El método del disparo para problemas de autovalores

En el PVF las condiciones fijaban valores concretos en los bordes (\(y(a)=\alpha\), \(y(b)=\beta\)) y quedaba una sola solución, que el disparo hallaba ajustando la pendiente \(s\). Un problema de autovalores cambia las reglas en dos aspectos: la EDO trae un parámetro libre \(\lambda\), y las condiciones de borde son homogéneas, es decir, piden que la solución valga cero en los extremos, sin fijar ningún valor (\(\gamma=0\); véase condiciones de contorno). Por ejemplo,

\[y'' + \lambda y = 0, \qquad y(a)=y(b)=0.\]

La función \(y\equiv0\) satisface el problema para cualquier \(\lambda\). La pregunta útil es otra: ¿para qué valores de \(\lambda\) existe una solución no nula? Esos valores son los autovalores y las soluciones asociadas, las autofunciones.

¿Por qué aparecen valores aislados y no un continuo? Piensa en una cuerda de guitarra clavada en sus dos extremos. \(\lambda\) fija la longitud de onda con que oscila (más \(\lambda\), ondas más cortas). La cuerda vibra libremente, pero los dos clavos la fijan y la obligan a valer cero justo en \(x=a\) y en \(x=b\). Para casi cualquier \(\lambda\) la onda llega al segundo clavo a media altura y no se puede sujetar. Solo encajan las longitudes de onda en las que cabe un número entero de semiondas entre los extremos. Estos son el modo fundamental (media onda), el siguiente (una onda entera), y así sucesivamente. Esos pocos \(\lambda\) que «afinan» son los autovalores. Esta es la misma razón por la que una cuerda suena en armónicos y no en cualquier tono.

Las condiciones de contorno seleccionan así modos discretos de vibración, difusión o energía.


Qué cambia respecto al disparo habitual

En PVF el disparo ajustaba la pendiente inicial \(s\) hasta que la trayectoria cumpliera el dato del otro extremo. Aquí la EDO ya trae un parámetro \(\lambda\), y son las condiciones homogéneas las que deben «cerrar» solas:

PVF con disparo Problema de autovalores
Incógnita a ajustar pendiente \(s=y'(a)\) parámetro \(\lambda\)
Condición en \(x=b\) \(y(b)=\beta\) (dato) \(y(b)=0\) (homogénea)
Residuo \(F(s)=y(b;s)-\beta\) \(F(\lambda)=y(b;\lambda)\)
¿\(F\) lineal? sí → bastan dos disparos no → barrido + bisección
Raíces una infinitas: \(\lambda_1<\lambda_2<\cdots\)
Amplitud fijada por los datos libre → \(y'(a)=1\) + normalizar

Si la raíz es simple, el error de \(\lambda\) hereda el orden del integrador: con RK4 decrece como \(\mathcal{O}(h^4)\). La alternativa es el MDF de PVF: discretizar \(y''\) produce directamente un problema de autovalores para una matriz tridiagonal.


Ejemplo: partícula en una caja unidimensional

La ecuación de Schrödinger independiente del tiempo para una partícula confinada entre paredes impenetrables es

\[-\frac{\hbar^2}{2m}\,\psi''(x)=E\,\psi(x), \qquad \psi(0)=\psi(L)=0,\]

donde \(\psi\) es la función de onda y \(E\) la energía. Las condiciones expresan que la probabilidad se anula en las paredes.

Forma simplificada

Para concentrarnos en el método tomamos una caja de longitud \(L=1\) y agrupamos las constantes físicas en

\[\lambda=\frac{2mE}{\hbar^2}.\]

Así obtenemos directamente

\[\psi''+\lambda\psi=0, \qquad \psi(0)=\psi(1)=0.\]

Disparo con \(\psi'(0)=1\)

Fijamos la escala provisional y resolvemos, para cada \(\lambda\),

\[\psi''=-\lambda\psi, \qquad \psi(0)=0, \qquad \psi'(0)=1.\]

El residuo es \(F(\lambda)=\psi(1;\lambda)\), la primera componente \(u_1\) del sistema de primer orden de PVF: si la trayectoria llega a cero sobre la pared derecha, \(\lambda\) es un autovalor.

Trayectorias del disparo para tres valores de λ: solo λ = π² termina exactamente en ψ(1) = 0; por debajo llega arriba y por encima pasa de largo

Barrido numérico

Sin conocer solución cerrada, el procedimiento integra el PVI para una sucesión de valores de \(\lambda\) y observa el signo de \(F\):

\(\lambda\) \(F(\lambda)\)
1 \(+0.8415\)
4 \(+0.4546\)
9 \(+0.0470\)
16 \(-0.1892\)

El cambio de signo entre 9 y 16 encierra una raíz. Bisección o secante —evaluando \(F\) siempre mediante el integrador— refinan el intervalo hasta \(\lambda_1\approx9.8696\).

Barrido numérico de F(λ): cada punto es una integración del PVI; los cambios de signo encierran las raíces λ₁, λ₂, λ₃

Al continuar el barrido aparecen las raíces sucesivas \(\lambda_2, \lambda_3, \dots\)

Verificación con la solución cerrada

En este ejemplo particular el PVI admite solución exacta,

\[\psi(x;\lambda)=\frac{\sin(\sqrt{\lambda}\,x)}{\sqrt{\lambda}}, \qquad F(\lambda)=\frac{\sin(\sqrt{\lambda})}{\sqrt{\lambda}},\]

por lo que \(F(\lambda)=0\) cuando \(\sqrt{\lambda}=n\pi\): los autovalores exactos son \(\boxed{\lambda_n=n^2\pi^2}\), con \(n=1,2,3,\dots\) El barrido los reproduce:

\(n\) \(\lambda_n\) numérico \(n^2\pi^2\) exacto nodos interiores
1 9.8696 9.8696 0
2 39.4784 39.4784 1
3 88.8264 88.8264 2

Nada del procedimiento usó la solución exacta: el mismo barrido funciona para \(-\psi''+V(x)\psi=E\psi\), donde en general no hay fórmula cerrada.

Normalización y lectura física

La condición \(\psi'(0)=1\) solo evitó la solución trivial. Para interpretar \(|\psi|^2\) como densidad de probabilidad se impone después

\[\int_0^L|\psi(x)|^2\,dx=1 \quad\Longrightarrow\quad \psi_n(x)=\sqrt{\frac{2}{L}}\sin\!\left(\frac{n\pi x}{L}\right).\]

Al restituir la longitud general \(L\), las energías son

\[E_n=\frac{n^2\pi^2\hbar^2}{2mL^2}.\]

La ecuación admite ondas para cualquier \(E>0\), pero la segunda pared exige que en \(x=L\) haya un nodo. Solo las longitudes de onda que «caben» exactamente en la caja satisfacen ambas paredes: la cuantización aparece al imponer las condiciones de contorno.

Comprueba tu comprensión. ¿Por qué fijar \(\psi'(0)=0\) produciría siempre la solución trivial? Continuando el barrido de la tabla (\(\lambda=1,4,9,16,\dots\)), ¿entre qué par de valores queda encerrada la raíz \(\lambda_2=4\pi^2\approx39.5\)?