Mercredi 11 Décembre 2024
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Polynôme de Laguerre - Définition

Source: Wikipédia sous licence CC-BY-SA 3.0.
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- Introduction - Les quelques premiers polynômes - Expression par une intégrale de contour - Propriétés - Relation aux polynômes d'Hermite - Polynômes de Laguerre généralisés - Relation aux fonctions hypergéométriques

Introduction

En mathématiques, les polynômes de Laguerre, nommés d'après Edmond Laguerre (1834 - 1886), sont les solutions de l'équation de Laguerre :

x\,y'' + (1 - x)\,y' + n\,y = 0\,

qui est une équation différentielle linéaire du second ordre. Cette équation a des solutions non singulières seulement si n est un entier positif.

Ces polynômes, traditionnellement notés L_0, L_1, \dots , forment une suite de polynômes qui peut être définie par la formule de Rodrigues

L_n(x)=\frac{e^x}{n!}\frac{d^n}{dx^n}\left(e^{-x} x^n\right).

Ils sont orthogonaux les uns par rapport aux autres pour le produit scalaire défini par

\langle f,g \rangle = \int_0^\infty f(x) g(x) e^{-x}\,dx.

La séquence des polynômes de Laguerre est une suite de Sheffer.

Les polynômes de Laguerre apparaissent en mécanique quantique dans la partie radiale de la solution de l'équation de Schrödinger pour un atome à un électron.

Les physiciens utilisent souvent une définition des polynômes de Laguerre où les polynômes sont multipliés par un facteur (n!) par rapport à la définition donnée ici.

Les quelques premiers polynômes

Voici les premiers polynômes de Laguerre:

n L_n(x)\,
0 1\,
1 -x+1\,
2 \begin{matrix}\frac12\end{matrix} (x^2-4x+2) \,
3 \begin{matrix}\frac16\end{matrix} (-x^3+9x^2-18x+6) \,
4 \begin{matrix}\frac1{24}\end{matrix} (x^4-16x^3+72x^2-96x+24) \,
5 \begin{matrix}\frac1{120}\end{matrix} (-x^5+25x^4-200x^3+600x^2-600x+120) \,
6 \begin{matrix}\frac1{720}\end{matrix} (x^6-36x^5+450x^4-2400x^3+5400x^2-4320x+720) \,
Les 6 premiers polynômes de Laguerre.

Expression par une intégrale de contour

Les polynômes peuvent être exprimés en termes d'une intégrale de contour

L_n(x)=\frac{1}{2\pi i}\oint\frac{e^{-xt/(1-t)}}{(1-t)\,t^{n+1}} \; dt

où le contour entoure l'origine une fois dans le sens trigonométrique.

Propriétés

La fonction génératrice pour les polynômes de Laguerre est

\frac{e^{-xt/(1-t)}}{1-t} = \sum_{n=0}^\infty L_n(x) \frac{t^n}{n!}\, .

Le n-ième polynôme de Laguerre satisfait l'équation différentielle suivante :

x L_n''(x)+ (1-x)L_n'(x)+ n L_n(x)=0.\,

On a aussi la suite récurrente suivante :

(n+1)L_{n+1}(x)+ (x-2n-1) L_{n}(x)+nL_{n-1}(x)=0.\,

Les polynômes satisfont la propriété

x L_n'(x)-nL_{n}(x)+nL_{n-1}(x)=0,\,

Relation aux polynômes d'Hermite

Les polynômes de Laguerre généralisés apparaissent dans le traitement de l'oscillateur harmonique quantique, à cause de leur relation aux polynômes d'Hermite, qui peuvent être exprimés par

H_{2n}(x) = (-1)^n 2^{2n} n! L_n^{(-1/2)} (x^2)

et

H_{2n+1}(x) = (-1)^n 2^{2n+1} n! x L_n^{(1/2)} (x^2)

où les Hn(x) sont les polynômes d'Hermite.

Polynômes de Laguerre généralisés

La propriété d'orthogonalité évoquée plus haut revient à dire que si X est une variable aléatoire distribuée exponentiellement avec la fonction densité de probabilité

f(x)=\left\{\begin{matrix} e^{-x} & \mbox{si}\ x>0, \\ 0 & \mbox{si}\ x<0, \end{matrix}\right.

alors

E(L_n(X),L_m(X))=0\ \mbox{si}\ n\neq m.

La distribution exponentielle n'est pas la seule distribution Gamma. Une séquence polynomiale orthogonale par rapport à la distributoin gamma dont la fonction densité de probabilité est, pour α > − 1,

f(x)=\left\{\begin{matrix} x^\alpha e^{-x}/\Gamma(1+\alpha) & \mbox{si}\ x>0, \\ 0 & \mbox{si}\ x<0, \end{matrix}\right.

(cf.fonction gamma) est donnée par l'équation de Rodrigues pour les polynômes de Laguerre généralisés:

L_n^{(\alpha)}(x)= {x^{-\alpha} e^x \over n!}{d^n \over dx^n} \left(e^{-x} x^{n+\alpha}\right) .

Ils sont parfois appelés les polynômes de Laguerre associés. On retrouve les polynômes de Laguerre simples en prenant α = 0:

L^{(0)}_n(x)=L_n(x).

Les polynômes de Laguerre généralisés sont orthogonaux sur [0,\infty) par rapport à la fonction de poids xαe − x:

\int_0^{\infty}e^{-x}x^\alpha L_n^{(\alpha)}(x)L_m^{(\alpha)}(x)dx=\frac{\Gamma(n+\alpha+1)}{n!}\delta_{nm}.

Les polynômes de Laguerre généralisés obéissent à l'équation différentielle

x L_n^{(\alpha) \prime\prime}(x) + (\alpha+1-x)L_n^{(\alpha)\prime}(x) + n L_n^{(\alpha)}(x)=0.\,

Exemples de polynômes de Laguerre généralisés

Les premiers polynômes de Laguerre généralisés sont

L_0^{(\alpha)} (x) = 1
L_1^{(\alpha)}(x) = -x + \alpha +1
L_2^{(\alpha)}(x) = \frac{x^2}{2} - (\alpha + 2)x + \frac{(\alpha+2)(\alpha+1)}{2}
L_3^{(\alpha)}(x) = \frac{-x^3}{6} + \frac{(\alpha+3)x^2}{2} - \frac{(\alpha+2)(\alpha+3)x}{2} + \frac{(\alpha+1)(\alpha+2)(\alpha+3)}{6}

Dérivées des polynômes de Laguerre généralisés

En différentiant la représentation en série d'un polynôme de Laguerre généralisé k fois conduit à

\frac{\mathrm d^k}{\mathrm d x^k} L_n^{(\alpha)} (x) = (-1)^k L_{n-k}^{(\alpha+k)} (x)\,.
Relation aux fonctions hypergéométriques
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