1. 引言
Dirac算子又称为AKNS算子,在描述量子力学中的能量和原子的内力问题中至关重要。Dirac算子的谱性质是算子谱理论的重要组成部分,诸多学者对此进行了一系列研究,并取得了一些优秀研究成果[1]-[4]。近些年,越来越多的学者对内部具有不连续点的Dirac算子的谱性质进行了研究[5]-[11]。如:2013年,Tharwat M. M.等人在文献[5]中研究了内部具有一个不连续点的Dirac系统,首先讨论了边值问题的特征值和特征函数的部分性质,然后得到了格林矩阵和扩张定理。2018年,袁兆年在其硕士论文[6]中考虑了内部具有一个不连续点且两个边界条件均含谱参数的Dirac算子的谱问题,证明了算子的自伴性,讨论了其特征值和特征函数的性质,给出了格林函数和预解算子。
本文拟在上述研究的基础上,将[6]中的一个不连续点推广为两个不连续点,考虑一类内部具有两个不连续点且边界条件依赖谱参数的Dirac算子的谱性质,即考虑如下由(1)~(7)构成的Dirac系统
(1)
其中
为定义在
上的实值连续函数,
是谱参数,
满足边界条件
(2)
(3)
在间断点
处满足转移条件
(4)
(5)
(6)
(7)
其中均为实数,且假设边界条件中的参数满足
转移条件中的参数满足
若对某个
,使得
是方程(1)的非平凡解,且满足边界条件(2),(3)和转移条件(4)~(7),则称
是问题(1)~(7)的一个特征值,相应的非平凡解
称为对应于特征值
的一个特征函数。
2. 算子公式
若
对于任意的
,
,在
内定义内积为
易知
是完备的。
定义
对于任意的,,在
内定义内积为
可知
是一个完备的内积空间。
为了方便描述,我们引入以下符号
由边界条件可知:
,
。
在Hilbert空间
中定义算子
,其定义域为
并满足
因此,我们所考虑的问题(1)~(7)就可改写为如下算子形式
。
此时,问题(1)~(7)的特征值与算子
的特征值一致,且特征函数为算子
相应特征函数的第一个分量。
定理2.1 算子
的定义域
在
中稠密,即
。
证明 设 (其中
)且
,则只需要证明
。
令
表示如下函数集合
其中
,
。因为
在
中稠密,即
,于是有
,故对于任意的 (其中
),根据内积的定义有
又因为
,所以
,从而
。因而对于任意的,根据内积的定义有
又因为
均大于零且是任取的,所以。因此
,故定理得证。
定理2.2 算子
是自伴的。
证明 令,,定义
和
的朗斯基行列式为
根据内积和算子
的定义,我们有
(8)
由转移条件(4)~(7),可得
(9)
(10)
并且容易得到
(11)
(12)
将(9)~(12)代入(8)即可得
,故算子
是对称的。
下面只需证明:对于任意的
,若
成立,则
且
,其中,,
,
。
要证如上结论成立,即要证如下七条成立:(i)
,且
;(ii)
;(iii)
;(iv)
;(v)
;(vi)
;(vii)
。
对于任意的
,有
,根据内积的定义,可得
,显然(i)成立。
因为
是对称算子,所以有
,由(i)的证明过程又可知
,故
,即(v)成立。
通过(v)可知,对于任意的
,
可表示为
(13)
又由于
(14)
故结合(13)和(14)可得
(15)
再由Naimark patching lemma可得,存在
,使得
此时
将上述式子代入(15),可得
进一步有
,即(ii)得证。运用同样的方法,我们可以证明
成立,即(vi)得证。类似的,运用Naimark patching lemma可得(iii),(iv),(vii)成立。因此
是自伴算子。
由定理2.2易得如下两推论成立。
推论2.1 问题(1)~(7)的特征值均是实的。
推论2.2 问题(1)~(7)的对应于不同特征值
的特征函数
和
在如下意义下是正交的,即
3. 基本解及特征值的性质
我们构造(1)的两个基本解
其中
为(1)在
上满足初始条件
的解;
为(1)在
上满足初始条件
的解,这里
,
;
为(1)在
上满足初始条件
的解,这里
,
。
类似的,
为(1)在
上满足初始条件
的解;
为(1)在
上满足初始条件
的解;
为(1)在
上满足初始条件
的解。
下面考虑朗斯基行列式。易知对于任意的
,
,
和
均是关于
的整函数。
定理3.1 对于每一个
,等式
成立。
证明 根据
的定义及转移条件可得结论成立。
下面,我们记
定理3.2
是问题(1)~(7)的一个特征值,当且仅当
是
的零点,即
。
证明(必要性) 设
是问题(1)~(7)的一个特征值,
是
对应的特征函数。
令
则
至少有一个不为零,下面用反证法证明
。
假设
,即
,则由
满足边界条件(2),且
成立,可得
又因为
,所以
。同理,
满足边界条件(3),且
成立,可得
。
又因为
满足转移条件(4),(5),故可得
又
从而得
又因为
,所以
,
。
同理,因为
满足转移条件(6),(7),类似的可得
。
综上可得,
,这与
至少有一个不为零矛盾,故
。
(充分性) 令
,又因为
都不等于0,故可得
,
,所以存在
,使得
,其中
。从而可得,
满足边界条件(3),
满足边界条件(2)。又因为
和
都满足转移条件(4)~(7),故
和
是特征值
对应的特征函数。
定理3.3 问题(1)~(7)的特征值是单重的。
证明 设
是问题(1)~(7)的任一解,则有
对上式两端关于
求导,可得
其中,
是
对
求偏导。
由推论2.1可知,问题(1)~(7)的特征值均是实的,则对于任意的两个解
和
,有
(16)
通过分部积分,并进一步整理得
(17)
由
的定义和(16),(17),可得
(18)
设
是问题(1)~(7)的特征值,则有
。因此存在非零常数
,使得
,由转移条件可得
,且有
。
因为
都是实的,
均大于零,方程(18)变为
因此,问题(1)~(7)的特征值
是单重的。
4. 格林函数和预解算子
这部分我们将考虑问题(1)~(7)的Green函数和预解算子。
设
不是
的特征值。显然算子方程
等价于如下Dirac系统
(19)
和边界条件
(20)
(21)
以及转移条件(4)~(7)构成的问题。下面我们运用常数变易法来进行求解。
引理4.1 [6]若
为线性齐次方程组
的一个基本解矩阵,则线性非齐次方程组
的通解为
(22)
这里
为任意的常变量,
和
是定义在含
的某一区间上的连续函数。
上述(19)等价于如下方程组
由于
不是
的特征值,故
和
在
上构成的朗斯基行列式
,所以构成了(1)的一个基本解矩阵。当
时,对应的基本解矩阵为
,其逆矩阵为
,在(22)中取
,此时(19)的解为
(23)
将上式代入
点的边界条件(20),得
。
当
时,在(22)中取
,此时(19)的解为
(24)
当
时,在(22)中取
,此时(19)的解为
(25)
将上式代入
点的边界条件(21),得
。
接下来考虑转移条件(4)~(7)。将
和
分别代入(23)和(25)。由转移条件(4),(5)可知
,进一步有
(26)
由转移条件(6),(7)可知
,进一步有
(27)
求解(26)和(27),可得
。
将上述求得的
代入解的表达式,我们即可得到(19)满足边界条件(20),(21)以及转
移条件(4)~(7)的解
,将其写成分量
的形式,如下所示


若令
,其中
又因为
则可得
(28)
另一方面,把
看作是积分变量,我们有
(29)
类似可得
(30)
将(29),(30)代入(28),等式(28)又可表示为
(31)
现在定义
此时,(31)可表示为
故预解算子
可表示为如下形式
5. 总结与展望
在文献[6]的基础上,本文研究了一类内部具有两个不连续点且边界条件均含谱参数的Dirac算子。分析了该算子的特征值的性质,给出了问题的格林函数和预解算子。本文将内部不连续点的个数从一个推广到两个,丰富了微分算子的谱理论。今后也可以进一步研究内部不连续点多于两个的情形。
基金项目
国家自然科学基金资助项目(12261066),内蒙古自然科学基金(2017MS(LH)0103, 2023LHMS01015)。
NOTES
*通讯作者。