Calculateur Polynomes de Laguerre L_n et Associes
Calculateur polynomes de Laguerre L_n(x) et associes L_n^alpha(x) : recurrence, coefficients, quadrature Gauss-Laguerre et fonction radiale atome hydrogene.
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Les polynomes de Laguerre
Les polynomes de Laguerre, introduits par Edmond Laguerre en 1879 resolvant son EDO eponyme, forment une famille orthogonale sur [0, inf) avec poids e^(-x). Fondamentaux en mecanique quantique (atome d hydrogene), physique statistique, analyse numérique et théorie des files d attente.
Équation differentielle
x L_n''(x) + (1 - x) L_n'(x) + n L_n(x) = 0, L_n(0) = 1. Associes L_n^alpha avec paramètre alpha, poids x^alpha e^(-x).
Recurrence
(n+1) L_{n+1} = (2n+1 - x) L_n - n L_{n-1}, L_0=1, L_1=1-x. Associes avec (2n+1+alpha - x) et (n+alpha).
Premiers polynomes
- L_0 = 1
- L_1 = 1 - x
- L_2 = (x^2 - 4x + 2) / 2
- L_3 = (-x^3 + 9x^2 - 18x + 6) / 6
- L_4 = (x^4 - 16x^3 + 72x^2 - 96x + 24) / 24
Formule de Rodrigues
L_n(x) = (e^x / n!) d^n/dx^n [x^n e^(-x)]. Associes : L_n^alpha(x) = (x^(-alpha) e^x / n!) d^n/dx^n [x^(n+alpha) e^(-x)].
Orthogonalite
integral_0^inf L_m L_n e^(-x) dx = delta_mn. Associes avec x^alpha e^(-x).
Cinq modes
- L_n simple.
- L_n^alpha associe.
- Suite L_0..L_n.
- Coefficients explicites.
- Atome d hydrogene R_{nl}.
Atome d hydrogene
R_{nl}(r) = N_{nl} e^(-r/(n a_0)) (2r/(n a_0))^l L_{n-l-1}^(2l+1)(2r/(n a_0)). Nombre quantique n, moment angulaire l. Noeuds radiaux : R_{nl} a n-l-1 noeuds. Etat fondamental 1s : n=1, l=0.
Quadrature Gauss-Laguerre
Noeuds x_k racines de L_n, poids w_k = x_k / ((n+1)^2 L_{n+1}(x_k)^2). integral_0^inf f e^(-x) dx ~ sum w_k f(x_k), exacte pour polynomes de degré <= 2n-1.
Applications
- Mecanique quantique : atome d hydrogene, oscillateur isotrope 3D.
- Physique statistique : distributions Maxwell-Boltzmann.
- Théorie des files : Erlang et processus de Poisson.
- Analyse numérique : Gauss-Laguerre semi-infinis.
- Physique des plasmas : modes collectifs.
Histoire des polynômes de Laguerre
Les polynômes tirent leur nom du mathématicien français Edmond Laguerre, qui les étudia en 1879 dans le cadre de la théorie des équations différentielles et des fractions continues. Laguerre, connu aussi pour ses contributions à la géométrie et à l'analyse, définit cette famille de polynômes orthogonaux sur l'intervalle semi-infini [0, ∞) par rapport au poids exponentiel e^(−x). Ce choix de domaine et de poids les distingue des polynômes de Legendre (intervalle fini) et de Hermite (droite réelle à poids gaussien). Leur importance grandit énormément au XXe siècle avec la mécanique quantique : les polynômes de Laguerre associés apparaissent dans la solution exacte de l'atome d'hydrogène, l'un des triomphes de la physique théorique, où ils décrivent la partie radiale des fonctions d'onde des électrons.
Les polynômes de Laguerre associés et l'atome d'hydrogène
Au-delà des polynômes de Laguerre simples existe une famille plus générale, les polynômes de Laguerre associés L_n^α(x), qui dépendent d'un paramètre α. Ils vérifient une récurrence analogue et sont orthogonaux avec le poids x^α·e^(−x). Leur rôle le plus célèbre est dans la solution de l'atome d'hydrogène en mécanique quantique : en résolvant l'équation de Schrödinger en coordonnées sphériques, la partie radiale de la fonction d'onde de l'électron s'exprime exactement au moyen des polynômes de Laguerre associés. Les nombres quantiques principal n et azimutal ℓ correspondent aux indices du polynôme. Cette connexion, découverte dans les années 1920, fit des polynômes de Laguerre un outil indispensable de la physique atomique et quantique moderne.
Mis à jour en juillet 2026
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