n^{(0)} + E_n^{(1)}\psi_n^{(1)} + E_n^{(0)}\psi_n^{(2)}\\ &\cdots\\ &H_1\psi_n^{(i-1)} + H_0\psi_n^{(i)} = \sum_{k=0}^{i} E_n^{(k)}\psi_n^{(i-k)}\\ &\cdots\\ \end{aligned}\tag{5} \right.

完成对方程 (5)(5) 的迭代求解后,我们就得到了 kk 阶修正后的本征能量与本征波函数。

我们首先计算一阶修正。考虑方程组 (5)(5) 的第二式,将其写为 Dirac 符号的形式:

H1∣ψn(0)⟩+H0∣ψn(1)⟩=En(1)∣ψn(0)⟩+En(0)∣ψn(1)⟩(6)H_1|\psi_n^{(0)}\rangle + H_0|\psi_n^{(1)}\rangle = E_n^{(1)}|\psi_n^{(0)}\rangle + E_n^{(0)}|\psi_n^{(1)}\rangle\tag{6}

使用 ⟨ψn(0)∣\langle \psi_n^{(0)}| 与 (6)(6) 式左右两边作内积,得到:

⟨ψn(0)∣H1∣ψn(0)⟩+⟨ψn(0)∣H0∣ψn(1)⟩=En(1)+⟨ψn(0)∣En(0)∣ψn(1)⟩(7)\langle \psi_{n}^{(0)}|H_1|\psi_n^{(0)}\rangle + \langle \psi_{n}^{(0)}|H_0|\psi_n^{(1)}\rangle = E_n^{(1)} + \langle \psi_{n}^{(0)}|E_n^{(0)}|\psi_n^{(1)}\rangle\tag{7}

立即得到本征能量的一阶修正项:

En(1)=⟨ψn(0)∣H1∣ψn(0)⟩=⟨n∣H1∣n⟩(8)E_n^{(1)} = \langle \psi_{n}^{(0)}|H_1|\psi_n^{(0)}\rangle = \langle n|H_1|n\rangle \tag{8}

对于非简并的情形,微扰的引入只会使波函数同样发生很小的变化。有:

ψn(1)=∑mam(1)ψm(0)=an(1)ψn(0)+∑m≠nam(1)ψm(0)\psi_n^{(1)} = \sum_m a_m^{(1)}\psi_m^{(0)} = a_n^{(1)}\psi_n^{(0)} + \sum_{m\neq n}a_m^{(1)}\psi_m^{(0)}

使用 ⟨ψm(0)∣,m≠n\langle \psi_m^{(0)}|,m\neq n 与 (6)(6) 式左右两边作内积,得到:

⟨ψm(0)∣H1∣ψn(0)⟩+⟨ψm(0)∣H0∣ψn(1)⟩=En(0)⟨ψm(0)∣ψn(1)⟩⟨ψm(0)∣H1∣ψn(0)⟩=(En(0)−Em(0))⟨ψm(0)∣ψn(1)⟩⟨m∣H1∣n⟩=(En(0)−Em(0))am(1)\begin{aligned} \langle \psi_{m}^{(0)}|H_1|\psi_n^{(0)}\rangle + \langle \psi_{m}^{(0)}|H_0|\psi_n^{(1)}\rangle &= E_n^{(0)}\langle \psi_{m}^{(0)}|\psi_n^{(1)}\rangle\\ \langle \psi_{m}^{(0)}|H_1|\psi_n^{(0)}\rangle &= (E_n^{(0)}-E_m^{(0)})\langle \psi_{m}^{(0)}|\psi_n^{(1)}\rangle\\ \langle m|H_1|n\rangle &= (E_n^{(0)}-E_m^{(0)})a^{(1)}_{m}\\ \end{aligned}

综上得到,对波函数的一阶修正系数为:

am(1)=⟨m∣H1∣n⟩En(0)−Em(0)(9)a_m^{(1)} = \frac{\langle m|H_1|n\rangle}{E_n^{(0)}-E_m^{(0)}}\tag{9}

在这里,我们发现了该公式只适用于非简并情形的原因:若该体系是简并的,那么对于简并能级 En(0)=Em(0)E_n^{(0)} = E_m^{(0)},将会有 am(1)→∞a^{(1)}_m \rightarrow \infty,此时当然不能把微扰对波函数的影响当作一个小量!非简并微扰论会失效,我们之后将讨论简并微扰论。

考虑到:

1=⟨ψn∣ψn⟩=⟨ψn(0)+ψn(1)+ψn(2)+⋯∣ψn(0)+ψn(1)+ψn(2)+⋯ ⟩=⟨ψn(0)∣ψn(0)⟩+⟨ψn(1)∣ψn(0)⟩+⟨ψn(0)∣ψn(1)⟩+⋯=1+(an(1))∗+an(1)+⋯\begin{aligned} 1 &= \langle \psi_n|\psi_n\rangle\\ &=\langle \psi_n^{(0)} + \psi_n^{(1)} + \psi_n^{(2)} + \cdots | \psi_n^{(0)} + \psi_n^{(1)} + \psi_n^{(2)} + \cdots\rangle\\ &=\langle \psi_n^{(0)}|\psi_n^{(0)}\rangle + \langle \psi_n^{(1)}|\psi_n^{(0)}\rangle + \langle \psi_n^{(0)}|\psi_n^{(1)}\rangle + \cdots\\ &=1 + (a_n^{(1)})^* + a_n^{(1)} + \cdots\\ \end{aligned}

得到有关系数 an(1)a_n^{(1)} 的性质:

(an(1))∗+an(1)=0(10)(a_n^{(1)})^* + a_n^{(1)} = 0 \tag{10}

即 an(1)a_n^{(1)} 为虚数,可以取:

an(1)=iγn(0),γn(0)∈Ra_n^{(1)} = i\gamma_n^{(0)},\quad \gamma_n^{(0)}\in\mathbb{R}

如此波函数成为:

ψn=ψn(0)+(iγn(0)ψn(0)+∑m≠nam(1)ψm(0))=eiγn(0)ψn(0)+∑m≠nam(1)ψm(0)\begin{aligned} \psi_n &= \psi_n^{(0)} + (i\gamma_n^{(0)}\psi_n^{(0)} + \sum_{m\neq n}a_m^{(1)}\psi_m^{(0)})\\ &= e^{i\gamma_n^{(0)}}\psi_n^{(0)} + \sum_{m\neq n}a_m^{(1)}\psi_m^{(0)}\\ \end{aligned}

不妨取:

ψn=ψn(0)+∑m≠nam(1)ψm(0)\psi_n = \psi_n^{(0)} + \sum_{m\neq n}a_m^{(1)}\psi_m^{(0)}

现在继续第二阶的计算。考虑方程组 (5)(5) 的第三式:

H1∣ψn(1)⟩+H0∣ψn(2)⟩=En(2)∣ψn(0)⟩+En(1)∣ψn(1)⟩+En(0)∣ψn(2)⟩(11)H_1|\psi_n^{(1)}\rangle + H_0|\psi_n^{(2)}\rangle = E_n^{(2)}|\psi_n^{(0)}\rangle + E_n^{(1)}|\psi_n^{(1)}\rangle + E_n^{(0)}|\psi_n^{(2)}\rangle \tag{11}

我们来计算能量本征值的第二阶修正,用 ⟨ψn(0)∣\langle \psi_n^{(0)}| 与上式作内积得到:

⟨ψn(0)∣H1∣ψn(1)⟩+En(0)⟨ψn(0)∣ψn(2)⟩=En(2)+En(0)⟨ψn(0)∣ψn(2)⟩⇒En(2)=⟨ψn(0)∣H1∣ψn(1)⟩=∑m≠nam(1)⟨ψn(0)∣H1∣ψm(0)⟩=∑m≠n⟨m∣H1∣n⟩⟨n∣H1∣m⟩En(0)−Em(0)=∑m≠n∣⟨m∣H1∣n⟩∣2En(0)−Em(0)\begin{aligned} \langle \psi_n^{(0)}|H_1|\psi_n^{(1)}\rangle + E_n^{(0)}\langle \psi_n^{(0)}|\psi_n^{(2)}\rangle &= E_n^{(2)} + E_n^{(0)}\langle \psi_n^{(0)}|\psi_n^{(2)}\rangle\\ \Rightarrow E_n^{(2)} &= \langle \psi_n^{(0)}|H_1|\psi_n^{(1)}\rangle\\ &= \sum_{m\neq n}a_m^{(1)}\langle \psi_n^{(0)}|H_1|\psi_m^{(0)}\rangle\\ &= \sum_{m\neq n} \frac{\langle m|H_1|n\rangle\langle n|H_1|m\rangle}{E_n^{(0)}-E_m^{(0)}}\\ &= \sum_{m\neq n} \frac{|\langle m|H_1|n\rangle|^2}{E_n^{(0)}-E_m^{(0)}}\\ \end{aligned}


我们来看如下例子。对于如下形式的哈密顿量:

H=p22μ+12μω2x2+bx3\begin{aligned} H = \frac{p^2}{2\mu} + \frac{1}{2}\mu\omega^2 x^2 + bx^3 \end{aligned}

其中 bb 是小量。那么 H0=p22μ+12μω2x2H_0 = \frac{p^2}{2\mu} + \frac{1}{2}\mu\omega^2 x^2 为简谐振子哈密顿量,是可解的。H1=bx3H_1 = bx^3 为微扰部分。

下面计算能级。一阶微扰容易计算,因为 H0H_0 的本征波函数关于原点对称,那么必然有结果:

En(1)=⟨n∣bx3∣n⟩=0E_n^{(1)} = \langle n|bx^3|n\rangle = 0

对于二阶微扰项,利用阶梯算子将坐标算子写为:

x^=ℏ2μω(a^+a^†)\hat{x} = \sqrt{\frac{\hbar}{2\mu\omega}}(\hat{a}+\hat{a}^\dagger)

那么有:

⟨n∣bx3∣m⟩=(ℏ2μω)32b⟨n∣(a^+a^†)3∣m⟩=(ℏ2μω)32b⟨n∣(a^+a^†)2(m+1∣m+1⟩+m∣m−1⟩)=(ℏ2μω)32b⟨n∣a^+a^†(m+1m+2∣m+2⟩+(2m+1)∣m⟩+mm−1∣m−2⟩)=(ℏ2μω)32b⟨n∣(m+1m+2m+3∣m+3⟩+3(m+1)m+1∣m+1⟩+3mm∣m⟩+mm−1m−2∣m−3⟩)=(ℏ2μω)32b((m+1)(m+2)(m+3)δn,m+3+3(m+1)m+1δn,m+13mmδn,m−1+m(m−1)(m−2)δn,m−3)\begin{aligned} \langle n|bx^3|m\rangle &= (\frac{\hbar}{2\mu\omega})^{\frac{3}{2}}b \langle n|(\hat{a}+\hat{a}^\dagger)^3|m\rangle\\ &= (\frac{\hbar}{2\mu\omega})^{\frac{3}{2}}b \langle n|(\hat{a}+\hat{a}^\dagger)^2(\sqrt{m+1}|m+1\rangle + \sqrt{m}|m-1\rangle)\\ &= (\frac{\hbar}{2\mu\omega})^{\frac{3}{2}}b \langle n|\hat{a}+\hat{a}^\dagger(\sqrt{m+1}\sqrt{m+2}|m+2\rangle + (2m+1)|m\rangle + \sqrt{m}\sqrt{m-1}|m-2\rangle)\\ &= (\frac{\hbar}{2\mu\omega})^{\frac{3}{2}}b \langle n|(\sqrt{m+1}\sqrt{m+2}\sqrt{m+3}|m+3\rangle + 3(m+1)\sqrt{m+1}|m+1\rangle\\ &\quad + 3m\sqrt{m}|m\rangle+ \sqrt{m}\sqrt{m-1}\sqrt{m-2}|m-3\rangle)\\ &=(\frac{\hbar}{2\mu\omega})^{\frac{3}{2}}b(\sqrt{(m+1)(m+2)(m+3)}\delta_{n,m+3} + 3(m+1)\sqrt{m+1}\delta_{n,m+1}\\ &\quad 3m\sqrt{m}\delta_{n,m-1} + \sqrt{m(m-1)(m-2)}\delta_{n,m-3}) \end{aligned}

简谐振子的能级为:

En(0)=(n+12)ℏω,n⩾0E_n^{(0)} = (n+\frac{1}{2})\hbar\omega,n \geqslant 0

现在计算能量二阶修正:

En(2)=∑m≠n∣⟨n∣bx3∣m⟩∣2(n−m)ℏω=ℏ2b28μ3ω4(13(n−2)(n−1)nθ(n−3)+9n3θ(n−1)−9(n+1)3−13(n+3)(n+2)(n+1))=ℏ2b28μ3ω4(13(n−2)(n−1)n+9n3−9(n+1)3−13(n+3)(n+2)(n+1))=−15ℏ2b24μ3ω4(n2+n+1130)\begin{aligned} E_n^{(2)} &= \sum_{m\neq n}\frac{|\langle n|bx^3|m\rangle|^2}{(n-m)\hbar\omega}\\ &= \frac{\hbar^2b^2}{8\mu^3\omega^4}(\frac{1}{3}(n-2)(n-1)n\theta(n-3) + 9n^3\theta(n-1) - 9(n+1)^3 - \frac{1}{3}(n+3)(n+2)(n+1))\\ &= \frac{\hbar^2b^2}{8\mu^3\omega^4}(\frac{1}{3}(n-2)(n-1)n + 9n^3- 9(n+1)^3 - \frac{1}{3}(n+3)(n+2)(n+1))\\ &= -\frac{15\hbar^2b^2}{4\mu^3\omega^4}(n^2+n+\frac{11}{30})\\ \end{aligned}


简并微扰论

接下来我们考虑简并微扰论。

我们现在用下标 mm 表示简并态,下标 kk 表示非简并态。那么根据非简并微扰论的结果,将有:

am≫aka_m \gg a_k

即考虑微扰后的态将成为具有相同能量的简并态的线性组合。即只在简并子空间内进行混合。

那么得到:

ψn=∑nαanα(0)ψnα(0)+∑kak(1)ψk(0)≈∑nαanα(0)ψnα(0)\begin{aligned} \psi_n &= \sum_{n_{\alpha}} a_{n_{\alpha}}^{(0)} \psi_{n_{\alpha}}^{(0)} + \sum_{k} a_{k}^{(1)}\psi_k^{(0)}\\ &\approx \sum_{n_{\alpha}}a_{n_{\alpha}}^{(0)}\psi_{n_{\alpha}}^{(0)} \end{aligned}

零阶方程给出不考虑微扰时的本征能量:

H0ψα(0)=En(0)ψα(0)H_0\psi_{\alpha}^{(0)} = E_n^{(0)}\psi_{\alpha}^{(0)}

一阶方程可以从下式中得到:

(H0+H1)(∑αaα(0)ψα(0)+ψn(1))=(En(0)+En(1))(∑αaα(0)ψα(0)+ψn(1))(H_0+H_1)(\sum_{\alpha}a_{\alpha}^{(0)}\psi_{\alpha}^{(0)} + \psi_n^{(1)}) = (E_n^{(0)} + E_n^{(1)})(\sum_{\alpha}a_{\alpha}^{(0)}\psi_{\alpha}^{(0)} + \psi_n^{(1)})

那么令左右两边的一阶项相等,有:

H0ψn(1)+H1∑αaα(0)ψα(0)=En(0)ψn(1)+En(1)∑αaα(0)ψα(0)H_0\psi_n^{(1)} + H_1\sum_{\alpha}a_{\alpha}^{(0)}\psi_{\alpha}^{(0)} = E_n^{(0)}\psi_n^{(1)} + E_n^{(1)}\sum_{\alpha}a_{\alpha}^{(0)}\psi_{\alpha}^{(0)}

用 Dirac 符号写为:

H0∣ψn(1)⟩+H1∑αaα(0)∣ψα(0)⟩=En(0)∣ψn(1)⟩+En(1)∑αaα(0)∣ψα(0)⟩H_0|\psi_n^{(1)}\rangle + H_1\sum_{\alpha}a_{\alpha}^{(0)}|\psi_{\alpha}^{(0)}\rangle = E_n^{(0)}|\psi_n^{(1)}\rangle + E_n^{(1)}\sum_{\alpha}a_{\alpha}^{(0)}|\psi_{\alpha}^{(0)}\rangle

左右两边同时作用 ⟨ψβ(0)∣\langle \psi^{(0)}_\beta|,取内积得到:

∑α⟨β∣H1∣α⟩aα(0)=En(1)aβ(0)\sum_{\alpha}\langle\beta |H_1|\alpha\rangle a_{\alpha}^{(0)} = E_n^{(1)}a_{\beta}^{(0)}

可以写做:

∑α(⟨β∣H1∣α⟩−En(1)δαβ)aα(0)=0(12)\sum_{\alpha}(\langle\beta |H_1|\alpha\rangle - E_n^{(1)}\delta_{\alpha\beta} )a_{\alpha}^{(0)} = 0\tag{12}

于是求解考虑微扰后的能级成为求解以上本征值问题。

对于二阶简并微扰来说,可以从下述方程求解能量 En(2)E_n^{(2)}:

det⁡∣∑Em(0)≠En(0)⟨β∣H1∣n⟩⟨m∣H1∣α⟩En(0)−Em(0)−En(2)δαβ∣=0(13)\det|\sum_{E_m^{(0)}\neq E_n^{(0)}}\frac{\langle\beta|H_1|n\rangle\langle m|H_1|\alpha\rangle}{E_n^{(0)}-E_m^{(0)}} - E_n^{(2)}\delta_{\alpha\beta}| = 0\tag{13}


我们来以一个具有两重简并的系统为例。考虑具有能量相同的 ∣0⟩,∣1⟩|0\rangle,|1\rangle 两态:

H0∣0⟩=E0∣0⟩H0∣1⟩=E0∣1⟩\begin{aligned} H_0|0\rangle = E_0|0\rangle\\ H_0|1\rangle = E_0|1\rangle\\ \end{aligned}

引入微扰 H1H_1:

H1=(αγeiθγe−iθβ)H_1 = \begin{pmatrix} \alpha & \gamma e^{i\theta}\\ \gamma e^{-i\theta} & \beta\\ \end{pmatrix}

使用一阶简并微扰论计算 ΔE\Delta E,我们需要求解以下方程:

∣α−ΔEγeiθγe−iθβ−ΔE∣=0\begin{vmatrix} \alpha -\Delta E & \gamma e^{i\theta}\\ \gamma e^{-i\theta} & \beta-\Delta E \\ \end{vmatrix} = 0

解得:

ΔE±=12[(α+β)±(α−β)2+4γ2]\Delta E_{\pm} = \frac{1}{2}[(\alpha+\beta) \pm \sqrt{(\alpha-\beta)^2 + 4\gamma^2}]

因此得到本征能量为:

E±=E0+ΔE±E_{\pm} = E_0 + \Delta E_{\pm}

对应的本征矢为:

∣±⟩=γγ2+(ΔE±−α)2[∣0⟩+ΔE±−αγe−iθ∣1⟩]|\pm\rangle = \frac{\gamma}{\sqrt{\gamma^2 + (\Delta E_{\pm} - \alpha)^2}} [|0\rangle + \frac{\Delta E_{\pm} - \alpha}{\gamma}e^{-i\theta}|1\rangle]

变分原理

很多时候,相互作用不能看作一个小量,此时微扰论不能很好的发挥作用,解析的求出本征波函数和本征能量不是很现实。现在,在很多有关量子力学体系的数值计算中,我们可以根据变分原理去猜一个试探解,通过不断迭代、优化,能够很好的去计算本征能量了。现在我们来看这件事情。

变分原理 Variational principle 的表述如下:

泛函 E[ψ]=⟨ψ∣H∣ψ⟩⟨ψ∣ψ⟩E[\psi] = \frac{\langle \psi|H|\psi\rangle}{\langle \psi|\psi\rangle} 只有当 ∣ψ⟩|\psi\rangle 为 HH 的本征态时取极值。

不难证明:

δE[ψ]=⟨ψ+δψ∣H∣ψ+δψ⟩⟨ψ+δψ∣ψ+δψ⟩−⟨ψ∣H∣ψ⟩⟨ψ∣ψ⟩=⟨ψ∣H∣ψ⟩+⟨δψ∣H∣ψ⟩+⟨ψ∣H∣δψ⟩⟨ψ∣ψ⟩+⟨δψ∣ψ⟩+⟨ψ∣δψ⟩−⟨ψ∣H∣ψ⟩⟨ψ∣ψ⟩=⟨ψ∣H∣ψ⟩+⟨δψ∣H∣ψ⟩+⟨ψ∣H∣δψ⟩⟨ψ∣ψ⟩[1−⟨δψ∣ψ⟩+⟨ψ∣δψ⟩⟨ψ∣ψ⟩]−⟨ψ∣H∣ψ⟩⟨ψ∣ψ⟩=⟨δψ∣H∣ψ⟩+⟨ψ∣H∣δψ⟩⟨ψ∣ψ⟩−⟨ψ∣H∣ψ⟩⟨δψ∣ψ⟩+⟨ψ∣δψ⟩⟨ψ∣ψ⟩=1⟨ψ∣ψ⟩[⟨δψ∣H−Eψ∣ψ⟩+⟨ψ∣H−Eψ∣δψ⟩]\begin{aligned} \delta E[\psi] &= \frac{\langle \psi + \delta\psi|H|\psi + \delta\psi\rangle}{\langle \psi + \delta\psi|\psi + \delta\psi\rangle} - \frac{\langle \psi|H|\psi\rangle}{\langle \psi|\psi\rangle}\\ &= \frac{\langle \psi|H|\psi\rangle + \langle \delta \psi|H|\psi\rangle + \langle \psi|H|\delta\psi\rangle}{\langle \psi|\psi\rangle + \langle \delta\psi|\psi\rangle + \langle \psi|\delta\psi\rangle} - \frac{\langle \psi|H|\psi\rangle}{\langle \psi|\psi\rangle}\\ &= \frac{\langle \psi|H|\psi\rangle + \langle \delta \psi|H|\psi\rangle + \langle \psi|H|\delta\psi\rangle}{\langle \psi|\psi\rangle}[1-\frac{\langle \delta\psi|\psi\rangle + \langle \psi|\delta\psi\rangle}{\langle \psi|\psi\rangle}] - \frac{\langle \psi|H|\psi\rangle}{\langle \psi|\psi\rangle}\\ &= \frac{\langle \delta \psi|H|\psi\rangle + \langle \psi|H|\delta\psi\rangle}{\langle \psi|\psi\rangle} - \langle \psi|H|\psi\rangle\frac{\langle \delta\psi|\psi\rangle + \langle \psi|\delta\psi\rangle}{\langle \psi|\psi\rangle}\\ &= \frac{1}{\langle\psi|\psi\rangle}[\langle \delta\psi|H-E_{\psi}|\psi\rangle + \langle \psi|H-E_{\psi}|\delta\psi\rangle] \end{aligned}

其中:

Eψ≡⟨ψ∣H∣ψ⟩E_{\psi} \equiv \langle\psi|H|\psi\rangle

当 ψ\psi 为 HH 的本征态时有:

(H−Eψ)∣ψ⟩=0⟨ψ∣(H−Eψ)=0(14)\begin{aligned} (H-E_{\psi})|\psi\rangle = 0\\ \langle \psi|(H-E_{\psi}) = 0\\ \end{aligned}\tag{14}

此时有:

δE[ψ]=0(15)\delta E[\psi] = 0\tag{15}

反过来,由 δψ\delta \psi 的任意性,也可以得到当 δE[ψ]=0\delta E[\psi] = 0 时,ψ\psi 必定为 HH 的本征态,即:

δE[ψ]=0⟺Hψ=Eψψ(16)\delta E[\psi] = 0 \Longleftrightarrow H\psi = E_{\psi}\psi \tag{16}

因此,我们通过尝试不同的试探波函数 ψ\psi,使得系统的能量尽可能地低,那么该试探波函数就会越接近系统的基态波函数。