Sequence of differential equation solutions
Комплексный цветовой график полинома Лагерра L n(x) с n как -1, разделенным на 9, и x как z в степени 4 от -2-2i до 2+2i В математике полиномы Лагерра , названные в честь Эдмона Лагерра (1834–1886), являются нетривиальными решениями дифференциального уравнения Лагерра:
x
y
″
+
(
1
−
x
)
y
′
+
n
y
=
0
,
y
=
y
(
x
)
{\displaystyle xy''+(1-x)y'+ny=0,\ y=y(x)}
которое представляет собой линейное дифференциальное уравнение . Это уравнение имеет неособые решения только в том случае, если n — целое неотрицательное число.
Иногда название полиномы Лагерра используется для решения задачи
x
y
″
+
(
α
+
1
−
x
)
y
′
+
n
y
=
0
.
{\displaystyle xy''+(\alpha +1-x)y'+ny=0~.}
n по-прежнему является неотрицательным целым числом.
Тогда их еще называют обобщенными полиномами Лагерра , как это будет сделано здесь (альтернативно связанные полиномы Лагерра или, реже, полиномы Сонина , по имени их изобретателя [1] Nikolay Yakovlevich Sonin ).
В более общем смысле, функция Лагерра является решением, когда n не обязательно является неотрицательным целым числом.
Полиномы Лагерра также используются в квадратуре Гаусса – Лагерра для численного вычисления интегралов вида
∫
0
∞
f
(
x
)
e
−
x
d
x
.
{\displaystyle \int _{0}^{\infty }f(x)e^{-x}\,dx.}
Эти полиномы, обычно обозначаемые L 0 L 1 полиномиальную последовательность , которая может быть определена формулой Родригеса :
L
n
(
x
)
=
e
x
n
!
d
n
d
x
n
(
e
−
x
x
n
)
=
1
n
!
(
d
d
x
−
1
)
n
x
n
,
{\displaystyle L_{n}(x)={\frac {e^{x}}{n!}}{\frac {d^{n}}{dx^{n}}}\left(e^{-x}x^{n}\right)={\frac {1}{n!}}\left({\frac {d}{dx}}-1\right)^{n}x^{n},}
Это ортогональные полиномы относительно скалярного произведения.
⟨
f
,
g
⟩
=
∫
0
∞
f
(
x
)
g
(
x
)
e
−
x
d
x
.
{\displaystyle \langle f,g\rangle =\int _{0}^{\infty }f(x)g(x)e^{-x}\,dx.}
Ладейные полиномы в комбинаторике более или менее аналогичны полиномам Лагерра, с точностью до элементарных замен переменных. Далее см. полиномы Трикоми – Карлица .
Полиномы Лагерра возникают в квантовой механике, в радиальной части решения уравнения Шрёдингера для одноэлектронного атома. Они также описывают статические функции Вигнера колебательных систем в квантовой механике в фазовом пространстве . Далее они входят в квантовую механику потенциала Морса и трехмерного изотропного гармонического осциллятора .
Физики иногда используют определение полиномов Лагерра, большее в n раз ! чем используемое здесь определение. (Аналогично некоторые физики могут использовать несколько иные определения так называемых связанных полиномов Лагерра.)
Это первые несколько полиномов Лагерра:
н
L
n
(
x
)
{\displaystyle L_{n}(x)\,}
0
1
{\displaystyle 1\,}
1
−
x
+
1
{\displaystyle -x+1\,}
2
1
2
(
x
2
−
4
x
+
2
)
{\displaystyle {\tfrac {1}{2}}(x^{2}-4x+2)\,}
3
1
6
(
−
x
3
+
9
x
2
−
18
x
+
6
)
{\displaystyle {\tfrac {1}{6}}(-x^{3}+9x^{2}-18x+6)\,}
4
1
24
(
x
4
−
16
x
3
+
72
x
2
−
96
x
+
24
)
{\displaystyle {\tfrac {1}{24}}(x^{4}-16x^{3}+72x^{2}-96x+24)\,}
5
1
120
(
−
x
5
+
25
x
4
−
200
x
3
+
600
x
2
−
600
x
+
120
)
{\displaystyle {\tfrac {1}{120}}(-x^{5}+25x^{4}-200x^{3}+600x^{2}-600x+120)\,}
6
1
720
(
x
6
−
36
x
5
+
450
x
4
−
2400
x
3
+
5400
x
2
−
4320
x
+
720
)
{\displaystyle {\tfrac {1}{720}}(x^{6}-36x^{5}+450x^{4}-2400x^{3}+5400x^{2}-4320x+720)\,}
7
1
5040
(
−
x
7
+
49
x
6
−
882
x
5
+
7350
x
4
−
29400
x
3
+
52920
x
2
−
35280
x
+
5040
)
{\displaystyle {\tfrac {1}{5040}}(-x^{7}+49x^{6}-882x^{5}+7350x^{4}-29400x^{3}+52920x^{2}-35280x+5040)\,}
8
1
40320
(
x
8
−
64
x
7
+
1568
x
6
−
18816
x
5
+
117600
x
4
−
376320
x
3
+
564480
x
2
−
322560
x
+
40320
)
{\displaystyle {\tfrac {1}{40320}}(x^{8}-64x^{7}+1568x^{6}-18816x^{5}+117600x^{4}-376320x^{3}+564480x^{2}-322560x+40320)\,}
9
1
362880
(
−
x
9
+
81
x
8
−
18144
x
7
+
42336
x
6
−
381024
x
5
+
1905120
x
4
−
5080320
x
3
+
6531840
x
2
−
3265920
x
+
362880
)
{\displaystyle {\tfrac {1}{362880}}(-x^{9}+81x^{8}-18144x^{7}+42336x^{6}-381024x^{5}+1905120x^{4}-5080320x^{3}+6531840x^{2}-3265920x+362880)\,}
10
1
3628800
(
x
10
−
100
x
9
+
4050
x
8
−
86400
x
7
+
1058400
x
6
−
7620480
x
5
+
31752000
x
4
−
72576000
x
3
+
81648000
x
2
−
36288000
x
+
3628800
)
{\displaystyle {\tfrac {1}{3628800}}(x^{10}-100x^{9}+4050x^{8}-86400x^{7}+1058400x^{6}-7620480x^{5}+31752000x^{4}-72576000x^{3}+81648000x^{2}-36288000x+3628800)\,}
н
1
n
!
(
(
−
x
)
n
+
n
2
(
−
x
)
n
−
1
+
⋯
+
n
(
n
!
)
(
−
x
)
+
n
!
)
{\displaystyle {\tfrac {1}{n!}}((-x)^{n}+n^{2}(-x)^{n-1}+\dots +n({n!})(-x)+n!)\,}
Первые шесть полиномов Лагерра. Можно также рекурсивно определить полиномы Лагерра, определив первые два полинома как
L
0
(
x
)
=
1
{\displaystyle L_{0}(x)=1}
L
1
(
x
)
=
1
−
x
{\displaystyle L_{1}(x)=1-x}
рекуррентное соотношение для любого k ≥ 1
L
k
+
1
(
x
)
=
(
2
k
+
1
−
x
)
L
k
(
x
)
−
k
L
k
−
1
(
x
)
k
+
1
.
{\displaystyle L_{k+1}(x)={\frac {(2k+1-x)L_{k}(x)-kL_{k-1}(x)}{k+1}}.}
x
L
n
′
(
x
)
=
n
L
n
(
x
)
−
n
L
n
−
1
(
x
)
.
{\displaystyle xL'_{n}(x)=nL_{n}(x)-nL_{n-1}(x).}
При решении некоторых краевых задач могут оказаться полезными характеристические значения:
L
k
(
0
)
=
1
,
L
k
′
(
0
)
=
−
k
.
{\displaystyle L_{k}(0)=1,L_{k}'(0)=-k.}
– Закрытая форма это
L
n
(
x
)
=
∑
k
=
0
n
(
n
k
)
(
−
1
)
k
k
!
x
k
.
{\displaystyle L_{n}(x)=\sum _{k=0}^{n}{\binom {n}{k}}{\frac {(-1)^{k}}{k!}}x^{k}.}
Производящая функция для них также следующая:
∑
n
=
0
∞
t
n
L
n
(
x
)
=
1
1
−
t
e
−
t
x
/
(
1
−
t
)
.
{\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }t^{n}L_{n}(x)={\frac {1}{1-t}}e^{-tx/(1-t)}.}
L
n
(
x
)
=
1
n
!
e
x
d
n
d
x
n
(
x
n
e
−
x
)
{\displaystyle L_{n}(x)={\frac {1}{n!}}e^{x}{\frac {d^{n}}{dx^{n}}}(x^{n}e^{-x})}
Полиномы с отрицательным индексом можно выразить через полиномы с положительным индексом:
L
−
n
(
x
)
=
e
x
L
n
−
1
(
−
x
)
.
{\displaystyle L_{-n}(x)=e^{x}L_{n-1}(-x).}
Для произвольного действительного α полиномиальные решения дифференциального уравнения [2]
x
y
″
+
(
α
+
1
−
x
)
y
′
+
n
y
=
0
{\displaystyle x\,y''+\left(\alpha +1-x\right)y'+n\,y=0}
обобщенными полиномами Лагерра или ассоциированными полиномами Лагерра .
Обобщенные полиномы Лагерра можно также определить рекурсивно, определив первые два полинома как
L
0
(
α
)
(
x
)
=
1
{\displaystyle L_{0}^{(\alpha )}(x)=1}
L
1
(
α
)
(
x
)
=
1
+
α
−
x
{\displaystyle L_{1}^{(\alpha )}(x)=1+\alpha -x}
а затем используя следующее рекуррентное соотношение для любого k ≥ 1
L
k
+
1
(
α
)
(
x
)
=
(
2
k
+
1
+
α
−
x
)
L
k
(
α
)
(
x
)
−
(
k
+
α
)
L
k
−
1
(
α
)
(
x
)
k
+
1
.
{\displaystyle L_{k+1}^{(\alpha )}(x)={\frac {(2k+1+\alpha -x)L_{k}^{(\alpha )}(x)-(k+\alpha )L_{k-1}^{(\alpha )}(x)}{k+1}}.}
Простые полиномы Лагерра являются частным случаем α = 0
L
n
(
0
)
(
x
)
=
L
n
(
x
)
.
{\displaystyle L_{n}^{(0)}(x)=L_{n}(x).}
Формула Родригеса для них имеет вид
L
n
(
α
)
(
x
)
=
x
−
α
e
x
n
!
d
n
d
x
n
(
e
−
x
x
n
+
α
)
=
x
−
α
n
!
(
d
d
x
−
1
)
n
x
n
+
α
.
{\displaystyle L_{n}^{(\alpha )}(x)={x^{-\alpha }e^{x} \over n!}{d^{n} \over dx^{n}}\left(e^{-x}x^{n+\alpha }\right)={\frac {x^{-\alpha }}{n!}}\left({\frac {d}{dx}}-1\right)^{n}x^{n+\alpha }.}
Производящая функция для них равна
∑
n
=
0
∞
t
n
L
n
(
α
)
(
x
)
=
1
(
1
−
t
)
α
+
1
e
−
t
x
/
(
1
−
t
)
.
{\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }t^{n}L_{n}^{(\alpha )}(x)={\frac {1}{(1-t)^{\alpha +1}}}e^{-tx/(1-t)}.}
Первые несколько обобщенных полиномов Лагерра, L n ( к ) ( х ) Явные примеры и свойства обобщенных полиномов Лагерра [ редактировать ] Функции Лагерра определяются слитными гипергеометрическими функциями и преобразованием Куммера как [3]
L
n
(
α
)
(
x
)
:=
(
n
+
α
n
)
M
(
−
n
,
α
+
1
,
x
)
.
{\displaystyle L_{n}^{(\alpha )}(x):={n+\alpha \choose n}M(-n,\alpha +1,x).}
(
n
+
α
n
)
{\textstyle {n+\alpha \choose n}}
биномиальный коэффициент . Когда n является целым числом, функция сводится к многочлену степени n . Имеет альтернативное выражение [4]
L
n
(
α
)
(
x
)
=
(
−
1
)
n
n
!
U
(
−
n
,
α
+
1
,
x
)
{\displaystyle L_{n}^{(\alpha )}(x)={\frac {(-1)^{n}}{n!}}U(-n,\alpha +1,x)}
функции Куммера второго рода .
Замкнутая форма этих обобщенных полиномов Лагерра степени n имеет вид [5]
L
n
(
α
)
(
x
)
=
∑
i
=
0
n
(
−
1
)
i
(
n
+
α
n
−
i
)
x
i
i
!
{\displaystyle L_{n}^{(\alpha )}(x)=\sum _{i=0}^{n}(-1)^{i}{n+\alpha \choose n-i}{\frac {x^{i}}{i!}}}
теоремы Лейбница о дифференцировании произведения к формуле Родригеса.
Полиномы Лагерра имеют представление дифференциального оператора, во многом похожее на близкородственные полиномы Эрмита. А именно, пусть
D
=
d
d
x
{\displaystyle D={\frac {d}{dx}}}
M
=
x
D
2
+
(
α
+
1
)
D
{\displaystyle M=xD^{2}+(\alpha +1)D}
exp
(
−
t
M
)
x
n
=
(
−
1
)
n
t
n
n
!
L
n
(
α
)
(
x
t
)
{\displaystyle \exp(-tM)x^{n}=(-1)^{n}t^{n}n!L_{n}^{(\alpha )}\left({\frac {x}{t}}\right)}
[ нужна ссылка
Первые несколько обобщенных полиномов Лагерра:
н
L
n
(
α
)
(
x
)
{\displaystyle L_{n}^{(\alpha )}(x)\,}
0
1
{\displaystyle 1\,}
1
−
x
+
α
+
1
{\displaystyle -x+\alpha +1\,}
2
1
2
(
x
2
−
2
(
α
+
2
)
x
+
(
α
+
1
)
(
α
+
2
)
)
{\displaystyle {\tfrac {1}{2}}(x^{2}-2\left(\alpha +2\right)x+\left(\alpha +1\right)\left(\alpha +2\right))\,}
3
1
6
(
−
x
3
+
3
(
α
+
3
)
x
2
−
3
(
α
+
2
)
(
α
+
3
)
x
+
(
α
+
1
)
(
α
+
2
)
(
α
+
3
)
)
{\displaystyle {\tfrac {1}{6}}(-x^{3}+3\left(\alpha +3\right)x^{2}-3\left(\alpha +2\right)\left(\alpha +3\right)x+\left(\alpha +1\right)\left(\alpha +2\right)\left(\alpha +3\right))\,}
4
1
24
(
x
4
−
4
(
α
+
4
)
x
3
+
6
(
α
+
3
)
(
α
+
4
)
x
2
−
4
(
α
+
2
)
⋯
(
α
+
4
)
x
+
(
α
+
1
)
⋯
(
α
+
4
)
)
{\displaystyle {\tfrac {1}{24}}(x^{4}-4\left(\alpha +4\right)x^{3}+6\left(\alpha +3\right)\left(\alpha +4\right)x^{2}-4\left(\alpha +2\right)\cdots \left(\alpha +4\right)x+\left(\alpha +1\right)\cdots \left(\alpha +4\right))\,}
5
1
120
(
−
x
5
+
5
(
α
+
5
)
x
4
−
10
(
α
+
4
)
(
α
+
5
)
x
3
+
10
(
α
+
3
)
⋯
(
α
+
5
)
x
2
−
5
(
α
+
2
)
⋯
(
α
+
5
)
x
+
(
α
+
1
)
⋯
(
α
+
5
)
)
{\displaystyle {\tfrac {1}{120}}(-x^{5}+5\left(\alpha +5\right)x^{4}-10\left(\alpha +4\right)\left(\alpha +5\right)x^{3}+10\left(\alpha +3\right)\cdots \left(\alpha +5\right)x^{2}-5\left(\alpha +2\right)\cdots \left(\alpha +5\right)x+\left(\alpha +1\right)\cdots \left(\alpha +5\right))\,}
6
1
720
(
x
6
−
6
(
α
+
6
)
x
5
+
15
(
α
+
5
)
(
α
+
6
)
x
4
−
20
(
α
+
4
)
⋯
(
α
+
6
)
x
3
+
15
(
α
+
3
)
⋯
(
α
+
6
)
x
2
−
6
(
α
+
2
)
⋯
(
α
+
6
)
x
+
(
α
+
1
)
⋯
(
α
+
6
)
)
{\displaystyle {\tfrac {1}{720}}(x^{6}-6\left(\alpha +6\right)x^{5}+15\left(\alpha +5\right)\left(\alpha +6\right)x^{4}-20\left(\alpha +4\right)\cdots \left(\alpha +6\right)x^{3}+15\left(\alpha +3\right)\cdots \left(\alpha +6\right)x^{2}-6\left(\alpha +2\right)\cdots \left(\alpha +6\right)x+\left(\alpha +1\right)\cdots \left(\alpha +6\right))\,}
7
1
5040
(
−
x
7
+
7
(
α
+
7
)
x
6
−
21
(
α
+
6
)
(
α
+
7
)
x
5
+
35
(
α
+
5
)
⋯
(
α
+
7
)
x
4
−
35
(
α
+
4
)
⋯
(
α
+
7
)
x
3
+
21
(
α
+
3
)
⋯
(
α
+
7
)
x
2
−
7
(
α
+
2
)
⋯
(
α
+
7
)
x
+
(
α
+
1
)
⋯
(
α
+
7
)
)
{\displaystyle {\tfrac {1}{5040}}(-x^{7}+7\left(\alpha +7\right)x^{6}-21\left(\alpha +6\right)\left(\alpha +7\right)x^{5}+35\left(\alpha +5\right)\cdots \left(\alpha +7\right)x^{4}-35\left(\alpha +4\right)\cdots \left(\alpha +7\right)x^{3}+21\left(\alpha +3\right)\cdots \left(\alpha +7\right)x^{2}-7\left(\alpha +2\right)\cdots \left(\alpha +7\right)x+\left(\alpha +1\right)\cdots \left(\alpha +7\right))\,}
8
1
40320
(
x
8
−
8
(
α
+
8
)
x
7
+
28
(
α
+
7
)
(
α
+
8
)
x
6
−
56
(
α
+
6
)
⋯
(
α
+
8
)
x
5
+
70
(
α
+
5
)
⋯
(
α
+
8
)
x
4
−
56
(
α
+
4
)
⋯
(
α
+
8
)
x
3
+
28
(
α
+
3
)
⋯
(
α
+
8
)
x
2
−
8
(
α
+
2
)
⋯
(
α
+
8
)
x
+
(
α
+
1
)
⋯
(
α
+
8
)
)
{\displaystyle {\tfrac {1}{40320}}(x^{8}-8\left(\alpha +8\right)x^{7}+28\left(\alpha +7\right)\left(\alpha +8\right)x^{6}-56\left(\alpha +6\right)\cdots \left(\alpha +8\right)x^{5}+70\left(\alpha +5\right)\cdots \left(\alpha +8\right)x^{4}-56\left(\alpha +4\right)\cdots \left(\alpha +8\right)x^{3}+28\left(\alpha +3\right)\cdots \left(\alpha +8\right)x^{2}-8\left(\alpha +2\right)\cdots \left(\alpha +8\right)x+\left(\alpha +1\right)\cdots \left(\alpha +8\right))\,}
9
1
362880
(
−
x
9
+
9
(
α
+
9
)
x
8
−
36
(
α
+
8
)
(
α
+
9
)
x
7
+
84
(
α
+
7
)
⋯
(
α
+
9
)
x
6
−
126
(
α
+
6
)
⋯
(
α
+
9
)
x
5
+
126
(
α
+
5
)
⋯
(
α
+
9
)
x
4
−
84
(
α
+
4
)
⋯
(
α
+
9
)
x
3
+
36
(
α
+
3
)
⋯
(
α
+
9
)
x
2
−
9
(
α
+
2
)
⋯
(
α
+
9
)
x
+
(
α
+
1
)
⋯
(
α
+
9
)
)
{\displaystyle {\tfrac {1}{362880}}(-x^{9}+9\left(\alpha +9\right)x^{8}-36\left(\alpha +8\right)\left(\alpha +9\right)x^{7}+84\left(\alpha +7\right)\cdots \left(\alpha +9\right)x^{6}-126\left(\alpha +6\right)\cdots \left(\alpha +9\right)x^{5}+126\left(\alpha +5\right)\cdots \left(\alpha +9\right)x^{4}-84\left(\alpha +4\right)\cdots \left(\alpha +9\right)x^{3}+36\left(\alpha +3\right)\cdots \left(\alpha +9\right)x^{2}-9\left(\alpha +2\right)\cdots \left(\alpha +9\right)x+\left(\alpha +1\right)\cdots \left(\alpha +9\right))\,}
10
1
3628800
(
x
10
−
10
(
α
+
10
)
x
9
+
45
(
α
+
9
)
(
α
+
10
)
x
8
−
120
(
α
+
8
)
⋯
(
α
+
10
)
x
7
+
210
(
α
+
7
)
⋯
(
α
+
10
)
x
6
−
252
(
α
+
6
)
⋯
(
α
+
10
)
x
5
+
210
(
α
+
5
)
⋯
(
α
+
10
)
x
4
−
120
(
α
+
4
)
⋯
(
α
+
10
)
x
3
+
45
(
α
+
3
)
⋯
(
α
+
10
)
x
2
−
10
(
α
+
2
)
⋯
(
α
+
10
)
x
+
(
α
+
1
)
⋯
(
α
+
10
)
)
{\displaystyle {\tfrac {1}{3628800}}(x^{10}-10\left(\alpha +10\right)x^{9}+45\left(\alpha +9\right)\left(\alpha +10\right)x^{8}-120\left(\alpha +8\right)\cdots \left(\alpha +10\right)x^{7}+210\left(\alpha +7\right)\cdots \left(\alpha +10\right)x^{6}-252\left(\alpha +6\right)\cdots \left(\alpha +10\right)x^{5}+210\left(\alpha +5\right)\cdots \left(\alpha +10\right)x^{4}-120\left(\alpha +4\right)\cdots \left(\alpha +10\right)x^{3}+45\left(\alpha +3\right)\cdots \left(\alpha +10\right)x^{2}-10\left(\alpha +2\right)\cdots \left(\alpha +10\right)x+\left(\alpha +1\right)\cdots \left(\alpha +10\right))\,}
Коэффициент при главном члене равен (−1) н н ! ;
Постоянный член , который является значением в 0, равен
L
n
(
α
)
(
0
)
=
(
n
+
α
n
)
=
Γ
(
n
+
α
+
1
)
n
!
Γ
(
α
+
1
)
;
{\displaystyle L_{n}^{(\alpha )}(0)={n+\alpha \choose n}={\frac {\Gamma (n+\alpha +1)}{n!\,\Gamma (\alpha +1)}};}
Если α L n ( а ) имеет n вещественных , строго положительных корней (обратите внимание, что
(
(
−
1
)
n
−
i
L
n
−
i
(
α
)
)
i
=
0
n
{\displaystyle \left((-1)^{n-i}L_{n-i}^{(\alpha )}\right)_{i=0}^{n}}
цепочка Штурма ), которые все лежат в интервале
(
0
,
n
+
α
+
(
n
−
1
)
n
+
α
]
.
{\displaystyle \left(0,n+\alpha +(n-1){\sqrt {n+\alpha }}\,\right].}
[ нужна ссылка
Асимптотическое поведение полиномов при больших n , но фиксированных α и x > 0 [6] [7]
L
n
(
α
)
(
x
)
=
n
α
2
−
1
4
π
e
x
2
x
α
2
+
1
4
sin
(
2
n
x
−
π
2
(
α
−
1
2
)
)
+
O
(
n
α
2
−
3
4
)
,
L
n
(
α
)
(
−
x
)
=
(
n
+
1
)
α
2
−
1
4
2
π
e
−
x
/
2
x
α
2
+
1
4
e
2
x
(
n
+
1
)
⋅
(
1
+
O
(
1
n
+
1
)
)
,
{\displaystyle {\begin{aligned}&L_{n}^{(\alpha )}(x)={\frac {n^{{\frac {\alpha }{2}}-{\frac {1}{4}}}}{\sqrt {\pi }}}{\frac {e^{\frac {x}{2}}}{x^{{\frac {\alpha }{2}}+{\frac {1}{4}}}}}\sin \left(2{\sqrt {nx}}-{\frac {\pi }{2}}\left(\alpha -{\frac {1}{2}}\right)\right)+O\left(n^{{\frac {\alpha }{2}}-{\frac {3}{4}}}\right),\\[6pt]&L_{n}^{(\alpha )}(-x)={\frac {(n+1)^{{\frac {\alpha }{2}}-{\frac {1}{4}}}}{2{\sqrt {\pi }}}}{\frac {e^{-x/2}}{x^{{\frac {\alpha }{2}}+{\frac {1}{4}}}}}e^{2{\sqrt {x(n+1)}}}\cdot \left(1+O\left({\frac {1}{\sqrt {n+1}}}\right)\right),\end{aligned}}}
L
n
(
α
)
(
x
n
)
n
α
≈
e
x
/
2
n
⋅
J
α
(
2
x
)
x
α
,
{\displaystyle {\frac {L_{n}^{(\alpha )}\left({\frac {x}{n}}\right)}{n^{\alpha }}}\approx e^{x/2n}\cdot {\frac {J_{\alpha }\left(2{\sqrt {x}}\right)}{{\sqrt {x}}^{\alpha }}},}
J
α
{\displaystyle J_{\alpha }}
функция Бесселя . Учитывая указанную выше производящую функцию, полиномы могут быть выражены через контурный интеграл
L
n
(
α
)
(
x
)
=
1
2
π
i
∮
C
e
−
x
t
/
(
1
−
t
)
(
1
−
t
)
α
+
1
t
n
+
1
d
t
,
{\displaystyle L_{n}^{(\alpha )}(x)={\frac {1}{2\pi i}}\oint _{C}{\frac {e^{-xt/(1-t)}}{(1-t)^{\alpha +1}\,t^{n+1}}}\;dt,}
Формула сложения полиномов Лагерра: [8]
L
n
(
α
+
β
+
1
)
(
x
+
y
)
=
∑
i
=
0
n
L
i
(
α
)
(
x
)
L
n
−
i
(
β
)
(
y
)
.
{\displaystyle L_{n}^{(\alpha +\beta +1)}(x+y)=\sum _{i=0}^{n}L_{i}^{(\alpha )}(x)L_{n-i}^{(\beta )}(y).}
Полиномы Лагерра удовлетворяют рекуррентным соотношениям
L
n
(
α
)
(
x
)
=
∑
i
=
0
n
L
n
−
i
(
α
+
i
)
(
y
)
(
y
−
x
)
i
i
!
,
{\displaystyle L_{n}^{(\alpha )}(x)=\sum _{i=0}^{n}L_{n-i}^{(\alpha +i)}(y){\frac {(y-x)^{i}}{i!}},}
L
n
(
α
+
1
)
(
x
)
=
∑
i
=
0
n
L
i
(
α
)
(
x
)
{\displaystyle L_{n}^{(\alpha +1)}(x)=\sum _{i=0}^{n}L_{i}^{(\alpha )}(x)}
L
n
(
α
)
(
x
)
=
∑
i
=
0
n
(
α
−
β
+
n
−
i
−
1
n
−
i
)
L
i
(
β
)
(
x
)
,
{\displaystyle L_{n}^{(\alpha )}(x)=\sum _{i=0}^{n}{\alpha -\beta +n-i-1 \choose n-i}L_{i}^{(\beta )}(x),}
L
n
(
α
)
(
x
)
=
∑
i
=
0
n
(
α
−
β
+
n
n
−
i
)
L
i
(
β
−
i
)
(
x
)
;
{\displaystyle L_{n}^{(\alpha )}(x)=\sum _{i=0}^{n}{\alpha -\beta +n \choose n-i}L_{i}^{(\beta -i)}(x);}
L
n
(
α
)
(
x
)
−
∑
j
=
0
Δ
−
1
(
n
+
α
n
−
j
)
(
−
1
)
j
x
j
j
!
=
(
−
1
)
Δ
x
Δ
(
Δ
−
1
)
!
∑
i
=
0
n
−
Δ
(
n
+
α
n
−
Δ
−
i
)
(
n
−
i
)
(
n
i
)
L
i
(
α
+
Δ
)
(
x
)
=
(
−
1
)
Δ
x
Δ
(
Δ
−
1
)
!
∑
i
=
0
n
−
Δ
(
n
+
α
−
i
−
1
n
−
Δ
−
i
)
(
n
−
i
)
(
n
i
)
L
i
(
n
+
α
+
Δ
−
i
)
(
x
)
{\displaystyle {\begin{aligned}L_{n}^{(\alpha )}(x)-\sum _{j=0}^{\Delta -1}{n+\alpha \choose n-j}(-1)^{j}{\frac {x^{j}}{j!}}&=(-1)^{\Delta }{\frac {x^{\Delta }}{(\Delta -1)!}}\sum _{i=0}^{n-\Delta }{\frac {n+\alpha \choose n-\Delta -i}{(n-i){n \choose i}}}L_{i}^{(\alpha +\Delta )}(x)\\[6pt]&=(-1)^{\Delta }{\frac {x^{\Delta }}{(\Delta -1)!}}\sum _{i=0}^{n-\Delta }{\frac {n+\alpha -i-1 \choose n-\Delta -i}{(n-i){n \choose i}}}L_{i}^{(n+\alpha +\Delta -i)}(x)\end{aligned}}}
Их можно использовать для вывода четырех правил трех пунктов.
L
n
(
α
)
(
x
)
=
L
n
(
α
+
1
)
(
x
)
−
L
n
−
1
(
α
+
1
)
(
x
)
=
∑
j
=
0
k
(
k
j
)
(
−
1
)
j
L
n
−
j
(
α
+
k
)
(
x
)
,
n
L
n
(
α
)
(
x
)
=
(
n
+
α
)
L
n
−
1
(
α
)
(
x
)
−
x
L
n
−
1
(
α
+
1
)
(
x
)
,
or
x
k
k
!
L
n
(
α
)
(
x
)
=
∑
i
=
0
k
(
−
1
)
i
(
n
+
i
i
)
(
n
+
α
k
−
i
)
L
n
+
i
(
α
−
k
)
(
x
)
,
n
L
n
(
α
+
1
)
(
x
)
=
(
n
−
x
)
L
n
−
1
(
α
+
1
)
(
x
)
+
(
n
+
α
)
L
n
−
1
(
α
)
(
x
)
x
L
n
(
α
+
1
)
(
x
)
=
(
n
+
α
)
L
n
−
1
(
α
)
(
x
)
−
(
n
−
x
)
L
n
(
α
)
(
x
)
;
{\displaystyle {\begin{aligned}L_{n}^{(\alpha )}(x)&=L_{n}^{(\alpha +1)}(x)-L_{n-1}^{(\alpha +1)}(x)=\sum _{j=0}^{k}{k \choose j}(-1)^{j}L_{n-j}^{(\alpha +k)}(x),\\[10pt]nL_{n}^{(\alpha )}(x)&=(n+\alpha )L_{n-1}^{(\alpha )}(x)-xL_{n-1}^{(\alpha +1)}(x),\\[10pt]&{\text{or }}\\{\frac {x^{k}}{k!}}L_{n}^{(\alpha )}(x)&=\sum _{i=0}^{k}(-1)^{i}{n+i \choose i}{n+\alpha \choose k-i}L_{n+i}^{(\alpha -k)}(x),\\[10pt]nL_{n}^{(\alpha +1)}(x)&=(n-x)L_{n-1}^{(\alpha +1)}(x)+(n+\alpha )L_{n-1}^{(\alpha )}(x)\\[10pt]xL_{n}^{(\alpha +1)}(x)&=(n+\alpha )L_{n-1}^{(\alpha )}(x)-(n-x)L_{n}^{(\alpha )}(x);\end{aligned}}}
в совокупности они дают дополнительные полезные рекуррентные соотношения.
L
n
(
α
)
(
x
)
=
(
2
+
α
−
1
−
x
n
)
L
n
−
1
(
α
)
(
x
)
−
(
1
+
α
−
1
n
)
L
n
−
2
(
α
)
(
x
)
=
α
+
1
−
x
n
L
n
−
1
(
α
+
1
)
(
x
)
−
x
n
L
n
−
2
(
α
+
2
)
(
x
)
{\displaystyle {\begin{aligned}L_{n}^{(\alpha )}(x)&=\left(2+{\frac {\alpha -1-x}{n}}\right)L_{n-1}^{(\alpha )}(x)-\left(1+{\frac {\alpha -1}{n}}\right)L_{n-2}^{(\alpha )}(x)\\[10pt]&={\frac {\alpha +1-x}{n}}L_{n-1}^{(\alpha +1)}(x)-{\frac {x}{n}}L_{n-2}^{(\alpha +2)}(x)\end{aligned}}}
С
L
n
(
α
)
(
x
)
{\displaystyle L_{n}^{(\alpha )}(x)}
n
{\displaystyle n}
α
{\displaystyle \alpha }
разложение на частичные дроби
n
!
L
n
(
α
)
(
x
)
(
α
+
1
)
n
=
1
−
∑
j
=
1
n
(
−
1
)
j
j
α
+
j
(
n
j
)
L
n
(
−
j
)
(
x
)
=
1
−
∑
j
=
1
n
x
j
α
+
j
L
n
−
j
(
j
)
(
x
)
(
j
−
1
)
!
=
1
−
x
∑
i
=
1
n
L
n
−
i
(
−
α
)
(
x
)
L
i
−
1
(
α
+
1
)
(
−
x
)
α
+
i
.
{\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {n!\,L_{n}^{(\alpha )}(x)}{(\alpha +1)_{n}}}&=1-\sum _{j=1}^{n}(-1)^{j}{\frac {j}{\alpha +j}}{n \choose j}L_{n}^{(-j)}(x)\\&=1-\sum _{j=1}^{n}{\frac {x^{j}}{\alpha +j}}\,\,{\frac {L_{n-j}^{(j)}(x)}{(j-1)!}}\\&=1-x\sum _{i=1}^{n}{\frac {L_{n-i}^{(-\alpha )}(x)L_{i-1}^{(\alpha +1)}(-x)}{\alpha +i}}.\end{aligned}}}
i и n и непосредственно вытекающего из выражения
L
n
(
α
)
(
x
)
{\displaystyle L_{n}^{(\alpha )}(x)}
полиномов Шарлье :
(
−
x
)
i
i
!
L
n
(
i
−
n
)
(
x
)
=
(
−
x
)
n
n
!
L
i
(
n
−
i
)
(
x
)
.
{\displaystyle {\frac {(-x)^{i}}{i!}}L_{n}^{(i-n)}(x)={\frac {(-x)^{n}}{n!}}L_{i}^{(n-i)}(x).}
Дифференцирование представления степенного ряда обобщенного полинома Лагерра k раз приводит к
d
k
d
x
k
L
n
(
α
)
(
x
)
=
{
(
−
1
)
k
L
n
−
k
(
α
+
k
)
(
x
)
if
k
≤
n
,
0
otherwise.
{\displaystyle {\frac {d^{k}}{dx^{k}}}L_{n}^{(\alpha )}(x)={\begin{cases}(-1)^{k}L_{n-k}^{(\alpha +k)}(x)&{\text{if }}k\leq n,\\0&{\text{otherwise.}}\end{cases}}}
Это указывает на частный случай ( α = 0 α = k
L
n
(
k
)
(
x
)
=
(
−
1
)
k
d
k
L
n
+
k
(
x
)
d
x
k
,
{\displaystyle L_{n}^{(k)}(x)=(-1)^{k}{\frac {d^{k}L_{n+k}(x)}{dx^{k}}},}
k иногда вызывает путаницу с обычным обозначением производной в скобках.
Более того, имеет место следующее уравнение:
1
k
!
d
k
d
x
k
x
α
L
n
(
α
)
(
x
)
=
(
n
+
α
k
)
x
α
−
k
L
n
(
α
−
k
)
(
x
)
,
{\displaystyle {\frac {1}{k!}}{\frac {d^{k}}{dx^{k}}}x^{\alpha }L_{n}^{(\alpha )}(x)={n+\alpha \choose k}x^{\alpha -k}L_{n}^{(\alpha -k)}(x),}
формулой Коши до
L
n
(
α
′
)
(
x
)
=
(
α
′
−
α
)
(
α
′
+
n
α
′
−
α
)
∫
0
x
t
α
(
x
−
t
)
α
′
−
α
−
1
x
α
′
L
n
(
α
)
(
t
)
d
t
.
{\displaystyle L_{n}^{(\alpha ')}(x)=(\alpha '-\alpha ){\alpha '+n \choose \alpha '-\alpha }\int _{0}^{x}{\frac {t^{\alpha }(x-t)^{\alpha '-\alpha -1}}{x^{\alpha '}}}L_{n}^{(\alpha )}(t)\,dt.}
Производная по второй переменной α имеет вид: [9]
d
d
α
L
n
(
α
)
(
x
)
=
∑
i
=
0
n
−
1
L
i
(
α
)
(
x
)
n
−
i
.
{\displaystyle {\frac {d}{d\alpha }}L_{n}^{(\alpha )}(x)=\sum _{i=0}^{n-1}{\frac {L_{i}^{(\alpha )}(x)}{n-i}}.}
Обобщенные полиномы Лагерра подчиняются дифференциальному уравнению
x
L
n
(
α
)
′
′
(
x
)
+
(
α
+
1
−
x
)
L
n
(
α
)
′
(
x
)
+
n
L
n
(
α
)
(
x
)
=
0
,
{\displaystyle xL_{n}^{(\alpha )\prime \prime }(x)+(\alpha +1-x)L_{n}^{(\alpha )\prime }(x)+nL_{n}^{(\alpha )}(x)=0,}
k -я производная обычного полинома Лагерра,
x
L
n
[
k
]
′
′
(
x
)
+
(
k
+
1
−
x
)
L
n
[
k
]
′
(
x
)
+
(
n
−
k
)
L
n
[
k
]
(
x
)
=
0
,
{\displaystyle xL_{n}^{[k]\prime \prime }(x)+(k+1-x)L_{n}^{[k]\prime }(x)+(n-k)L_{n}^{[k]}(x)=0,}
L
n
[
k
]
(
x
)
≡
d
k
L
n
(
x
)
d
x
k
{\displaystyle L_{n}^{[k]}(x)\equiv {\frac {d^{k}L_{n}(x)}{dx^{k}}}}
В форме Штурма – Лиувилля дифференциальное уравнение имеет вид
−
(
x
α
+
1
e
−
x
⋅
L
n
(
α
)
(
x
)
′
)
′
=
n
⋅
x
α
e
−
x
⋅
L
n
(
α
)
(
x
)
,
{\displaystyle -\left(x^{\alpha +1}e^{-x}\cdot L_{n}^{(\alpha )}(x)^{\prime }\right)'=n\cdot x^{\alpha }e^{-x}\cdot L_{n}^{(\alpha )}(x),}
что показывает, что L (а) n n .
Обобщенные полиномы Лагерра ортогональны над [0, ∞) относительно меры с весовой функцией x а и − х [10]
∫
0
∞
x
α
e
−
x
L
n
(
α
)
(
x
)
L
m
(
α
)
(
x
)
d
x
=
Γ
(
n
+
α
+
1
)
n
!
δ
n
,
m
,
{\displaystyle \int _{0}^{\infty }x^{\alpha }e^{-x}L_{n}^{(\alpha )}(x)L_{m}^{(\alpha )}(x)dx={\frac {\Gamma (n+\alpha +1)}{n!}}\delta _{n,m},}
что следует из
∫
0
∞
x
α
′
−
1
e
−
x
L
n
(
α
)
(
x
)
d
x
=
(
α
−
α
′
+
n
n
)
Γ
(
α
′
)
.
{\displaystyle \int _{0}^{\infty }x^{\alpha '-1}e^{-x}L_{n}^{(\alpha )}(x)dx={\alpha -\alpha '+n \choose n}\Gamma (\alpha ').}
Если
Γ
(
x
,
α
+
1
,
1
)
{\displaystyle \Gamma (x,\alpha +1,1)}
∫
0
∞
L
n
(
α
)
(
x
)
L
m
(
α
)
(
x
)
Γ
(
x
,
α
+
1
,
1
)
d
x
=
(
n
+
α
n
)
δ
n
,
m
,
{\displaystyle \int _{0}^{\infty }L_{n}^{(\alpha )}(x)L_{m}^{(\alpha )}(x)\Gamma (x,\alpha +1,1)dx={n+\alpha \choose n}\delta _{n,m},}
Соответствующий полином с симметричным ядром имеет представления ( формула Кристоффеля – Дарбу ) [ нужна ссылка
K
n
(
α
)
(
x
,
y
)
:=
1
Γ
(
α
+
1
)
∑
i
=
0
n
L
i
(
α
)
(
x
)
L
i
(
α
)
(
y
)
(
α
+
i
i
)
=
1
Γ
(
α
+
1
)
L
n
(
α
)
(
x
)
L
n
+
1
(
α
)
(
y
)
−
L
n
+
1
(
α
)
(
x
)
L
n
(
α
)
(
y
)
x
−
y
n
+
1
(
n
+
α
n
)
=
1
Γ
(
α
+
1
)
∑
i
=
0
n
x
i
i
!
L
n
−
i
(
α
+
i
)
(
x
)
L
n
−
i
(
α
+
i
+
1
)
(
y
)
(
α
+
n
n
)
(
n
i
)
;
{\displaystyle {\begin{aligned}K_{n}^{(\alpha )}(x,y)&:={\frac {1}{\Gamma (\alpha +1)}}\sum _{i=0}^{n}{\frac {L_{i}^{(\alpha )}(x)L_{i}^{(\alpha )}(y)}{\alpha +i \choose i}}\\[4pt]&={\frac {1}{\Gamma (\alpha +1)}}{\frac {L_{n}^{(\alpha )}(x)L_{n+1}^{(\alpha )}(y)-L_{n+1}^{(\alpha )}(x)L_{n}^{(\alpha )}(y)}{{\frac {x-y}{n+1}}{n+\alpha \choose n}}}\\[4pt]&={\frac {1}{\Gamma (\alpha +1)}}\sum _{i=0}^{n}{\frac {x^{i}}{i!}}{\frac {L_{n-i}^{(\alpha +i)}(x)L_{n-i}^{(\alpha +i+1)}(y)}{{\alpha +n \choose n}{n \choose i}}};\end{aligned}}}
рекурсивно
K
n
(
α
)
(
x
,
y
)
=
y
α
+
1
K
n
−
1
(
α
+
1
)
(
x
,
y
)
+
1
Γ
(
α
+
1
)
L
n
(
α
+
1
)
(
x
)
L
n
(
α
)
(
y
)
(
α
+
n
n
)
.
{\displaystyle K_{n}^{(\alpha )}(x,y)={\frac {y}{\alpha +1}}K_{n-1}^{(\alpha +1)}(x,y)+{\frac {1}{\Gamma (\alpha +1)}}{\frac {L_{n}^{(\alpha +1)}(x)L_{n}^{(\alpha )}(y)}{\alpha +n \choose n}}.}
Более того, [ нужны разъяснения.
y
α
e
−
y
K
n
(
α
)
(
⋅
,
y
)
→
δ
(
y
−
⋅
)
.
{\displaystyle y^{\alpha }e^{-y}K_{n}^{(\alpha )}(\cdot ,y)\to \delta (y-\cdot ).}
неравенства Турана Здесь можно вывести , которые
L
n
(
α
)
(
x
)
2
−
L
n
−
1
(
α
)
(
x
)
L
n
+
1
(
α
)
(
x
)
=
∑
k
=
0
n
−
1
(
α
+
n
−
1
n
−
k
)
n
(
n
k
)
L
k
(
α
−
1
)
(
x
)
2
>
0.
{\displaystyle L_{n}^{(\alpha )}(x)^{2}-L_{n-1}^{(\alpha )}(x)L_{n+1}^{(\alpha )}(x)=\sum _{k=0}^{n-1}{\frac {\alpha +n-1 \choose n-k}{n{n \choose k}}}L_{k}^{(\alpha -1)}(x)^{2}>0.}
Следующий интеграл необходим при квантовомеханическом рассмотрении атома водорода :
∫
0
∞
x
α
+
1
e
−
x
[
L
n
(
α
)
(
x
)
]
2
d
x
=
(
n
+
α
)
!
n
!
(
2
n
+
α
+
1
)
.
{\displaystyle \int _{0}^{\infty }x^{\alpha +1}e^{-x}\left[L_{n}^{(\alpha )}(x)\right]^{2}dx={\frac {(n+\alpha )!}{n!}}(2n+\alpha +1).}
Пусть функция имеет (формальное) разложение в ряд
f
(
x
)
=
∑
i
=
0
∞
f
i
(
α
)
L
i
(
α
)
(
x
)
.
{\displaystyle f(x)=\sum _{i=0}^{\infty }f_{i}^{(\alpha )}L_{i}^{(\alpha )}(x).}
Затем
f
i
(
α
)
=
∫
0
∞
L
i
(
α
)
(
x
)
(
i
+
α
i
)
⋅
x
α
e
−
x
Γ
(
α
+
1
)
⋅
f
(
x
)
d
x
.
{\displaystyle f_{i}^{(\alpha )}=\int _{0}^{\infty }{\frac {L_{i}^{(\alpha )}(x)}{i+\alpha \choose i}}\cdot {\frac {x^{\alpha }e^{-x}}{\Gamma (\alpha +1)}}\cdot f(x)\,dx.}
Ряд сходится в ассоциированном гильбертовом пространстве L 2 [0, ∞) тогда и только тогда, когда
‖
f
‖
L
2
2
:=
∫
0
∞
x
α
e
−
x
Γ
(
α
+
1
)
|
f
(
x
)
|
2
d
x
=
∑
i
=
0
∞
(
i
+
α
i
)
|
f
i
(
α
)
|
2
<
∞
.
{\displaystyle \|f\|_{L^{2}}^{2}:=\int _{0}^{\infty }{\frac {x^{\alpha }e^{-x}}{\Gamma (\alpha +1)}}|f(x)|^{2}\,dx=\sum _{i=0}^{\infty }{i+\alpha \choose i}|f_{i}^{(\alpha )}|^{2}<\infty .}
Мономы представляются как
x
n
n
!
=
∑
i
=
0
n
(
−
1
)
i
(
n
+
α
n
−
i
)
L
i
(
α
)
(
x
)
,
{\displaystyle {\frac {x^{n}}{n!}}=\sum _{i=0}^{n}(-1)^{i}{n+\alpha \choose n-i}L_{i}^{(\alpha )}(x),}
биномы имеют параметризацию
(
n
+
x
n
)
=
∑
i
=
0
n
α
i
i
!
L
n
−
i
(
x
+
i
)
(
α
)
.
{\displaystyle {n+x \choose n}=\sum _{i=0}^{n}{\frac {\alpha ^{i}}{i!}}L_{n-i}^{(x+i)}(\alpha ).}
Это приводит непосредственно к
e
−
γ
x
=
∑
i
=
0
∞
γ
i
(
1
+
γ
)
i
+
α
+
1
L
i
(
α
)
(
x
)
convergent iff
ℜ
(
γ
)
>
−
1
2
{\displaystyle e^{-\gamma x}=\sum _{i=0}^{\infty }{\frac {\gamma ^{i}}{(1+\gamma )^{i+\alpha +1}}}L_{i}^{(\alpha )}(x)\qquad {\text{convergent iff }}\Re (\gamma )>-{\tfrac {1}{2}}}
гамма-функция имеет представление
Γ
(
α
,
x
)
=
x
α
e
−
x
∑
i
=
0
∞
L
i
(
α
)
(
x
)
1
+
i
(
ℜ
(
α
)
>
−
1
,
x
>
0
)
.
{\displaystyle \Gamma (\alpha ,x)=x^{\alpha }e^{-x}\sum _{i=0}^{\infty }{\frac {L_{i}^{(\alpha )}(x)}{1+i}}\qquad \left(\Re (\alpha )>-1,x>0\right).}
В квантовой механике уравнение Шредингера для водородоподобного атома точно решается путем разделения переменных в сферических координатах. Радиальная часть волновой функции представляет собой (обобщенный) полином Лагерра. [11]
Вибронные переходы в приближении Франка-Кондона также можно описать с помощью полиномов Лагерра. [12]
Эрдейи дает следующие две теоремы умножения. [13]
t
n
+
1
+
α
e
(
1
−
t
)
z
L
n
(
α
)
(
z
t
)
=
∑
k
=
n
∞
(
k
n
)
(
1
−
1
t
)
k
−
n
L
k
(
α
)
(
z
)
,
e
(
1
−
t
)
z
L
n
(
α
)
(
z
t
)
=
∑
k
=
0
∞
(
1
−
t
)
k
z
k
k
!
L
n
(
α
+
k
)
(
z
)
.
{\displaystyle {\begin{aligned}&t^{n+1+\alpha }e^{(1-t)z}L_{n}^{(\alpha )}(zt)=\sum _{k=n}^{\infty }{k \choose n}\left(1-{\frac {1}{t}}\right)^{k-n}L_{k}^{(\alpha )}(z),\\[6pt]&e^{(1-t)z}L_{n}^{(\alpha )}(zt)=\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {(1-t)^{k}z^{k}}{k!}}L_{n}^{(\alpha +k)}(z).\end{aligned}}}
Обобщенные полиномы Лагерра связаны с полиномами Эрмита :
H
2
n
(
x
)
=
(
−
1
)
n
2
2
n
n
!
L
n
(
−
1
/
2
)
(
x
2
)
H
2
n
+
1
(
x
)
=
(
−
1
)
n
2
2
n
+
1
n
!
x
L
n
(
1
/
2
)
(
x
2
)
{\displaystyle {\begin{aligned}H_{2n}(x)&=(-1)^{n}2^{2n}n!L_{n}^{(-1/2)}(x^{2})\\[4pt]H_{2n+1}(x)&=(-1)^{n}2^{2n+1}n!xL_{n}^{(1/2)}(x^{2})\end{aligned}}}
H n x ) полиномы Эрмита, основанные на весовой функции exp(− x 2 ) , так называемая «версия физика».
Из-за этого при рассмотрении квантового гармонического осциллятора возникают обобщенные полиномы Лагерра .
Полиномы Лагерра могут быть определены в терминах гипергеометрических функций , в частности, конфлюэнтных гипергеометрических функций , как
L
n
(
α
)
(
x
)
=
(
n
+
α
n
)
M
(
−
n
,
α
+
1
,
x
)
=
(
α
+
1
)
n
n
!
1
F
1
(
−
n
,
α
+
1
,
x
)
{\displaystyle L_{n}^{(\alpha )}(x)={n+\alpha \choose n}M(-n,\alpha +1,x)={\frac {(\alpha +1)_{n}}{n!}}\,_{1}F_{1}(-n,\alpha +1,x)}
(
a
)
n
{\displaystyle (a)_{n}}
символ Поххаммера (который в данном случае представляет собой возрастающий факториал).
Обобщенные полиномы Лагерра удовлетворяют формуле Харди – Хилла [14] [15]
∑
n
=
0
∞
n
!
Γ
(
α
+
1
)
Γ
(
n
+
α
+
1
)
L
n
(
α
)
(
x
)
L
n
(
α
)
(
y
)
t
n
=
1
(
1
−
t
)
α
+
1
e
−
(
x
+
y
)
t
/
(
1
−
t
)
0
F
1
(
;
α
+
1
;
x
y
t
(
1
−
t
)
2
)
,
{\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }{\frac {n!\,\Gamma \left(\alpha +1\right)}{\Gamma \left(n+\alpha +1\right)}}L_{n}^{(\alpha )}(x)L_{n}^{(\alpha )}(y)t^{n}={\frac {1}{(1-t)^{\alpha +1}}}e^{-(x+y)t/(1-t)}\,_{0}F_{1}\left(;\alpha +1;{\frac {xyt}{(1-t)^{2}}}\right),}
α
>
−
1
{\displaystyle \alpha >-1}
|
t
|
<
1
{\displaystyle |t|<1}
0
F
1
(
;
α
+
1
;
z
)
=
Γ
(
α
+
1
)
z
−
α
/
2
I
α
(
2
z
)
,
{\displaystyle \,_{0}F_{1}(;\alpha +1;z)=\,\Gamma (\alpha +1)z^{-\alpha /2}I_{\alpha }\left(2{\sqrt {z}}\right),}
обобщенную гипергеометрическую функцию ), это также можно записать как
∑
n
=
0
∞
n
!
Γ
(
1
+
α
+
n
)
L
n
(
α
)
(
x
)
L
n
(
α
)
(
y
)
t
n
=
1
(
x
y
t
)
α
/
2
(
1
−
t
)
e
−
(
x
+
y
)
t
/
(
1
−
t
)
I
α
(
2
x
y
t
1
−
t
)
.
{\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }{\frac {n!}{\Gamma (1+\alpha +n)}}L_{n}^{(\alpha )}(x)L_{n}^{(\alpha )}(y)t^{n}={\frac {1}{(xyt)^{\alpha /2}(1-t)}}e^{-(x+y)t/(1-t)}I_{\alpha }\left({\frac {2{\sqrt {xyt}}}{1-t}}\right).}
ядра Мелера для полиномов Эрмита , которое можно восстановить из нее, используя приведенные выше соотношения между полиномами Лагерра и полиномами Эрмита.
Обобщенные полиномы Лагерра используются для описания квантовой волновой функции орбиталей атомов водорода . [16] [17] [18] [19]
L
n
(
α
)
(
x
)
=
Γ
(
α
+
n
+
1
)
Γ
(
α
+
1
)
n
!
1
F
1
(
−
n
;
α
+
1
;
x
)
,
{\displaystyle L_{n}^{(\alpha )}(x)={\frac {\Gamma (\alpha +n+1)}{\Gamma (\alpha +1)n!}}\,_{1}F_{1}(-n;\alpha +1;x),}
где
1
F
1
(
a
;
b
;
x
)
{\displaystyle \,_{1}F_{1}(a;b;x)}
вырожденная гипергеометрическая функция .
В физической литературе [18]
L
¯
n
(
α
)
(
x
)
=
[
Γ
(
α
+
n
+
1
)
]
2
Γ
(
α
+
1
)
n
!
1
F
1
(
−
n
;
α
+
1
;
x
)
.
{\displaystyle {\bar {L}}_{n}^{(\alpha )}(x)={\frac {\left[\Gamma (\alpha +n+1)\right]^{2}}{\Gamma (\alpha +1)n!}}\,_{1}F_{1}(-n;\alpha +1;x).}
Физическая версия связана со стандартной версией соотношением
L
¯
n
(
α
)
(
x
)
=
(
n
+
α
)
!
L
n
(
α
)
(
x
)
.
{\displaystyle {\bar {L}}_{n}^{(\alpha )}(x)=(n+\alpha )!L_{n}^{(\alpha )}(x).}
В физической литературе существует еще одно, хотя и менее часто используемое, соглашение. [20] [21] [22]
L
~
n
(
α
)
(
x
)
=
(
−
1
)
α
L
¯
n
−
α
(
α
)
.
{\displaystyle {\tilde {L}}_{n}^{(\alpha )}(x)=(-1)^{\alpha }{\bar {L}}_{n-\alpha }^{(\alpha )}.}
Обобщенные полиномы Лагерра связаны с умбральным исчислением, поскольку представляют собой последовательности Шеффера для
D
/
(
D
−
I
)
{\displaystyle D/(D-I)}
n
!
{\displaystyle n!}
[23]
L
n
(
x
)
=
n
!
L
n
(
−
1
)
(
x
)
=
∑
k
=
0
n
L
(
n
,
k
)
(
−
x
)
k
{\displaystyle {\mathcal {L}}_{n}(x)=n!L_{n}^{(-1)}(x)=\sum _{k=0}^{n}L(n,k)(-x)^{k}}
L
(
n
,
k
)
=
(
n
−
1
k
−
1
)
n
!
k
!
{\textstyle L(n,k)={\binom {n-1}{k-1}}{\frac {n!}{k!}}}
числа Лаха .
(
L
n
(
x
)
)
n
∈
N
{\textstyle ({\mathcal {L}}_{n}(x))_{n\in \mathbb {N} }}
биномиального типа , т.е. они удовлетворяют
L
n
(
x
+
y
)
=
∑
k
=
0
n
(
n
k
)
L
k
(
x
)
L
n
−
k
(
y
)
{\displaystyle {\mathcal {L}}_{n}(x+y)=\sum _{k=0}^{n}{\binom {n}{k}}{\mathcal {L}}_{k}(x){\mathcal {L}}_{n-k}(y)}
^ Н. Сонин (1880). «Исследование цилиндрических функций и последовательное развитие непрерывных функций» . Математика. Энн. 16 (1): 1–80. дои : 10.1007/BF01459227 . S2CID 121602983 . ^ A&S стр. 781
^ A&S стр. 509
^ A&S стр. 510
^ A&S стр. 775
^ Сегё, с. 198.
^ Д. Борвейн, Дж. М. Борвейн, Р. Э. Крэндалл, «Эффективная асимптотика Лагерра», SIAM J. Numer. Анальный. , том. 46 (2008), вып. 6, стр. 3285–3312. дои : 10.1137/07068031X
^ Уравнение A&S (22.12.6), с. 785
^ Кепф, Вольфрам (1997). «Тождества для семейств ортогональных полиномов и специальных функций». Интегральные преобразования и специальные функции . 5 (1–2): 69–102. CiteSeerX 10.1.1.298.7657 дои : 10.1080/10652469708819127 . ^ «Связанный полином Лагерра» . ^ Ратнер, Шац, Марк А., Джордж К. (2001). Квантовая механика в химии . 0-13-895491-7: Прентис Холл. стр. 90–91. {{cite book }}: CS1 maint: местоположение ( ссылка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) ^ Йонг, Матейс де; Сейхо, Луис; Мейеринк, Андрис; Рабоу, Фредди Т. (24 июня 2015 г.). «Разрешение двусмысленности в связи между сдвигом Стокса и параметром Хуанга – Риса» . Физическая химия Химическая физика . 17 (26): 16959–16969. Бибкод : 2015PCCP...1716959D . дои : 10.1039/C5CP02093J . hdl : 1874/321453 ISSN 1463-9084 . ПМИД 26062123 . S2CID 34490576 . ^ К. Трусделл, « О теоремах сложения и умножения для специальных функций », Труды Национальной академии наук, Математика , (1950), стр. 752–757.
^ Сегё, с. 102.
^ WA Al-Salam (1964), «Операционные представления для Лагерра и других полиномов» , Duke Math J. 31 (1): 127–142.
^ Гриффитс, Дэвид Дж. (2005). Введение в квантовую механику (2-е изд.). Река Аппер-Сэддл, Нью-Джерси: Пирсон Прентис Холл. ISBN 0131118927 ^ Сакураи, Джей-Джей (2011). Современная квантовая механика (2-е изд.). Бостон: Аддисон-Уэсли. ISBN 978-0805382914 ^ Перейти обратно: а б Мерцбахер, Ойген (1998). Квантовая механика (3-е изд.). Нью-Йорк: Уайли. ISBN 0471887021 ^ Абрамовиц, Милтон (1965). Справочник математических функций с формулами, графиками и математическими таблицами . Нью-Йорк: Dover Publications. ISBN 978-0-486-61272-0 ^ Шифф, Леонард И. (1968). Квантовая механика (3-е изд.). Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. ISBN 0070856435 ^ Мессия, Альберт (2014). Квантовая механика . Дуврские публикации. ISBN 9780486784557 ^ Боас, Мэри Л. (2006). Математические методы в физических науках (3-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. ISBN 9780471198260 ^ Рота, Джан-Карло; Каханер, Д; Одлызко, А (1 июня 1973 г.). «Об основах комбинаторной теории. VIII. Конечное операторное исчисление» . Журнал математического анализа и приложений . 42 (3): 684–760. дои : 10.1016/0022-247X(73)90172-8 ISSN 0022-247X .
Абрамовиц, Милтон ; Стегун, Ирен Энн , ред. (1983) [июнь 1964 г.]. «Глава 22» . Справочник по математическим функциям с формулами, графиками и математическими таблицами ИСБН 978-0-486-61272-0 LCCN 64-60036 . МР 0167642 . LCCN 65-12253 . Г. Сегё, Ортогональные полиномы , 4-е издание, Амер. Математика. Соц. Коллок. Опубл. , том. 23, амер. Математика. Soc., Провиденс, Род-Айленд, 1975.
Коорнвиндер, Том Х.; Вонг, Родерик СК; Кукук, Рулоф; Свартау, Рене Ф. (2010), «Ортогональные полиномы» , в Олвере, Фрэнке В.Дж .; Лозье, Дэниел М.; Буасверт, Рональд Ф.; Кларк, Чарльз В. (ред.), Справочник NIST по математическим функциям ISBN 978-0-521-19225-5 МР 2723248 Б. Спейн, М.Г. Смит, Функции математической физики , Van Nostand Reinhold Company, Лондон, 1970. Глава 10 посвящена полиномам Лагерра.
«Полиномы Лагерра» , Математическая энциклопедия EMS Press , 2001 [1994] Эрик В. Вайсштейн , « Полином Лагерра », Из MathWorld — веб-ресурс Wolfram. Джордж Арфкен и Ханс Вебер (2000). Математические методы для физиков . Академическая пресса. ISBN 978-0-12-059825-0
скрывать Международный Национальный Другой
![{\displaystyle \left(0,n+\alpha +(n-1){\sqrt {n+\alpha }}\,\right].}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/268387cf6ed314caa46b2a11e87acbaf9695875d)
![{\displaystyle {\begin{aligned}&L_{n}^{(\alpha )}(x)={\frac {n^{{\frac {\alpha }{2}}-{\frac {1} 4}}}}{\sqrt {\pi }}}{\frac {e^{\frac {x}{2}}}{x^{{\frac {\alpha }{2}}+{\frac {1}{4}}}}}\sin \left(2{\sqrt {nx}}-{\frac {\pi }{2}}\left(\alpha -{\frac {1}{2} }\right)\right)+O\left(n^{{\frac {\alpha }{2}}-{\frac {3}{4}}}\right),\\[6pt]&L_{n }^{(\alpha )}(-x)={\frac {(n+1)^{{\frac {\alpha }{2}}-{\frac {1}{4}}}}{2 {\sqrt {\pi }}}}{\frac {e^{-x/2}}{x^{{\frac {\alpha }{2}}+{\frac {1}{4}}} }}e^{2{\sqrt {x(n+1)}}}\cdot \left(1+O\left({\frac {1}{\sqrt {n+1}}}\right)\ вправо),\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a65232999dd61f4298266965f24f79d6d0923b05)
![{\displaystyle {\begin{aligned}L_{n}^{(\alpha)}(x)-\sum _{j=0}^{\Delta -1}{n+\alpha \choose nj}(-1 )^{j}{\frac {x^{j}}{j!}}&=(-1)^{\Delta }{\frac {x^{\Delta }}{(\Delta -1)! }}\sum _{i=0}^{n-\Delta }{\frac {n+\alpha \choose n-\Delta -i}{(ni){n \choose i}}}L_{i}^ {(\alpha +\Delta )}(x)\\[6pt]&=(-1)^{\Delta }{\frac {x^{\Delta }}{(\Delta -1)!}}\ sum _{i=0}^{n-\Delta }{\frac {n+\alpha -i-1 \choose n-\Delta -i}{(ni){n \choose i}}}L_{i} ^{(n+\alpha +\Delta -i)}(x)\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e449381aff6f2b593def172ab03c17cb1bb57dfb)
![{\displaystyle {\begin{aligned}L_{n}^{(\alpha)}(x)&=L_{n}^{(\alpha +1)}(x)-L_{n-1}^{ (\alpha +1)}(x)=\sum _{j=0}^{k}{k \choose j}(-1)^{j}L_{nj}^{(\alpha +k)} (x),\\[10pt]nL_{n}^{(\alpha )}(x)&=(n+\alpha )L_{n-1}^{(\alpha )}(x)-xL_{n -1}^{(\alpha +1)}(x),\\[10pt]&{\text{or }}\\{\frac {x^{k}}{k!}}L_{n} ^{(\alpha )}(x)&=\sum _{i=0}^{k}(-1)^{i}{n+i \choose i}{n+\alpha \choose ki}L_{ n+i}^{(\alpha -k)}(x),\\[10pt]nL_{n}^{(\alpha +1)}(x)&=(nx)L_{n-1}^ {(\alpha +1)}(x)+(n+\alpha )L_{n-1}^{(\alpha )}(x)\\[10pt]xL_{n}^{(\alpha +1) }(x)&=(n+\alpha )L_{n-1}^{(\alpha )}(x)-(nx)L_{n}^{(\alpha )}(x);\end{aligned }}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ff755ad59b503998c9e8898cb25b5ff1545520d7)
![{\displaystyle {\begin{aligned}L_{n}^{(\alpha )}(x)&=\left(2+{\frac {\alpha -1-x}{n}}\right)L_{ n-1}^{(\alpha )}(x)-\left(1+{\frac {\alpha -1}{n}}\right)L_{n-2}^{(\alpha )}( x)\\[10pt]&={\frac {\alpha +1-x}{n}}L_{n-1}^{(\alpha +1)}(x)-{\frac {x}{ n}}L_{n-2}^{(\alpha +2)}(x)\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/fc32e1d35979f9126c29a1b4fe1d3ae723d4641d)
![{\ displaystyle xL_ {n} ^ {[k] \ prime \ prime } (x) + (k + 1-x) L_ {n} ^ {[k] \ prime } (x) + (nk) L_ {n }^{[k]}(x)=0,}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/18d6805dbdf16f74423e00fc23ca5ea675eabd49)
![{\displaystyle L_{n}^{[k]}(x)\equiv {\frac {d^{k}L_{n}(x)}{dx^{k}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/94adaf2e2b6fca61a722420bcb1a66576e10593a)
![{\displaystyle {\begin{aligned}K_{n}^{(\alpha)}(x,y)&:={\frac {1}{\Gamma (\alpha +1)}}\sum _{i =0}^{n}{\frac {L_{i}^{(\alpha )}(x)L_{i}^{(\alpha )}(y)}{\alpha +i \choose i}} \\[4pt]&={\frac {1}{\Gamma (\alpha +1)}}{\frac {L_{n}^{(\alpha )}(x)L_{n+1}^{ (\alpha )}(y)-L_{n+1}^{(\alpha )}(x)L_{n}^{(\alpha )}(y)}{{\frac {xy}{n+ 1}}{n+\alpha \choose n}}}\\[4pt]&={\frac {1}{\Gamma (\alpha +1)}}\sum _{i=0}^{n}{ \frac {x^{i}}{i!}}{\frac {L_{ni}^{(\alpha +i)}(x)L_{ni}^{(\alpha +i+1)}( y)}{{\alpha +n \choose n}{n \choose i}}};\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/bdbc06de0ef9a87d70e951a09cacec0b7da13396)
![{\displaystyle \int _{0}^{\infty }x^{\alpha +1}e^{-x}\left[L_{n}^{(\alpha)}(x)\right]^{ 2}dx={\frac {(n+\alpha )!}{n!}}(2n+\alpha +1).}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0bb8646b87b220d879aec2c64ff9e7e15228b32a)
![{\displaystyle {\begin{aligned}&t^{n+1+\alpha }e^{(1-t)z}L_ {n}^{(\alpha)}(zt)=\sum _{k= n}^{\infty }{k \choose n}\left(1- {\frac {1}{t}}\right)^{kn}L_{k}^{(\alpha )}(z), \\[6pt]&e^{(1-t)z}L_{n}^{(\alpha )}(zt)=\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {(1- t)^{k}z^{k}}{k!}}L_{n}^{(\alpha +k)}(z).\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/419e3fd18bf2b0ef484d747b9670be1f38888684)
![{\displaystyle {\begin{aligned}H_{2n}(x)&=(-1)^{n}2^{2n}n!L_{n}^{(-1/2)}(x^{ 2})\\[4pt]H_{2n+1}(x)&=(-1)^{n}2^{2n+1}n!xL_{n}^{(1/2)}(x ^{2})\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/015273f34e288fc1847a90dd793e433e9dbb23d0)
![{\displaystyle {\bar {L}}_{n}^{(\alpha)}(x)={\frac {\left[\Gamma(\alpha+n+1)\right]^{2}} {\Gamma (\easy +1)n!}}\,_{1}F_{1}(-n;\easy +1;x).}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/12bfdcde9315fd8f61b7556fb8b93652a9ba59f2)
