Hermite-Polynome Rechner H_n und He_n
Hermite-Polynome Rechner H_n(x) Physiker und He_n(x) Probabilist: Rekurrenz, Koeffizienten, Normierung und Wellenfunktionen quantenharmonischer Oszillator.
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Die Hermite-Polynome
Die Hermite-Polynome, 1810 von Laplace eingeführt und 1864 systematisch von Charles Hermite untersucht, bilden eine Familie orthogonaler Polynome auf der gesamten reellen Achse mit Gaußschen Gewichten. Grundlegend in Quantenmechanik, Wahrscheinlichkeitsrechnung, numerischer Analysis und Signaltheorie.
Zwei Konventionen
- Physiker H_n(x), Gewicht e^(-x^2): H_0=1, H_1=2x, H_2=4x^2-2, H_3=8x^3-12x.
- Probabilist He_n(x), Gewicht e^(-x^2/2)/sqrt(2*pi): He_0=1, He_1=x, He_2=x^2-1, He_3=x^3-3x.
Umrechnung: H_n(x) = 2^(n/2) He_n(sqrt(2) x).
Rekurrenzen
Physiker: H_{n+1} = 2x H_n - 2n H_{n-1}.
Probabilist: He_{n+1} = x He_n - n He_{n-1}.
Rodrigues-Formel
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)].
Orthogonalität
integral H_m H_n e^(-x^2) dx = sqrt(pi) 2^n n! delta_mn.
integral He_m He_n e^(-x^2/2) dx = sqrt(2 pi) n! delta_mn.
Quantenharmonischer Oszillator
psi_n(x) = (1/sqrt(2^n n! sqrt(pi))) e^(-x^2/2) H_n(x). Energien E_n = hbar omega (n + 1/2). Grundzustand E_0 = hbar omega/2 (Nullpunktenergie).
Fünf Modi
- H_n Physiker.
- He_n Probabilist.
- Folge H_0..H_n.
- Explizite Koeffizienten.
- Quantenoszillator.
Statistik
- Charlier-Edgeworth-Entwicklung für nicht-gaußsche Dichten.
- Wiener-Ito-Chaos.
- Stochastische Analysis (Malliavin, Ito).
- Gauß-Hermite-Quadratur.
Physikalische Anwendungen
- Quantenharmonischer Oszillator: Eigenfunktionen psi_n von H = -hbar^2 d^2/dx^2/(2m) + (1/2) m omega^2 x^2.
- Molekülschwingungen: Normalmoden kleiner Oszillatoren um das Potentialminimum.
- Photonen in optischen Kavitäten: kohärente Zustände und Fock-Zustände.
- Kernphysik: Kernniveaus im harmonischen Schalenmodell.
- Lineare Optik: Hermite-Gauß-Ausbreitungsmoden in Lasern und Multimode-Glasfasern.
- Atomstruktur: Näherungen wasserstoffähnlicher Orbitale.
Geschichte der Hermite-Polynome
Wie in der Mathematik oft geschieht, wurden die Hermite-Polynome unabhängig von mehreren Gelehrten entdeckt. Pierre-Simon Laplace begegnete ihnen bereits 1810 in seinen Studien zur Wahrscheinlichkeit und Fehlertheorie. Der russische Mathematiker Pafnuty Chebyshev untersuchte sie 1859, und schließlich behandelte sie Charles Hermite, der ihnen den Namen gab, 1864 im Detail und entwickelte ihre Orthogonalitätstheorie. Es gibt zwei verschiedene Konventionen, die der Physiker und die der Wahrscheinlichkeitstheoretiker, die sich um eine Skalierung unterscheiden: die erste ist zentral in der Quantenmechanik, die zweite in der Statistik. Ihre Bedeutung wuchs im 20. Jahrhundert mit der Quantenmechanik enorm, wo die Hermite-Polynome die Zustände des harmonischen Oszillators beschreiben, eines der fundamentalen physikalischen Systeme.
Die Hermite-Funktionen und die Fourier-Transformation
Multipliziert man ein Hermite-Polynom mit einer Gaußfunktion, erhält man die Hermite-Funktionen, die eine außergewöhnliche Eigenschaft besitzen: sie sind die Eigenfunktionen der Fourier-Transformation. Mit anderen Worten ist die Fourier-Transformierte einer Hermite-Funktion die Funktion selbst, multipliziert mit einer Potenz der imaginären Einheit. Diese Eigenschaft macht sie zentral in der harmonischen Analysis und der Signalverarbeitung. Die Nullstellen der Hermite-Polynome liefern zudem die Knoten der Gauß-Hermite-Quadratur, der optimalen Methode zur Berechnung von Integralen über die gesamte reelle Achse mit Gaußschem Gewicht, allgegenwärtig in Statistik und Physik. In der Optik beschreiben die Hermite-Gauß-Moden die Form von Laserstrahlen.
Aktualisiert im Juli 2026
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