Advances in Applied Mathematics
Vol. 08  No. 06 ( 2019 ), Article ID: 30638 , 8 pages
10.12677/AAM.2019.86122

Localization for Quasi-Periodic Operators with Two Parameters

Jun Wang

Department of Mathematics and Physics, Hohai University Changzhou Campus, Changzhou Jiangsu

Received: May 12th, 2019; accepted: May 29th, 2019; published: Jun. 5th, 2019

ABSTRACT

The main purpose of this paper is to prove localization for a kind of quasi-periodic operators ( H ( θ , λ , ω ) u ) ( n ) = a ( n ) u ( n + 1 ) + a ( n 1 ) u ( n 1 ) + v ( n ) u ( n ) , where | λ 1 | < 1 , | λ 2 | < 1 , Diophantine number ω , full measured θ T and a ( n ) = λ 1 + λ 2 c o s 2 π ( θ + ( n + 1 2 ) ω ) , v ( n ) = 2 c o s 2 π ( n ω + θ ) .

Keywords:Localization, Lyapunov Index, Quasi-Periodic

一类双参数拟周期算子的局域化问题

王均

河海大学(常州),基础学部数理部,江苏 常州

收稿日期:2019年5月12日;录用日期:2019年5月29日;发布日期:2019年6月5日

摘 要

本文考虑了一类双参数拟周期算子: ( H ( θ , λ , ω ) u ) ( n ) = a ( n ) u ( n + 1 ) + a ( n 1 ) u ( n 1 ) + v ( n ) u ( n ) 其中 a ( n ) = λ 1 + λ 2 c o s 2 π ( θ + ( n + 1 2 ) ω ) , v ( n ) = 2 c o s 2 π ( n ω + θ ) ω 是Diophantine数,利用改进的局域化方法证明了,当 | λ 1 | < 1 , | λ 2 | < 1 ,对全测的 θ T ,该算子 H θ , λ , ω 有Anderson局域化。

关键词 :局域化,Lyapunov指数,拟周期

Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 研究背景

局域化是凝聚态物理所关心的重要问题之一。它描述了晶体被掺入杂质后,晶格周期性被破坏,Bloch电子波函数不再扩展在整个晶体中,而是局域在杂质周围,在空间中按指数形式衰减的一种现象。是由Anderson在1958年提出的,故称为Anderson局域化。数学上,Anderson局域化是指:算子的谱集是纯点谱,而且要求特征向量具有指数衰减性。

从上个世纪七十年代开始,很多物理学家和数学家围绕一类最简单的Almost Mathieu算子的谱问题进行研究,得到了包括谱类型,谱结构,谱测度等丰富的结论,详见文献 [1] [2] [3] [4] 。在著名的Aubry-Andre猜想中,详见文献 [5] ,局域化的结论期望对所有的 | λ | > 1 ,所有的无理数 ω 和所有的 θ 都成立,但被指出不成立,因为Avron-Simon在文献 [6] 中指出 | λ | > 1 ω 是Liouville,对所有的 θ ,算子具有纯奇异连续谱。之后Jitomirskaya-Simon在文献 [7] 指出当 | λ | > 1 ω 是无理数,对通有的 θ ,具有纯奇异连续谱。所以,这个局域化的猜想只能期望对全测的 ω 和全测的 θ 成立,最近Jitomirskaya在文献 [8] 中证明了, ω 是Diophantine数,对全测的 θ | λ | > 1 具有Anderson局域化,这是最优的结果。受此启发,我们考虑比Almost Mathieu算子更具一般性的的Jacobi算子如下:

( H ( θ , λ , ω ) u ) ( n ) = a ( n ) u ( n + 1 ) + a ( n 1 ) u ( n 1 ) + v ( n ) u ( n ) , (1.1)

其中 a ( n ) = λ 1 + λ 2 cos 2 π ( θ + ( n + 1 2 ) ω ) , v( n )=2cos2π( nω+θ ), ω\,λ=( λ 1 , λ 2 ) 2 ,θT=/

特别当 λ 2 = 0 时,就回到经典Almost-Mathieu算子的情形。

本文的主要研究成果如下:

定理1:对上述的双参数拟周期算子 H θ , λ , ω ,当 ω 是Diophantine数, | λ 1 | < 1 , | λ 2 | < 1 ,对全测的 θ T H θ , λ , ω 具有Anderson局域化。

2. 理论基础

在这一部分,我们会介绍几个定义和引理。

定义2.1:如果存在 c ( ω ) > 0 , 1 < τ ( ω ) < 对所有的 0 k | sin π k ω | > c ( ω ) / | k | τ ( ω ) 则称 ω 满足Diophantine条件,记为 ω D C ( c , τ )

定义2.2: Θ k ( ω , α ) = { θ : j , | j | < 3 k α , | sin π ( 2 θ + j ω ) | < e k 2 τ } , Θ ( ω , α ) = lim sup Θ k ( ω , α )

如果 θ Θ ( ω , α ) θ 为共振相位。

下面设 A ( θ + n ω ) = 1 a ( n ) ( E v ( n ) a ( n 1 ) a ( n ) 0 ) , A n ( θ ) = k = n 1 A ( θ + n ω ) , P n ( θ ) = det ( H θ , λ , ω E | [ 1 , n ] )

由于底空间旋转是拟周期,根据Birkhoff遍历定理,可以定义系统(1.1)的Lyapunov指数:

L ( E ) = lim n 1 n 0 1 ln A n ( θ , E ) d θ . (2.1)

下面运用Lyapunov指数给出 P n ( θ ) 的下界,通过计算:

0 < L ( E ) = lim n 1 n 0 1 ln h n ( θ , E ) d θ lim n 1 n 0 1 ln a ( 1 ) a ( n ) d θ : = L ( h ( E ) ) a ˜ ( λ ) , (2.2)

其中

h n ( θ ) : = ( P n ( θ ) a ( 0 ) P n 1 ( θ + ω ) a ( n ) P n 1 ( θ ) a ( 0 ) a ( n ) P n 2 ( θ + ω ) )

a ¯ ( λ ) = { ln λ 2 2 0 λ 1 < λ 2 < 1 ln | λ 2 2 2 ( λ 2 + λ 1 2 λ 2 2 ) | 0 λ 2 λ 1 < 1

可以得到:

a ¯ ( λ ) + L ( E ) = L ( h ( E ) ) 1 n 0 1 ln h n ( θ , E ) d θ ,

e n ( a ¯ ( λ ) + L ( E ) ) max θ ( P n ( θ ) a ( 0 ) P n 1 ( θ + ω ) a ( n ) P n 1 ( θ ) a ( 0 ) a ( n ) P n 2 ( θ + ω ) ) ,

1 4 2 e n ( a ¯ ( λ ) + L ( E ) ) max θ max { | P n ( θ ) | | P n 1 ( θ ) | | P n 1 ( θ + ω ) | | P n 2 ( θ + ω ) | } . (2.3)

K = { k : θ [ 0 , 1 ] , 1 8 2 e ( k + 2 ) a ¯ ( λ ) + k L ( E ) | P n ( θ ) | } ,显然 { k , k + 1 , k + 2 } 中至少有一个属于K。

下面给出 P n ( θ ) 的上界估计:

引理2.3:对所有的 E ω 是无理数, ε > 0 ,则存在 k 3 ( ε , E , ω ) ,使得 k > k 3 ( ε , E , ω ) ,对所有的 θ T ,有:

| P k ( θ , E ) | e k ( L ( h ( E ) ) + ε ) = e k ( a ¯ ( λ ) + L ( E ) + ε ) . (2.4)

证明:根据文献 [8] ,对 ε > 0 ,当 k > K ( θ , ε , E , ω ) 有:

| P k ( θ , E ) | | h k ( θ , E ) | e k ( L ( h ( E ) ) + ε ) 对几乎所有的 θ T 成立。

下面证明只要k充分大,对所有的 θ T 成立。

因为 P k ( θ , E ) = Q ( cos 2 π ( θ + ( k + 1 ) ω 2 ) ) 是关于 cos θ 的k次多项式。

D n = { θ ( 0 , 1 ) : | Q ( cos 2 π θ ) | e k ( L ( h ( E ) ) + ε 2 ) }

| D | 表示D的Lebesgue测度。则当 n , | D | 0 N > 0 , k > N 有:

| D n C | < 1 2 ( 1 c ( e k ( L ( h ( E ) ) + ε ) , e k ( L ( h ( E ) ) + ε 2 ) ) ) . (2.5)

假设存在 θ ,使得 | Q ( cos 2 π θ ) | > e k ( L ( h ( E ) ) + ε )

| { θ ( 0 , 1 ) : | Q ( cos 2 π θ ) | < e k ( L ( h ( E ) ) + ε 2 ) } | c ( e k ( L ( h ( E ) ) + ε ) , e k ( L ( h ( E ) ) + ε 2 ) ) < 1.

从而 | D n C | > 1 c ( e k ( L ( h ( E ) ) + ε ) , e k ( L ( h ( E ) ) + ε 2 ) ) > 0 ,与(2.5)矛盾,从而得证。

3. 局域化的证明

在这部分我们通过改进的局域化方法证明本文的主要结论。

定义3.1:固定 E ,如果存在一个区间 I = [ n 1 , n 2 ] ,满足:

1. k = n 2 n 1 + 1

2. y I

3. | y n i | k 12 , i = 1 , 2

4. | G I ( y , n ) | < e m k 12 ,则称点y是 ( m , k ) 正则,否则称 ( m , k ) 奇异。

下面指出利用 ( m , k ) 奇异点可以构造一串共振相位 θ ,使 | P k ( θ ) | 非常小。

引理3.2: x ( L ( E ) ε , k ) 奇异点, 0 < ε < L ( E ) 2 , k > max { 10 , k 3 ( ε 16 , E , ω ) , k 4 ( ε ) } 则对满足 x [ 9 10 k ] y x [ 9 10 k ] + [ 4 5 k ] 的y有:

| P k ( θ + ( y 1 ) 2 ω ) | e k L ( E ) + ( k 1 ) a ¯ ( λ ) k 16 ε . (3.1)

证明:由行列式Cramer法则:

| G I ( x , n 1 ) | = | P n 2 x ( θ + x ω ) P k ( θ + ( n 1 1 ) ω ) | i = n 1 x 1 | a ( i ) | , (3.2)

| G I ( x , n 2 ) | = | P x n 1 ( θ + ( n 1 1 ) ω ) P k ( θ + ( n 1 1 ) ω ) | i = x n 2 1 | a ( i ) | . (3.3)

因为 k > 12 k 3 ( ε 16 , E , ω ) , x n 1 , n 2 x > k 3 ( ε 16 , E , ω ) ,根据引理2.3得到:

| P n 2 y ( θ , E ) | e ( n 2 x ) ( L ( E ) + a ¯ ( λ ) + ε 16 ) e 9 10 k L ( E ) + ( n 2 x ) ( a ¯ ( λ ) + ε 16 ) ,

| P x n 1 ( θ , E ) | e 9 10 k L ( E ) + ( x n 1 ) ( a ¯ ( λ ) + ε 16 ) .

因为 x n 1 , n 2 x > 12 k 4 ,且满足:

x n 1 , n 2 x > 12 k 4

我们有

i = n 1 x 1 | a ( i ) | e ( x n 1 ) ( a ¯ ( λ ) + ε 16 ) , i = x n 2 1 | a ( i ) | e ( n 2 x ) ( a ¯ ( λ ) + ε 16 ) . (3.4)

将(3.2)和(3.3)代入下式有:

| P k ( θ + ( n 1 1 ) ω ) | | P n 2 x ( θ + x ω ) | e k L ( E ) ε 12 i = n 1 x 1 | a ( i ) | e 9 10 k L ( E ) + ( n 2 x ) ( a ¯ ( λ ) + ε 16 ) L ( E ) ε 12 k + ( x n 1 ) ( a ¯ ( λ ) + ε 16 ) e k L ( E ) + ( k 1 ) a ¯ ( λ ) k 16 ε .

构造:

θ j = { θ + ( ξ 1 + [ 4 5 k ] [ 1 3 k ] + k 1 2 + j ) ω j = 0 , , [ 1 3 k ] θ + ( ξ 2 + [ 4 5 k ] k 1 2 + j ) ω j = [ 1 3 k ] + 1 , , k (3.5)

得到:

| Q k ( cos 2 π θ j ) | = | P k ( θ j k + 1 2 ω ) | < e k L ( E ) + ( k 1 ) a ¯ ( λ ) k 16 ε . (3.6)

使用拉格朗日插值得到:

| Q k ( z ) | = | j = 0 k Q k ( cos 2 π θ j ) i j | z cos 2 π θ i | i j | cos 2 π θ j cos 2 π θ i | | . (3.7)

定义3.3:如果 { θ 1 , , θ k } 满足:

max x [ 1 , 1 ] max 0 j k i j | z cos 2 π θ i | i j | cos 2 π θ j cos 2 π θ i | e k ε

则称 { θ 1 , , θ k } ε 一致分布的。

下面证明(3.5)中构造的 { θ j } ε -一致分布。

引理3.4:设 ω 满足Diophantine条件, d < k α , 1 < α < 2 , θ Θ c ( x 1 , ω , α )

对任意的 ε > 0 ,存在 k 6 ( ε , ω , α ) k > k 6 ( ε , ω , α ) { θ j } ε -一致分布。

证明:令

I 1 = i j | z cos 2 π θ i | , I 2 = i j | cos 2 π θ j cos 2 π θ i | ,

结合(3.5)和根据文献 [8] ,当 k > N ( ε 3 ) ,有

ln | I 1 | = ln | i j ( z cos 2 π θ i ) | ( k + 1 ) ( 0 1 ln | z cos 2 π θ | d θ + ε 3 ) = ( k + 1 ) ( ln 2 + ε 3 ) , (3.8)

ln | I 2 | = ln | i j ( cos 2 π θ j cos 2 π θ i ) | = i j ln | cos 2 π θ j cos 2 π θ i | ( k + 1 ) ( 0 1 ln | cos 2 π θ j cos 2 π θ | d θ ε 3 ) + 2 D ( ω ) ( k + 1 ) 1 1 τ ( ω ) ln { ( k + 1 ) min i j | cos 2 π θ j cos 2 π θ i | } = ( k + 1 ) ( ln 2 + ε 3 ) + 2 D ( ω ) ( k + 1 ) 1 1 τ ( ω ) ln { ( k + 1 ) min i j | cos 2 π θ j cos 2 π θ i | } . (3.9)

下面对 min i j | cos 2 π θ j cos 2 π θ i | = 2 min i j | sin π ( θ j + θ i ) | | sin π ( θ j θ i ) | 进行估计:

| sin π ( θ j + θ i ) |

1) 当 j , i { 0 , , [ k 3 ] } ,有 θ j + θ i = 2 ( θ + ( x 1 + [ 4 5 k ] [ 1 3 k ] [ 9 10 k ] + i + j + k 1 2 ) ω )

2) 当 j , i { [ k 3 ] + 1 , , k } ,有 θ j + θ i = 2 ( θ + ( x 1 + [ 4 5 k ] [ 9 10 k ] + d + i + j + k 1 2 ) ω )

综上, ω 的系数分子 < 2 d + 4 5 k + 1 所以 j , i { 0 , 1 , , k } ,有

| sin π ( θ i + θ j ) | > e ( 2 d + 4 5 k + 1 ) 1 2 τ ( ω )

| sin π ( θ i θ j ) |

1) 当 j , i { 0 , , [ k 3 ] } ,有 θ j θ i = ( j i ) ω

2) 当 j { 0 , , [ k 3 ] } , i { [ k 3 ] + 1 , , k } θ j θ i = ( d [ k / 3 ] + k 1 + j i ) ω

综上,都有 | θ j θ i | < d + k 3 + 1 所以 | sin π ( θ i θ j ) | > c ( ω ) ( d + k 3 + 1 ) τ ( ω )

从而得到:

min i j | cos 2 π θ j cos 2 π θ i | 2 c ( ω ) ( d + k 3 + 1 ) τ ( ω ) e ( 2 d + 4 5 k + 1 ) 1 2 τ ( ω ) . (3.10)

将(3.8)和(3.9)代入得到:

ln | I 1 | | I 2 | 2 3 ( k + 1 ) ε + 2 D ( ω ) ( k + 1 ) 1 1 τ ( ω ) ln ( k + 1 ) + ( 2 d + 3 4 k + 1 ) 1 2 τ ( ω ) ln ( 2 c ( ω ) ( d + k 3 + 1 ) τ ( ω ) ) = 2 3 ( k + 1 ) ε + o ( k ) k ε .

故存在 k 6 ( ε , ω , α ) k > k 6 ( ε , ω , α ) 就有 | I 1 | | I 2 | e k ε

我们将利用下面的引理完成定理1的证明:

引理3.5:当 ω D C ( c , τ ) , 0 λ 1 < 1 , 0 λ 2 < 1 , θ Θ c ( x , ω , α ) , 0 < ε < L ( E ) 2 , 1 < α < 2

k 2 ( θ , x , α ) ,对 k > k 2 ( θ , x , α ) ,如果 x , y 同时 ( L ( E ) ε , k ) 奇异,并且 | x y | > 4 5 k 那么有 | x y | > ( k 2 ) α

证明:取 θ Θ c ( x , ω , α ) k = max { 12 k 3 ( ε 16 , E , ω ) , 12 k 4 ( ε ) , k 5 ( x , θ , ω ) , k 6 ( ε 32 , ω , α ) , 120 }

k K k > k ¯ θ ¯ ,满足 | P k ( θ ¯ ) | e k L ( E ) + ( k + 2 ) a ¯ ( λ ) 10 2 z ¯ = cos 2 π ( θ ¯ + ( k + 1 ) ω 2 ) 。则 P k ( θ ¯ ) = Q k ( z ¯ )

假设 d > k α ,根据引理3.2和(3.6),得到:

e k L ( E ) + ( k + 2 ) a ¯ ( λ ) 10 2 | P k ( θ ¯ ) | ( k + 1 ) e k L ( E ) + ( k 1 ) a ¯ ( λ ) ε 32 ,

显然 k 7 ( ε ) ,当 k > k 7 ( ε ) 不等式不成立,矛盾,从而与假设 d > k α 不成立。

k > max { k 7 , k ¯ } k K 如果 x , y 都是 ( L ( E ) ε , k ) 奇异点,并且 | x y | > 4 5 k

| x y | > k α 由于 { k , k 1 , k 2 } K ,设 k > max { k 7 , k ¯ } + 2 k 2 , k 1 , k > max { k 7 , k ¯ } 那么 | x y | > 4 5 k > 4 5 ( k 1 ) > 4 5 ( k 2 ) 从而完成了重要引理3.4的证明。

最后我们完成定理1的证明。

E ( θ ) u E ( x ) 是算子 H θ , λ , ω 的广义特征值和对应的广义特征向量。不失一般性,可设 u E ( 0 ) 0 (因为广义特征向量非零,总可取到非零的分量)。根据引理3.2,可以取 ε ,使当 0 < ε < L ( E ) 2 | x | > max { k 1 ( L ( E ) ε , 0 ) , k 2 ( θ , 0 , ε , 3 2 ) } + 2 k = | x | 有0是 ( L ( E ) ε , k ) 奇异点,由于 4 5 k < | x | < k 3 2 根据引理3.2,x一定是 ( L ( E ) ε , k ) 正则的,则存在区间 I = [ n 1 , n 2 ] ,格林函数满足:

| G I ( x , n 1 ) | < e L ( E ) ε 12 k , | G I ( x , n 2 ) | < e L ( E ) ε 12 k .

其中 x n 1 > k 12 , n 2 x > k 12

由于特征向量表示得到:

| u ( x ) | | a ( n 1 1 ) | | u ( n 1 1 ) | | G I ( x , n 1 ) | + | a ( n 2 ) | | u ( n 2 ) | | G I ( x , n 2 ) | C ( | n 1 | + | n 2 | ) e 1 12 ( L ( E ) ε ) k C e 1 16 ( L ( E ) ε ) | x | .

显然只要x充分大,不等式成立,得到了指数衰减性,从而定理1得证。

文章引用

王 均. 一类双参数拟周期算子的局域化问题
Localization for Quasi-Periodic Operators with Two Parameters[J]. 应用数学进展, 2019, 08(06): 1064-1071. https://doi.org/10.12677/AAM.2019.86122

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