Polinomios de Laguerre - es.LinkFang.org

Polinomios de Laguerre


Los polinomios de Laguerre son una familia de polinomios ortogonales, llamados así en honor de Edmond Laguerre, surgen al examinar las soluciones a la ecuación diferencial:

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

Desarrollando \({\displaystyle y}\) en serie de potencias se obtiene una relación de recurrencia entre coeficientes consecutivos como la que sigue:

\({\displaystyle a_{k+1}={\frac {k-n}{(k+1)^{2}}}a_{k},\ \ k=0,1,2,...;\ \ \ y(x)=\sum _{k=0}^{\infty }a_{k}x^{k}\,}\)

Puede verse que siempre que n sea natural se anula el coeficiente de toda potencia mayor (y distinta) que n. Esto es, una de las soluciones linealmente independientes es un polinomio de grado n (polinomio de laguerre de orden n, que notaremos por Ln(x)). Para encontrar la otra solución linealmente independiente han de estudiarse las soluciones de la ecuación más general \({\displaystyle y''(x)+p(x)y'(x)+q(x)y(x)=0}\).

Índice

Definición


El polinomio de Laguerre de orden n puede definirse como sigue:

\({\displaystyle L_{n}(x)={\frac {e^{x}}{n!}}{\frac {d^{n}}{dx^{n}}}(x^{n}e^{-x}).}\)

Que tras desarrollar queda de la forma:

\({\displaystyle L_{n}(x)=\sum _{k=0}^{n}(-1)^{k}{n \choose k}{\frac {1}{k!}}x^{k}=\sum _{k=0}^{n}(-1)^{k}{\frac {n!}{(n-k)!k!k!}}x^{k}}\)

algunos de estos polinomios son:

n \({\displaystyle L_{n}(x)\,}\)
0 \({\displaystyle 1\,}\)
1 \({\displaystyle -x+1\,}\)
2 \({\displaystyle (x^{2}-4x+2)/2\,}\)
3 \({\displaystyle (-x^{3}+9x^{2}-18x+6)/6\,}\)
4 \({\displaystyle (x^{4}-16x^{3}+72x^{2}-96x+24)/24\,}\)
5 \({\displaystyle (-x^{5}+25x^{4}-200x^{3}+600x^{2}-600x+120)/120\,}\)
6 \({\displaystyle (x^{6}-36x^{5}+450x^{4}-2400x^{3}+5400x^{2}-4320x+720)/720\,}\)

Los polinomios de Laguerre también pueden ser definidos mediante la integral:

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

Integrando en sentido contrario a las agujas del reloj sobre cualquier camino cerrado en torno al origen del plano complejo y contenido en el disco |t| < 1.

Función generatriz


La función generatriz de los polinomios de Laguerre viene dada por:

\({\displaystyle \psi (x,t)=\sum _{n=0}^{\infty }{L_{n}(x)}t^{n}=\sum _{n=0}^{\infty }\sum _{k=0}^{n}{\frac {(-1)^{k}}{k!}}{n \choose k}x^{k}t^{n}\ \ \ |t|<1}\)

Cambiando el orden de los sumatorios, haciendo el cambio m = n - k y reordenando queda lo que a continuación:

\({\displaystyle \psi (x,t)=\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{k}}{k!}}x^{k}t^{k}\sum _{m=0}^{\infty }{m+k \choose k}t^{m}}\)

Que sabiendo que \({\displaystyle \ \scriptstyle \sum _{m=0}^{\infty }{m+k \choose k}t^{m}=\left({\frac {1}{1-t}}\right)^{k+1}\ \ \forall \ |t|<1}\), y después de reagrupar queda de la forma:

\({\displaystyle \psi (x,t)={\frac {1}{1-t}}\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {1}{k!}}\left({\frac {-xt}{1-t}}\right)^{k}={\frac {1}{1-t}}\exp {\left({\frac {-xt}{1-t}}\right)}}\)

Relaciones de recurrencia

A partir de la función generatriz, despejando la exponencial y derivando respecto de t se puede llegar a una relación de recurrencia como la siguiente:

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

Conocidos los dos primeros polinomios (ver tabla) puede utilizarse esta fórmula para obtener el de grado n.

Ortogonalidad


Los polinomios de Laguerre son ortogonales según el producto escalar:

\({\displaystyle \left\langle L_{n}|L_{m}\right\rangle =\int _{0}^{\infty }L_{n}(x)L_{m}(x)e^{-x}dx=\delta _{nm}}\)

Siendo \({\displaystyle \delta _{nm}}\) la delta de Kronecker. No obstante podemos definir las funciones:

\({\displaystyle \varphi _{n}(x)=L_{n}(x)e^{-x/2}}\)

Que claramente son ortonormales respecto del producto escalar ordinario:

\({\displaystyle \left\langle \varphi _{n}|\varphi _{m}\right\rangle =\int _{0}^{\infty }\varphi _{n}(x)\varphi _{m}(x)dx=\delta _{nm}}\)

Despejando de su definición los polinomios de Laguerre y sustituyendo en la ecuación de Laguerre obtenemos la ecuación diferencial que nos da estas funciones como solución:

\({\displaystyle x\varphi _{n}''(x)+\varphi _{n}'(x)+\left(n+{\frac {1}{2}}-{\frac {x}{4}}\right)\varphi _{n}(x)=0}\)

Polinomios asociados de Laguerre


También llamados polinomios de Laguerre generalizados, son polinomios que cumplen la siguiente ecuación diferencial:

\({\displaystyle xy''(x)+(m+1-x)y'(x)+ny(x)=0\,}\)

Definición

Quedan definidos a partir de las derivadas de los polinomios de Laguerre:

\({\displaystyle L_{n}^{m}(x)=(-1)^{m}{\frac {d^{m}}{dx^{m}}}L_{n+m}(x)={\frac {d^{m}}{dx^{m}}}\left(e^{x}{\frac {d^{n}}{dx^{n}}}(x^{n}e^{-x})\right)\ \ \ m\leq n}\)

Aunque en ocasiones puede resultar ventajosa la siguiente definición:

\({\displaystyle L_{n}^{m}(x)=e^{x}x^{-m}{\frac {d^{n}}{dx^{n}}}(e^{-x}x^{n+m})}\)

Puede comprobarse que para m > n el polinomio asociado correspondiente vale 0. Asimismo, salta a la vista que \({\displaystyle \scriptstyle L_{n}^{0}(x)=L_{n}(x)}\).

Derivando, según la definición se obtiene:

\({\displaystyle L_{n}^{m}(x)=\sum _{k=0}^{n-m}(-1)^{k}{n \choose k+m}{\frac {1}{k!}}x^{k}=\sum _{k=0}^{n-m}(-1)^{k}{\frac {n!}{(n-m-k)!(k+m)!k!}}x^{k}}\)

Función generatriz y relaciones de recurrencia

La función generatriz viene dada por:

\({\displaystyle \psi _{m}(x,t)=\sum _{n=m}^{\infty }L_{n}^{m}(x)t^{n}={\frac {1}{(1-t)^{m+1}}}\exp {\left({\frac {-xt}{1-t}}\right)}\ \ \ |t|<1}\)

De la que se derivan las relaciones de recurrencia que cumplen; algunas de las cuales son las siguientes:

\({\displaystyle L_{n}^{m}(x)=L_{n}^{m+1}(x)-L_{n-1}^{m+1}(x)}\)
\({\displaystyle {\frac {d}{dx}}L_{n}^{m}(x)=-L_{n-1}^{m+1}(x)}\)
\({\displaystyle nL_{n}^{m}(x)=(n+m)L_{n-1}^{m}(x)-xL_{n-1}^{m+1}(x)}\)
\({\displaystyle (n+1)L_{n+1}^{m}(x)=(2n+m+1-x)L_{n}^{m}(x)-(n+m)L_{n-1}^{m}(x)}\)
\({\displaystyle x{\frac {d}{dx}}L_{n}^{m}(x)=nL_{n}^{m}(x)-(n+m)L_{n-1}^{m}(x)}\)

Ortogonalidad

Los polinomios asociados de Laguerre son ortogonales respecto la función peso \({\displaystyle \scriptstyle x^{m}e^{-x}}\). Se cumple que:

\({\displaystyle \left\langle L_{n}^{m}|L_{n'}^{m}\right\rangle =\int _{0}^{\infty }e^{-x}x^{m}L_{n}^{m}(x)L_{n'}^{m}(x)dx={\frac {\Gamma (n+m+1)}{n!}}\delta _{nn'}}\)

Otra relación de importancia que cumplen es la siguiente:

\({\displaystyle \left\langle L_{n}^{m}|xL_{n}^{m}\right\rangle =\int _{0}^{\infty }e^{-x}x^{m+1}L_{n}^{m}(x)L_{n}^{m}(x)dx={\frac {\Gamma (n+m+1)}{n!}}(2n+m+1)}\)


Donde \({\displaystyle \scriptstyle \Gamma (k)}\) es la función Gamma.

Como con los polinomios de Laguerre, se encuentra que las siguientes funciones son ortonormales respecto de la función peso 1:

\({\displaystyle \varphi _{nm}(x)={\sqrt {\frac {n!}{\Gamma (n+m+1)}}}e^{-x/2}x^{m/2}L_{n}^{m}(x)}\)

Son de importancia en mecánica cuántica otras que son ortonormales respecto de la función peso \({\displaystyle \scriptstyle x^{2}}\) (debido a la forma que toma la integral de volumen en coordenadas esféricas) que surgen como solución a la parte radial de la ecuación de Schrödinger para el átomo hidrogenoide. Estas funciones son las siguientes:

\({\displaystyle R_{nl}(\rho )=Ne^{-\rho /2}\rho ^{l}L_{n+l}^{2l+1}(\rho )}\)

En general las funciones construidas de la forma:

\({\displaystyle \varphi _{nm\nu }(x)=e^{-x/2}x^{\nu }L_{n}^{m}(x)}\)

Son ortogonales respecto de la función peso \({\displaystyle \scriptstyle x^{m-2\nu }}\) y son solución de la ecuación:

\({\displaystyle x\varphi _{nm\nu }''(x)+(m+1-2\nu )\varphi _{nm\nu }'(x)+\left[n+{\frac {m+1}{2}}-{\frac {x}{4}}+{\frac {\nu (\nu -m)}{x}}\right]\varphi _{nm\nu }=0}\)

Relación con los polinomios de Hermite

Los polinomios de Laguerre se relacionan con los polinomios de Hermite como sigue:

\({\displaystyle L_{n}^{-1/2}(x)={\frac {(-1)^{n}}{2^{2n}n!}}H_{2n}({\sqrt {x}})}\)

\({\displaystyle L_{n}^{1/2}(x)={\frac {(-1)^{n}}{2^{2n+1}n!}}{\frac {H_{2n+1}({\sqrt {x}})}{\sqrt {x}}}}\)

Véase también


Referencia











Categorías: Ecuaciones diferenciales | Polinomios ortogonales




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