Polinoame Hermite

De la testwiki
Versiunea din 7 februarie 2025 10:45, autor: imported>Turbojet (wl)
(dif) ← Versiunea anterioară | Versiunea curentă (dif) | Versiunea următoare → (dif)
Sari la navigare Sari la căutare

Format:Note de subsolÎn matematică, polinoamele lui Hermite reprezintă o importantă serie de funcții din clasa polinoamelor ortogonale care au fost introduse pentru prima oară în matematică în secolul al XIX-lea în cadrul studiului probabilităților, ele sunt exemple clasice de polinoame Appell așa cum sunt seriile de polinoame ale lui Bernoulli și Euler. Expresia explicită a termenilor seriei polinoamelor lui Hermite se deduce pe cale analitică prin rezolvarea ecuației diferențiale al lui Hermite. Aplicțiile directe ale polinoamelor lui Hermite se întâlnesc în domenii precum teoria probabilităților, teoria perturbaților, statistică matematică, fizică. Una din cele mai importante domenii în care utilizarea lor a condus cu succes la rezolvarea unei probleme fundamentale este mecanica cuantică unde utilizarea lor a permis găsirea funcțiilor de stare ale oscilatorului armonic cuantic și implicit a relației de cuantificare a energiei oscilatorului. Au fost denumite în onoarea matematicianului francez Charles Hermite.

Definiție

Termenul general al polinoamelor lui Hermite este definit prin una din expresiile:

Hn(x)=(1)nex2/2dndxnex2/2, polinoamele „probabilistice” ale lui Hermite

sau uneori prin relația

Hn(x)=(1)nex2dndxnex2, polinoamele „fizice” ale lui Hermite

Aceste două definiții nu sunt riguros echivalente, trecerea de la o formă la alta se face printr-o transformare simplă dată de formula:

Hnfiz(x)=2n/2Hnprob(2x).

Acestea sunt șirurile de polinoame Hermite de diferite varianțe. În cele ce urmează, se va urma de regulă prima convenție. Acea convenție este adesea preferată în teoria probabilităților deoarece

12πex2/2

reprezintă densitatea de probabilitate pentru distribuția normală cu valoarea așteptată 0 și deviația standard 1.

Primele cinci polinoame Hermite (conform definiţiei din teoria probabilităţilor).

Primele unsprezece polinoame Hermite din teoria probabilităților sunt:

H0(x)=1
H1(x)=x
H2(x)=x21
H3(x)=x33x
H4(x)=x46x2+3
H5(x)=x510x3+15x
H6(x)=x615x4+45x215
H7(x)=x721x5+105x3105x
H8(x)=x828x6+210x4420x2+105
H9(x)=x936x7+378x51260x3+945x
H10(x)=x1045x8+630x63150x4+4725x2945
Primele cinci polinoame Hermite din fizică.

iar primele unsprezece polinoame Hermite din fizică sunt:

H0(x)=1
H1(x)=2x
H2(x)=4x22
H3(x)=8x312x
H4(x)=16x448x2+12
H5(x)=32x5160x3+120x
H6(x)=64x6480x4+720x2120
H7(x)=128x71344x5+3360x31680x
H8(x)=256x83584x6+13440x413440x2+1680
H9(x)=512x99216x7+48384x580640x3+30240x
H10(x)=1024x1023040x8+161280x6403200x4+302400x230240

Proprietăți

Hn este un polinom de grad n. Versiunea din teoria probabilităților are coeficientul dominant 1, iar versiunea din fizică are coeficientul dominant 2n.

Ortogonalitate

Hn(x) este un polinom de gradul n pentru n = 0, 1, 2, 3, .... Aceste polinoame sunt ortogonale în raport cu funcția pondere (măsură)

w(x)=ex2/2   (probabilistică)

sau

w(x)=ex2   (fizică)

adică avem:

Hm(x)Hn(x)w(x)dx=0

când m ≠ n. Mai mult,

Hn(x)Hn(x)ex2/2dx=n!2π   (probabilistică)

sau

Hn(x)Hn(x)ex2dx=n!2nπ   (fizică).

Polinoamele din teoria probabilităților sunt astfel ortogonale în raport cu funcția densitate de probabilitate normală standard.

Completitudine

Polinoamele Hermite (atât cele din teoria probabilităților, cât și cele din fizică) formează o bază ortogonală în spațiul Hilbert al funcțiilor care satisfac condiția

|f(x)|2w(x)dx<,

în care produsul scalar este dat de integrala ce include funcția pondere gaussiană w(x) definită în secțiunea anterioară,

f,g=f(x)g(x)w(x)dx.

O bază ortogonală pentru L2(Rw(x) dx) reprezintă un sistem ortogonal complet. Pentru un sistem ortogonal, completitudinea este echivalentă cu faptul că funcția 0 este singura funcție ƒ ∈ L2(Rw(x) dx) ortogonală pe toate celelalte funcții din sistem. Întrucât domeniul de liniaritate al polinoamelor Hermite este spațiul tuturor polinoamelor, trebuie arătat (în cazul polinoamelor din fizică) că dacă ƒ satisface condiția

f(x)xnex2dx=0

pentru orice n ≥ 0, atunci ƒ = 0. O cale posibilă de a face aceasta este de a avea grijă ca funcția olomorfă

F(z)=f(x)ezxx2dx=n=0znn!f(x)xnex2dx=0

este identic nulă. Faptul că F(it) = 0 pentru orice t real înseamnă că transformata Fourier a lui ƒ(x) exp(−x2) este 0, deci ƒ este 0 în aproape toate punctele. Variante ale demonstrației de completitudine de mai sus se aplică și altor ponderi cu degradare exponențială. În cazul Hermite, este posibil și să se demonstreze o identitate explicită care implică ea însăși completitudinea (vezi secțiunea „Relații de completitudine” de mai jos).

O formulare echivalentă a faptului că polinoamele Hermite reprezintă o bază ortogonală pentru L2(Rw(x) dx) constă în introducerea funcțiilor Hermite, afirmând totodată că funcțiile Hermite reprezintă o bază ortogonală pentru L2(R).

Ecuația diferențială al lui Hermite

Polinoamele Hermite folosite în teoria probabilităților sunt soluții ale ecuației diferențiale

(ex2/2u)+λex2/2u=0

unde λ este o constantă, cu condițiile la limită astfel încât u să tindă polinomial la infinit. Cu aceste condiții la limită, ecuația are soluții doar dacă λ este un număr întreg pozitiv, și soluția este dată de u(x) = Hλ(x). Rescriind ecuației diferențiale sub formă de problemă de valori proprii

L[u]=uxu=λu

soluțiile sunt funcțiile proprii ale operatorului diferențial L. Această problemă de valori proprii se numește ecuație Hermite, deși termenul poate fi utilizat și pentru o altă ecuație de formă apropiată:

u2xu=2λu

ale cărei soluții sunt polinoamele Hermite din fizică.

Cu niște condiții limită mai generale, polinoamele Hermite pot fi generalizate pentru a obține funcții analitice mai generale Hλ(z) pentru λ un index complex. O formulă explicită poate fi dată în termeni de integrală pe contur.[1]

Relații de recurență

Șirul polinoamelor Hermite satisface și relația de recurență

Hn+1(x)=xHn(x)Hn(x). (probabilități)
Hn+1(x)=2xHn(x)Hn(x). (fizică)

Polinoamele Hermite constituie un șir Appell, deoarece satisface relația

Hn(x)=nHn1(x), (probabilități)
Hn(x)=2nHn1(x), (fizică)

sau echivalent,

Hn(x+y)=k=0n(nk)xkHnk(y) (probabilități)
Hn(x+y)=k=0n(nk)Hk(x)(2y)(nk) (fizică)

Rezultă că polinoamele Hermite satisfac și relația de recurență

Hn+1(x)=xHn(x)nHn1(x), (probabilități)
Hn+1(x)=2xHn(x)2nHn1(x). (fizică)

Aceste ultime relații, împreună cu polinoamele inițiale H0(x) și H1(x), pot fi utilizate în practică pentru calculul rapid al polinoamelor.

Funcția generatoare

Polinoamele Hermite sunt date de funcția generatoare exponențială

exp(xtt2/2)=n=0Hn(x)tnn! (probabilități)


exp(2xtt2)=n=0Hn(x)tnn! (fizică).

Această egalitate este valabilă pentru orice x, t complex, și se poate obține scriind dezvoltarea în serie Taylor în punctul x al funcției z → exp(−z2) (în cazul polinoamelor din fizică).

Expected value

Dacă X este o variabilă aleatoare cu distribuție normală cu deviație standard 1 și valoarea așteptată μ atunci

E(Hn(X))=μn. (probabilități)

Relații cu alte funcții

Polinoamele Laguerre

Polinoamele Hermite pot fi exprimate sub formă de caz particular al polinoamelor Laguerre.

H2n(x)=(4)nn!Ln(1/2)(x2)=4nn!i=0n(1)ni(n12ni)x2ii! (fizică)
H2n+1(x)=2(4)nn!xLn(1/2)(x2)=24nn!i=0n(1)ni(n+12ni)x2i+1i! (fizică)

Relația cu funcția hipergeometrică confluentă

Polinoamele Hermite pot fi exprimate drept caz particular al funcțiilor cilindrului parabolic.

Hn(x)=2nU(1n2,32;x2) (fizică)

unde U(a,b;z) este funcția hipergeometrică confluentă a lui Whittaker. Analog,

H2n(x)=(1)n(2n)!n!1F1(n,12;x2) (fizică)
H2n+1(x)=(1)n(2n+1)!n!2x1F1(n,32;x2) (fizică)

unde 1F1(a,b;z)=M(a,b;z) este funcția hipergeometrică confluentă a lui Kummer.

Reprezentare operatorială

Polinoamele Hermite din teoria probabilităților satisfac egalitatea

Hn(x)=eD2/2xn

unde D reprezintă derivarea în raport cu x, iar exponențiala este interpretată prin dezvoltarea în serie de puteri. Nu există chestiuni delicate de convergență a acestei serii când operează pe polinoame, fiindcă toți termenii în afara unui număr finit dispar.

Deoarece coeficienții seriei de puteri ai exponențialei sunt cunoscuți, iar derivatele de ordin superior al monomului xn pot fi explicitate, acestă reprezentare cu operator diferențial dă naștere unei formule concrete a coeficienților lui Hn, coeficienți ce pot fi utilizați pentru calculul rapid al acestor polinoame.

Întrucât expresia formală pentru transformata Weierstrass W este eD2, se vede că transformata Weierstrass a lui (√2)nHn(x/√2) este xn. În esență, transformata Weierstrass transformă o serie de polinoame Hermite într-o serie Maclaurin corespunzătoare.

Existența unei serii de puteri formale g(D), cu coeficienți constanți și nenuli, cum ar fi Hn(x) = g(D)xn, este și ea echivalentă cu afirmația că aceste polinoame formează un șir Appell. Deoarece sunt șir Appell, ele constituie a fortiori și un șir Sheffer.

Reprezentare integrală

Polinoamele Hermite au și o reprezentare în termeni de integrală pe contur:

Hn(x)=n!2πietxt2/2tn+1dt (probabilități)
Hn(x)=n!2πie2txt2tn+1dt (fizică)

conturul de integrare încercuind originea.

Generalizare

Polinoamele Hermite din teoria probabilităților, definite mai sus, sunt ortogonale în raport cu distribuția normală standard de probabilitate, a cărei funcție de densitate este

12πex2/2

cu valoarea așteptată 0 și varianța 1. Se poate vorbi de polinoame Hermite

Hn[α](x)

de varianță α, unde α este orice număr pozitiv. Acestea sunt ortogonale în raport cu distribuția normală de probabilitate cu funcția de densitate

(2πα)1/2ex2/(2α).

Ele sunt date de

Hn[α](x)=αn/2Hn[1](xα)=eαD2/2xn.

În particular, polinoamele Hermite din fizică sunt

Hn[1/2](x).

Dacă

Hn[α](x)=k=0nhn,k[α]xk

atunci șirul de polinoame al cărui al n-lea termen este

(Hn[α]H[β])(x)=k=0nhn,k[α]Hk[β](x)

va fi compunerea umbrală a celor două șiruri polinomiale, și se poate arăta că satisface egalitățile:

(Hn[α]H[β])(x)=Hn[α+β](x)

și

Hn[α+β](x+y)=k=0n(nk)Hk[α](x)Hnk[β](y).


Varianța negativă

Deoarece șirurile polinomiale formează un grup în raport cu operația de compunere umbrală, se poate nota că

Hn[α](x)

șirul invers al celui notat similar dar fără semnul minus, și astfel se poate vorbi de polinoame Hermite de varianță negativă. Pentru α > 0, coeficienții lui Hn[−α](x) sunt doar modulele valorilor coeficienților corespunzători ai lui Hn[α](x).

Acestea apar ca momente de distribuție normală de probabilitate: Al n-lea moment al distribuției normale cu valoarea așteptată μ și varianța σ2 este

E(Xn)=Hn[σ2](μ)

unde X este o variabilă aleatoare cu distribuția normală specificată. A special case of the cross-sequence identity then says that

k=0n(nk)Hk[α](x)Hnk[α](y)=Hn[0](x+y)=(x+y)n.

Aplicații

Funcții Hermite

One can define the Hermite functions from the physicists' polynomials:

ψn(x)=1n!2nπex2/2Hn(x).

Since these functions contain the square root of the weight function, and have been scaled appropriately, they are orthonormal:

ψn(x)ψm(x)dx=δ𝑛𝑚

and form an orthonormal basis of L2(R). This fact is equivalent to the corresponding statement for Hermite polynomials (see above).

The Hermite functions are closely related to the Whittaker function (Whittaker and Watson, 1962) Dn(z):

Dn(z)=(n!π)1/2ψn(z/2)

and thereby to other parabolic cylinder functions. The Hermite functions satisfy the differential equation:

ψn(x)+(2n+1x2)ψn(x)=0.

This equation is equivalent to the Schrödinger equation for a harmonic oscillator in quantum mechanics, so these functions are the eigenfunctions.

Hermite functions 0 (black), 1 (red), 2 (blue), 3 (yellow), 4 (green), and 5 (magenta).
Hermite functions 0 (black), 2 (blue), 4 (green), and 50 (magenta).

Relații de recurență

Following recursion relations of Hermite polynomials, the Hermite functions obey

ψn(x)=n2ψn1(x)n+12ψn+1(x)

Funcțiile Hermite ca funcții proprii ale transformatei Fourier

The Hermite functions ψn(x) are a set of eigenfunctions of the continuous Fourier transform. To see this, take the physicist's version of the generating function and multiply by exp(−x 2/2). This gives

exp(x2/2+2xtt2)=n=0exp(x2/2)Hn(x)tnn!.

Choosing the unitary representation of the Fourier transform, the Fourier transform of the left hand side is given by

{exp(x2/2+2xtt2)}(k)=12πexp(ixk)exp(x2/2+2xtt2)dx=exp(k2/22kit+t2)=n=0exp(k2/2)Hn(k)(it)nn!.

The Fourier transform of the right hand side is given by

{n=0exp(x2/2)Hn(x)tnn!}=n=0{exp(x2/2)Hn(x)}tnn!.

Equating like powers of t in the transformed versions of the left- and right-hand sides gives

{exp(x2/2)Hn(x)}=(i)nexp(k2/2)Hn(k).

The Hermite functions ψn(x) are therefore an orthonormal basis of L2(R) which diagonalizes the Fourier transform operator. In this case, we chose the unitary version of the Fourier transform, so the eigenvalues are (−i) n.

Interpretarea combinatorică a coeficienților

In the Hermite polynomial Hn(x) of variance 1, the absolute value of the coefficient of xk is the number of (unordered) partitions of an n-member set into k singletons and (nk)/2 (unordered) pairs.

Relații de completitudine

The following identity holds in the sense of distributionsFormat:Fact

n=0ψn(x)ψn(y)=δ(xy),

where δ is the Dirac delta function, (ψn) the Hermite functions, and δ(x − y) represents the Lebesgue measure on the line y = x in R2, normalized so that its projection on the horizontal axis is the usual Lebesgue measure. This distributional identity follows by letting u → 1 in the next pointwise identity, valid when −1 < u < 1

E(x,y;u):=n=0unψn(x)ψn(y)=1π(1u2)exp(1u1+u(x+y)241+u1u(xy)24).

The function (xy) → E(xyu) is the density for a Gaussian measure on R2 which is, when u is close to 1, very concentrated around the line y = x, and very spread out on that line. It follows that

(n=0unf,ψnψn),g=E(x,y;u)f(x)g(y)dxdyf(x)g(x)dx=f,g,

when ƒ, g are continuous and compactly supported. This yields that ƒ can be expressed from the Hermite functions, as sum of a series of vectors in L2(R), namely

f=n=0f,ψnψn.

In order to prove the equality above for E(xyu), the Fourier transform of Gaussian functions will be used several times,

ρπeρ2x2/4=eisxs2/ρ2ds,ρ>0.

The Hermite polynomial is then represented as

Hn(x)=(1)nex2dndxn(12πeisxs2/4ds)=(1)nex212π(is)neisxs2/4ds.

With this representation for Hn(x) and Hn(y), one sees that

E(x,y;u)=n=0un2nn!πHn(x)Hn(y)e(x2+y2)/2=e(x2+y2)/24ππ(n=012nn!(ust)n)eisx+itys2/4t2/4dsdt=e(x2+y2)/24ππeust/2eisx+itys2/4t2/4dsdt,

and this implies the desired result, using again the Fourier transform of Gaussian kernels after performing the substitution

s=σ+τ2,t=στ2.

Note

Referințe