Polynôme d'Hermite - Définition

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En mathématiques, les polynômes d'Hermite sont une suite de polynômes qui ont été nommés ainsi en l'honneur de Charles Hermite. Ils sont définis comme suit :

H_n(x)=(-1)^n e^{x^2/2}\frac{d^n}{dx^n}e^{-x^2/2} (forme dite probabiliste)
H_n(x)=(-1)^n e^{x^2}\frac{d^n}{dx^n}e^{-x^2} (forme dite physique)

Les deux définitions ne sont pas tout à fait équivalentes ; les polynômes d'une définition sont en " compression " ou en " expansion " par rapport à l'autre définition.

On peut effectuer le passage d'une forme à l'autre grâce à la relation suivante: H_n^{phys}(x) = 2^{n/2}H_n^{proba}(\sqrt{2}\,x)\,\!.

Les premiers polynômes d'Hermite sont les suivants (forme "probabiliste") :

H_0(x)=1~
H_1(x)=x~
H_2(x)=x^2-1~
H_3(x)=x^3-3x~
H_4(x)=x^4-6x^2+3~
H_5(x)=x^5-10x^3+15x~
H_6(x)=x^6-15x^4+45x^2-15~

on peut en réalité démontrer que le coefficient x^{p-2}~ de {H_p}~ vaut -p(p-1)/4 et que bien sûr le coefficient x^{p-1}~ de {H_p}~ est toujours nul.

Sous leur forme "physique", les premiers polynômes sont:

H_0(x)=1~
H_1(x)=2x~
H_2(x)=4x^2-2~
H_3(x)=8x^3-12x~
H_4(x)=16x^4-48x^2+12~
H_5(x)=32x^5-160x^3+120x~
H_6(x)=64x^6-480x^4+720x^2-120~

Orthogonalité

La n-ième fonction de la suite est un polynôme de degré n. Ces polynômes sont orthogonaux pour la mesure

e^{-x^2/2}\,dx,

c'est-à-dire que :

\int_{-\infty}^{+\infty} H_n(x)H_m(x)\,e^{-x^2/2}\,dx=n!\sqrt{2\pi}~\delta_{nm}

où δn m est le symbole de Kronecker, qui vaut 1 quand n = m et 0 sinon. Ces fonctions forment une base orthogonale d'un espace de Hilbert où les fonctions satisfont la propriété suivante :

\int_{-\infty}^{+\infty}\left|f(x)\right|^2\,e^{-x^2/2}\,dx< +\infty,

dans laquelle le produit scalaire est donné par l'intégrale

\langle f,g\rangle=\int_{-\infty}^{+\infty} f(x)\overline{g(x)}\,e^{-x^2/2}\,dx.

Diverses propriétés

Le n-ième polynôme d'Hermite satisfait l'équation différentielle suivante :

H_n''(x)-2xH_n'(x)+2nH_n(x)=0.\,

On a aussi la suite récurrente suivante :

H_{n+1}(x)- xH_{n}=-(n(n-1)/4)H_{n-2}(x).\,

Les polynômes satisfont la propriété

H_n'(x)=nH_{n-1}(x),\,

que l'on peut écrire ainsi

H_n(x+y)=\sum_{k=0}^n{n \choose k}x^k H_{n-k}(y)
Polynômes d'Hermite
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