Calcolatore Polinomi di Hermite H_n e He_n
Calcolatore polinomi di Hermite H_n(x) fisico e He_n(x) probabilistico: ricorrenza, coefficienti, normalizzazione e funzioni d onda oscillatore armonico.
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I polinomi di Hermite
I polinomi di Hermite, introdotti da Pierre-Simon Laplace nel 1810 e studiati sistematicamente da Charles Hermite nel 1864, sono una famiglia di polinomi ortogonali su tutta la retta reale rispetto a pesi Gaussiani. Sono tra le funzioni speciali più' importanti in meccanica quantistica, probabilità', analisi numerica e teoria dei segnali.
Due convenzioni: fisica e probabilistica
Esistono due convenzioni standard, legate da semplici trasformazioni:
- Convenzione fisica H_n(x), con peso w(x) = e^(-x^2) su R: H_0=1, H_1=2x, H_2=4x^2-2, H_3=8x^3-12x, H_4=16x^4-48x^2+12.
- Convenzione probabilistica He_n(x), con peso w(x) = e^(-x^2/2)/sqrt(2*pi): He_0=1, He_1=x, He_2=x^2-1, He_3=x^3-3x, He_4=x^4-6x^2+3.
Conversione: H_n(x) = 2^(n/2) * He_n(sqrt(2) x), equivalente H_n(x) e He_n con riscalamento.
Ricorrenze a tre termini
Le due convenzioni hanno ricorrenze analoghe:
Fisico: H_{n+1}(x) = 2x * H_n(x) - 2n * H_{n-1}(x), H_0=1, H_1=2x
Probabilistico: He_{n+1}(x) = x * He_n(x) - n * He_{n-1}(x), He_0=1, He_1=x
La ricorrenza fisica deriva dalla funzione generatrice exp(2xt - t^2), quella probabilistica da exp(xt - t^2/2).
Formula di Rodrigues
Entrambi i polinomi hanno rappresentazione esplicita:
H_n(x) = (-1)^n * e^(x^2) * d^n/dx^n [e^(-x^2)]
He_n(x) = (-1)^n * e^(x^2/2) * d^n/dx^n [e^(-x^2/2)]
Queste derivano direttamente dalle funzioni generatrici via espansione in serie di Taylor in t.
Ortogonalita' con peso Gaussiano
Le due convenzioni hanno relazioni di ortogonalita':
integral_-inf^inf H_m(x) H_n(x) e^(-x^2) dx = sqrt(pi) * 2^n * n! * delta_mn
integral_-inf^inf He_m(x) He_n(x) e^(-x^2/2) dx = sqrt(2*pi) * n! * delta_mn
Il fattore e^(-x^2) sul dominio (-inf, inf) garantisce la convergenza dell'integrale nonostante la crescita polinomiale. Questa ortogonalita' e' la base per l'espansione in serie di Hermite di funzioni generiche.
Oscillatore armonico quantistico
La più' famosa applicazione: le autofunzioni dell'oscillatore armonico quantistico in meccanica quantistica hanno forma:
psi_n(x) = (1 / sqrt(2^n * n! * sqrt(pi))) * e^(-x^2/2) * H_n(x)
in unità normalizzate (x in unità di sqrt(hbar / (m omega))). Le energie sono E_n = hbar omega (n + 1/2), con n = 0, 1, 2, .... Il punto zero E_0 = hbar omega / 2 e' la 'zero-point energy' tipica della quantizzazione. I polinomi H_n incorporano i nodi della funzione d'onda: psi_n ha esattamente n nodi (zeri) sulla retta reale.
Le cinque modalita'
- H_n(x) fisico: convenzione della fisica con peso e^(-x^2).
- He_n(x) probabilistico: convenzione statistica con peso e^(-x^2/2)/sqrt(2*pi).
- Sequenza H_0..H_n: lista completa per un x.
- Coefficienti espliciti: polinomio in forma standard.
- Oscillatore quantistico: funzione d'onda psi_n con energia E_n.
Statistica e processi stocastici
I polinomi probabilistici He_n formano una base ortonormale per L^2(R, gaussiana) e sono fondamentali in:
- Espansione di Charlier-Edgeworth: approssimazione di densità' non-gaussiane tramite correzioni su gaussiana.
- Chaos di Wiener (Wiener-Ito): decomposizione di variabili casuali funzioni di moto browniano.
- Calcolo stocastico: risoluzione di SDE con metodo di Malliavin e integrale di Ito.
- Statistica non parametrica: test di normalita' e stima di densità'.
- Quadratura di Gauss-Hermite: integrazione numerica di funzioni pesate e^(-x^2).
Applicazioni in fisica
- Oscillatore armonico quantistico: autofunzioni psi_n di H = -hbar^2 d^2/dx^2 / (2m) + (1/2) m omega^2 x^2.
- Vibrazioni molecolari: modi normali di piccoli oscillatori attorno al minimo di potenziale.
- Fotoni in cavita' ottiche: stati coerenti e stati di Fock.
- Fisica nucleare: livelli del nucleo in shell model armonico.
- Ottica lineare: modi di propagazione gaussiani (Hermite-Gauss) in laser e fibre ottiche.
- Struttura atomica: approssimazioni delle orbitali di atomi idrogenoidi.
Storia dei polinomi di Hermite
Come spesso accade in matematica, i polinomi di Hermite furono scoperti indipendentemente da più studiosi. Pierre-Simon Laplace li incontrò già nel 1810 nei suoi studi di probabilità e teoria degli errori. Il matematico russo Pafnuty Chebyshev li studiò nel 1859, e infine Charles Hermite, che diede loro il nome, li trattò in dettaglio nel 1864, sviluppandone la teoria dell'ortogonalità. Esistono due convenzioni distinte, quella dei fisici e quella dei probabilisti, che differiscono per una scalatura: la prima è centrale in meccanica quantistica, la seconda in statistica. La loro importanza crebbe enormemente nel Novecento con la meccanica quantistica, dove i polinomi di Hermite descrivono gli stati dell'oscillatore armonico, uno dei sistemi fisici fondamentali.
Le funzioni di Hermite e la trasformata di Fourier
Moltiplicando un polinomio di Hermite per una gaussiana si ottengono le funzioni di Hermite, che possiedono una proprietà straordinaria: sono le autofunzioni della trasformata di Fourier. In altre parole, la trasformata di Fourier di una funzione di Hermite è la funzione stessa, moltiplicata per una potenza dell'unità immaginaria. Questa proprietà le rende centrali nell'analisi armonica e nel trattamento dei segnali. Le radici dei polinomi di Hermite forniscono inoltre i nodi della quadratura di Gauss-Hermite, il metodo ottimale per calcolare integrali su tutta la retta reale con peso gaussiano, onnipresenti in statistica e fisica. In ottica, i modi di Hermite-Gauss descrivono la forma dei fasci laser.
Aggiornato a luglio 2026
Domande frequenti
Cosa sono i polinomi di Hermite?
Qual è la differenza fra convenzione fisica e probabilistica?
Cos'è la ricorrenza a tre termini?
Qual è il legame con l'oscillatore armonico quantistico?
Cosa significa ortogonalità con peso gaussiano?
Cos'è la quadratura di Gauss-Hermite?
Come si usano in statistica?
Chi ha introdotto i polinomi di Hermite?
Formula
Fisico: H_{n+1}(x) = 2x H_n(x) - 2n H_{n-1}(x), H_0=1, H_1=2x. Probabilistico: He_{n+1}(x) = x He_n(x) - n He_{n-1}(x). Rodrigues: H_n(x) = (-1)^n e^(x^2) d^n/dx^n [e^(-x^2)]. Ortogonalita: integral H_m H_n e^(-x^2) dx = sqrt(pi) 2^n n! delta_mn.
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