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交換子の代数

2026年10月15日2分で読めますAI生成教科書『基礎理論』第1部 第2章 交換子と不確定性関係

AI 生成・木下が未勉強

量子力学入門 第1部 第2章 §1.2.1 ★★ [A,B][A,B] の計算則。

演算子 A^,B^\hat A,\hat B の交換子を [A^, B^]≡A^B^−B^A^\left[\hat A,\,\hat B\right]\equiv\hat A\hat B-\hat B\hat A で定義する。次の代数的性質は定義から直ちに従い、この部全体で繰り返し使う:

[A^, B^]=−[B^, A^],[A^, B^+C^]=[A^, B^]+[A^, C^],[A^, B^C^]=[A^, B^]C^+B^[A^, C^],[A^B^, C^]=A^[B^, C^]+[A^, C^]B^.\begin{align*}&\left[\hat A,\,\hat B\right]=-\left[\hat B,\,\hat A\right],\qquad \left[\hat A,\,\hat B+\hat C\right]=\left[\hat A,\,\hat B\right]+\left[\hat A,\,\hat C\right],\\&\left[\hat A,\,\hat B\hat C\right]=\left[\hat A,\,\hat B\right]\hat C+\hat B\left[\hat A,\,\hat C\right],\qquad \left[\hat A\hat B,\,\hat C\right]=\hat A\left[\hat B,\,\hat C\right]+\left[\hat A,\,\hat C\right]\hat B.\tag{1.2.1}\end{align*}

後半の二式はLeibniz 則(積の微分と同じ形)で、長い交換子計算を機械的に分解する鍵である。量子力学の出発点は正準交換関係

 [x^, p^]=iℏ \boxed{\ \left[\hat x,\,\hat p\right]=\mathrm{i}\hbar\ }

で、位置表示 p^=−iℏ d/dx\hat p=-\mathrm{i}\hbar\,\mathrm{d}/\mathrm{d} x で任意の ψ\psi に作用させれば確かめられる。有用な派生公式として、座標の関数 f(x^)f(\hat x) に対し [p^, f(x^)]=−iℏf′(x^)\left[\hat p,\,f(\hat x)\right]=-\mathrm{i}\hbar f'(\hat x) が成り立つ。

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