
En matemáticas , los polinomios de Laguerre , que reciben su nombre de Edmond Laguerre (1834-1886), son soluciones no triviales de la ecuación diferencial de Laguerre:que es una ecuación diferencial lineal de segundo orden . Esta ecuación tiene soluciones no singulares solo si n es un entero no negativo.
A veces se utiliza el nombre de polinomios de Laguerre para soluciones de donde n sigue siendo un entero no negativo. Entonces también se les llama polinomios de Laguerre generalizados , como se hará aquí (alternativamente polinomios de Laguerre asociados o, raramente, polinomios de Sonine , en honor a su inventor [ 1 ] Nikolay Yakovlevich Sonin ).
En términos más generales, una función de Laguerre es una solución cuando n no es necesariamente un entero no negativo.
Los polinomios de Laguerre también se utilizan para la cuadratura de Gauss-Laguerre para calcular numéricamente integrales de la forma
Estos polinomios, usualmente denotados L 0 , L 1 , ..., son una secuencia de polinomios que puede definirse mediante la fórmula de Rodrigues ,
reduciendo a la forma cerrada de una sección siguiente.
Son polinomios ortogonales con respecto a un producto interno.
En combinatoria, los polinomios de torre son prácticamente iguales a los polinomios de Laguerre, salvo cambios elementales de variables. Véase también los polinomios de Tricomi-Carlitz .
Los polinomios de Laguerre surgen en mecánica cuántica, en la parte radial de la solución de la ecuación de Schrödinger para un átomo de un electrón. También describen las funciones de Wigner estáticas de sistemas osciladores en mecánica cuántica en el espacio de fases . Además, intervienen en la mecánica cuántica del potencial de Morse y del oscilador armónico isotrópico tridimensional .
En ocasiones, los físicos utilizan una definición de los polinomios de Laguerre que es n ! mayor que la definición empleada aquí. (Asimismo, algunos físicos pueden utilizar definiciones ligeramente diferentes de los denominados polinomios de Laguerre asociados).
Definición recursiva, forma cerrada y función generadora
También se pueden definir los polinomios de Laguerre recursivamente, definiendo los dos primeros polinomios como y luego utilizando la siguiente relación de recurrencia para cualquier k ≥ 1 : Además,
En la solución de algunos problemas de valores en la frontera, los valores característicos pueden resultar útiles:
La forma cerrada es
La función generadora para ellos es igualmente la siguiente: El formulario del operador es
Los polinomios de índice negativo pueden expresarse utilizando los de índice positivo:

Polinomios de Laguerre generalizados
Para un α real arbitrario, las soluciones polinómicas de la ecuación diferencial [ 2 ] se denominan polinomios de Laguerre generalizados o polinomios de Laguerre asociados .
También se pueden definir los polinomios de Laguerre generalizados de forma recursiva, definiendo los dos primeros polinomios como
y luego utilizando la siguiente relación de recurrencia para cualquier k ≥ 1 :
Los polinomios de Laguerre simples son el caso especial α = 0 de los polinomios de Laguerre generalizados:
La fórmula de Rodrigues para ellos es
La función generadora para ellos es

Propiedades
- Las funciones de Laguerre se definen mediante funciones hipergeométricas confluentes y la transformación de Kummer como [ 3 ].dóndees un coeficiente binomial generalizado . Cuando n es un entero, la función se reduce a un polinomio de grado n . Tiene la expresión alternativa [ 4 ].en términos de la función de segundo tipo de Kummer .
- La forma cerrada para estos polinomios de Laguerre generalizados de grado n es [ 5 ].derivado al aplicar el teorema de Leibniz para la diferenciación de un producto a la fórmula de Rodrigues.
- Los polinomios de Laguerre tienen una representación mediante operadores diferenciales , muy similar a la de los polinomios de Hermite, estrechamente relacionados. Es decir, sea y considere el operador diferencial. Entonces.
- Los primeros polinomios de Laguerre generalizados son:
- The coefficient of the leading term is (−1)n/n!;
- The constant term, which is the value at 0, is
- The discriminant is[6]
As a contour integral
Given the generating function specified above, the polynomials may be expressed in terms of a contour integral where the contour circles the origin once in a counterclockwise direction without enclosing the essential singularity at 1
Recurrence relations
The addition formula for Laguerre polynomials:[7]Laguerre's polynomials satisfy the recurrence relations in particular and or moreover
They can be used to derive the four 3-point-rules
combined they give this additional, useful recurrence relations
Since is a monic polynomial of degree in , there is the partial fraction decomposition The second equality follows by the following identity, valid for integer i and n and immediate from the expression of in terms of Charlier polynomials: For the third equality apply the fourth and fifth identities of this section.
Derivatives
Differentiating the power series representation of a generalized Laguerre polynomial k times leads to
This points to a special case (α = 0) of the formula above: for integer α = k the generalized polynomial may be written the shift by k sometimes causing confusion with the usual parenthesis notation for a derivative.
Moreover, the following equation holds: which generalizes with Cauchy's formula to
The derivative with respect to the second variable α has the form,[8] The generalized Laguerre polynomials obey the differential equation which may be compared with the equation obeyed by the kth derivative of the ordinary Laguerre polynomial,
where for this equation only.
In Sturm–Liouville form the differential equation is
which shows that L(α)n is an eigenvector for the eigenvalue n.
Orthogonality
Los polinomios de Laguerre generalizados son ortogonales sobre [ 0, ∞) con respecto a la medida con función de ponderación x α e − x : [ 9 ]
lo cual se deduce de
SiSi denotamos la distribución gamma , entonces la relación de ortogonalidad se puede escribir como
El polinomio núcleo simétrico asociado tiene las representaciones ( fórmula de Christoffel-Darboux )
recursivamente
Además,
Las desigualdades de Turán se pueden derivar aquí, lo cual es
La siguiente integral es necesaria en el tratamiento mecánico cuántico del átomo de hidrógeno ,
Expansiones de la serie
Sea una función con la siguiente expansión en serie (formal):
Entonces
La serie converge en el espacio de Hilbert asociado L 2 [0, ∞) si y solo si
Otros ejemplos de expansiones
Los monomios se representan como mientras que los binomios tienen la parametrización
Esto conduce directamente a para la función exponencial. La función gamma incompleta tiene la representación
Asintótica
En términos de funciones elementales
Para cualquier entero positivo fijo, número real fijointervalo fijo y acotado, uniformemente para, en:dóndeyson funciones que dependen depero noy regular paraLos primeros son:Esta es la fórmula de Perron . [ 10 ] [ 11 ] : 78 También hay una generalización para. [ 12 ] La fórmula de Fejér es un caso especial de la fórmula de Perron con. [ 13 ] [ 12 ] [ 14 ]
En términos de funciones de Bessel
La fórmula de Mehler-Heine establece:
dóndees una función de Bessel de primera especie .
Véase también: [ 10 ]
En términos de funciones de Airy
Dejar. DejarSea la función de Airy .ser arbitrario y real,ySé positivo y firme.
Las fórmulas asintóticas de Plancherel-Rotach : [ 15 ] [ 10 ]
- paray, uniformemente en:
- paray, uniformemente en:
- paraycomplejo y acotado, uniformemente en:
Consulte DLMF para términos de orden superior. [ 10 ]
Ceros
Notación
es el-ésimo cero positivo de la función de Bessel.
es el-ésimo cero de la función de Airy, en orden descendente:.
.
Si, entoncestieneraíces reales. Por lo tanto, en esta sección asumimospor defecto.
son las verdaderas raíces de.
Tenga en cuenta quees una cadena de Sturm .
Desigualdades
Para, tenemos estos límites: [ 16 ] [ 17 ] [ 6 ] [ 18 ]
- cuando
Para fijo, [ 16 ] [ 6 ] [ 17 ]Para fijo, tenemos, por lo tanto, la primera desigualdad es precisa.
Véase también. [ 19 ]
Electrostática
Los ceros satisfacen las relaciones de Stieltjes : [ 20 ] [ 21 ]La primera relación puede interpretarse físicamente. Fijemos una partícula eléctrica en el origen con cargay producir un campo eléctrico constante de intensidadLuego, coloquepartículas eléctricas con carga. La primera relación establece que los ceros deson las posiciones de equilibrio de las partículas.
Dado que los ceros especifican el polinomio salvo por un factor de escala, esto proporciona una forma alternativa de caracterizar de manera única los polinomios de Laguerre.
Los ceros también satisfacen [ 22 ]lo que permite el siguiente límite
Distribución límite
DejarSea la función de distribución acumulativa para las raíces, entonces tenemos la ley límite [ 23 ].lo cual puede interpretarse como la distribución límite del espectro del conjunto de Wishart .
Para fijoy fijo, como, [ 17 ]
Para, [ 22 ]
En mecánica cuántica
En mecánica cuántica, la ecuación de Schrödinger para el átomo hidrogenado se puede resolver exactamente mediante la separación de variables en coordenadas esféricas. La parte radial de la función de onda es un polinomio de Laguerre (generalizado). [ 24 ]
Las transiciones vibrónicas en la aproximación de Franck-Condon también pueden describirse utilizando polinomios de Laguerre. [ 25 ]
Teoremas de multiplicación
Erdélyi da los siguientes dos teoremas de multiplicación [ 26 ]
Relación con los polinomios de Hermite
Los polinomios de Laguerre generalizados están relacionados con los polinomios de Hermite : donde los H n ( x ) son los polinomios de Hermite basados en la función de ponderación exp(− x 2 ) , la llamada "versión del físico".
Debido a esto, los polinomios de Laguerre generalizados surgen en el tratamiento del oscilador armónico cuántico .
Aplicando la fórmula de suma,
Relación con las funciones hipergeométricas
Los polinomios de Laguerre pueden definirse en términos de funciones hipergeométricas , específicamente las funciones hipergeométricas confluentes , como dóndees el símbolo de Pochhammer (que en este caso representa el factorial ascendente).
Fórmula de Hardy-Hille
Los polinomios de Laguerre generalizados satisfacen la fórmula de Hardy - Hille [ 27 ] [ 28 ]. donde converge la serie de la izquierda paray. Utilizando la identidad (véase función hipergeométrica generalizada ), esto también se puede escribir como dóndedenota la función de Bessel modificada de primer tipo, definida comoEsta fórmula es una generalización del núcleo de Mehler para polinomios de Hermite , que se puede recuperar a partir de él considerando los polinomios de Hermite como un caso especial de los polinomios de Laguerre asociados.
Sustitutoy tomar ellímite, obtenemos [ 29 ]La fórmula lleva el nombre de GH Hardy y Einar Hille . [ 30 ] [ 31 ]
Convención de física
Los polinomios de Laguerre generalizados se utilizan para describir la función de onda cuántica para los orbitales del átomo de hidrógeno . [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] La convención utilizada a lo largo de este artículo expresa los polinomios de Laguerre generalizados como [ 35 ]
dóndees la función hipergeométrica confluente . En la literatura física, [ 34 ] los polinomios de Laguerre generalizados se definen en cambio como
La versión física está relacionada con la versión estándar mediante
Existe otra convención, aunque menos utilizada, en la literatura de física [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ].
Convención del cálculo umbral
Los polinomios de Laguerre generalizados están vinculados al cálculo umbral al ser secuencias de Sheffer paracuando se multiplica por. En la convención del cálculo umbral, [ 39 ] los polinomios de Laguerre por defecto se definen comodóndeson los números Lah sin signo .es una secuencia de polinomios de tipo binomial , es decir, satisfacen
Véase también
- Polinomios ortogonales
- Fórmula de Rodrigues
- Polinomios de Angelescu
- polinomios de Bessel
- Polinomios de Denisyuk
- Modo transversal , una aplicación importante de los polinomios de Laguerre para describir la intensidad del campo dentro de una guía de ondas o el perfil de un haz láser.
Notas
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Enlaces externos
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- Polinomios
- Polinomios ortogonales
- funciones hipergeométricas especiales