多くの問題が自力では解答出来なかったので色々な参考書から関係する部分を抜粋して解答を書いて来た.しかし, 一連の記事を書くとき再度見直していると, 色々間違えているが多くて, それらを修正しながらこのブログに載せている.問題3-10もその一つである. この解答に際しては, H. Kleinert:「Path Integrals in Quantum Mechanics, Statistics, Polymer Physics, and Financial Markets」を参照した.しかし Kleinert の原文にもタイプミスがあると思われたので, 解答を載せる前にそれを示しておこう.
§ 2.18 の式 (2.651) 及び 式 (2.653)は次になっている:
\begin{align*}
\mathcal{A}_e^{N}&=\sum_{n=1}^{N+1}\left\{\mathbf{p}_n(\mathbf{x}_n-\mathbf{x}_{n-1})
-\frac{1}{2M}\left[p_{x n}^{\,2}+(p_{y n}-B x_n)^{2}+p_{z n}^{\,2}\right]\right\}
\tag{1}
\end{align*}
しかし, これらには「$\varepsilon$が抜けている」ようであり, また「$B\to m\omega_{L}$とすべき」であろう.よって次となるべきと思われる:
\begin{align*}
\mathcal{A}_e^{N}=\sum_{n=1}^{N+1}\left\{\mathbf{p}_n(\mathbf{x}_n-\mathbf{x}_{n-1})
-\frac{\varepsilon}{2M}\left[p_{x n}^{\,2}+(p_{y n}-m\omega_L x_n)^{2}+p_{z n}^{\,2}\right]\right\}
\tag{2}
\end{align*}
ただし ,
\begin{equation*}
\varepsilon\equiv t_n-t_{n-1}=\frac{t_b-t_a}{N+1}>0,\quad \omega_L=\frac{e}{Mc}B
\end{equation*}
である.
また同様な理由で式(2.659)も次のように修正すべきであろう:
\begin{align*}
\mathcal{A}_e^{N}&=\sum_{n=1}^{N+1}\left[ p_{x n} (x_n-x_{n-1})-\frac{\varepsilon}{2M}p_{x n}^{\,2}-\frac{\varepsilon}{2M}\left(p_y-\frac{e}{c}B\,x\_n \right)^{2}\right]\\
&=\sum_{n=1}^{N+1}\left[ p_{x n} (x_n-x_{n-1})-\varepsilon\left\{\frac{p_{x n}^{\,2}}{2M}
+\frac{M}{2}\omega_L^{2}\left(x_n-\frac{p_y}{M\omega_L}\right)^{2}\right\}\right]
\tag{2.659'}
\end{align*}
このように言われても kleinert を見ないと, なぜこの式(2)へ修正するべきなのかを判断できないと思うので, 参考のために関係する前後の原文を以下に示しておく.
In the canonical form, the action reads
\begin{align*}
\mathcal{A}[\mathbf{p},\mathbf{x}]&=\int_{t_a}^{t_b}dt\,\left\{\mathbf{p}\cdot\dot{\mathbf{x}}-\frac{1}{2M}
\left[\mathbf{p}-\frac{e}{c}\mathbf{A}(\mathbf{x})\right]^{2}\right\}
\tag{2.641}\\
&\vdots
\end{align*}
The time-sliced form of the canonical action (2.641) reads
\begin{equation*}
\mathcal{A}_e^{N}=\sum_{n=1}^{N+1}\left\{\mathbf{p}_n(\mathbf{x}_n-\mathbf{x}_{n-1})
-\frac{1}{2M}\left[p_{x n}^{\,2}+(p_{y n}-B x_n)^{2}+p_{z n}^{\,2}\right]\right\}
\tag{2.651}
\end{equation*}
and the associated time-evolution amplitude for the particle to run from $\mathbf{x}_a$ to
$\mathbf{x}_b$ is given by
\begin{equation*}
\left(\mathbf{x}_b t_b|\mathbf{x}_a t_a\right)=\prod_{n=1}^{N}\left[\int d^{3}x_n\right]
\prod_{n=1}^{N+1} \left[\int\frac{d^{3}p_n}{(2\pi\hbar)^{3}}\right]
\exp\left(\frac{i}{\hbar}\mathcal{A}_e^{N}\right),
\tag{2.652}
\end{equation*}
with the time-sliced action
\begin{align*}
\mathcal{A}_e^{N}&=\sum_{n=1}^{N+1}\left\{\mathbf{p}_n(\mathbf{x}_n-\mathbf{x}_{n-1})
-\frac{1}{2M}\left[p_{x n}^{\,2}+(p_{y n}-B x_n)^{2}+p_{z n}^{\,2}\right]\right\}
\tag{2.653}\\
&\quad\vdots
\end{align*}
The path integral reduces therefore to
\begin{align*}
&\left(\mathbf{x}_b t_b|\mathbf{x}_a t_a\right)=\int_{-\infty}^{\infty}\frac{dp_y dp_z}{(2\pi\hbar)^{2}}\prod_{n=1}^{N}
\left[\int_{-\infty}^{\infty} dx_n\right] \prod_{n=1}^{N+1}\left[\int \frac{dp_{x n}}{2\pi\hbar}\right]\\
&\quad\times \exp\left\{\frac{i}{\hbar}\left[p_y(y_b-y_a)+p_z(z_b-z_a)-(t_b-t_a)\frac{p^{2}_{z}}{2M}\right]\right\}\exp\left(\frac{i}{\hbar}\mathcal{A}_x^{N}\right),
\tag{2.658}
\end{align*}
where $\mathcal{A}_x^{N}$ is the time-sliced action involving only a one-dimensional path integral over the $x$-component of the path, $x(t)$, with the sliced action
\begin{equation*}
\mathcal{A}_x^{N}=\sum_{n=1}^{N+1}\left[ p_{x n} (x_n-x_{n-1})-\frac{p_{x n}^{\,2}}{2M}
-\frac{1}{2M}\left( p_{y}-\frac{e}{c}B\,x_n \right)^{2}\right]
\tag{2.659}
\end{equation*}
This is the action of a one-dimensional harmonic oscillator with field-dependent frequency $\omega_B$ whose center of oscillation depend on $p_y$ and lies at
$$
x_0=\frac{p_y}{M\omega_L}
\tag{2.660}
$$