厄米多項式(Hermite polynomials)
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厄米多項式是那族黏在高斯鐘形曲線上出現的多項式。每當一個問題活在整條無限直線上、帶著鐘形的權重時,它們就是自然的建構單元——最著名的就是量子簡諧振子,其能量態是一個厄米多項式乘上 e^(-x^2/2)。
H_n(x) 是解厄米方程 y'' - 2x y' + 2n y = 0 的 n 次多項式。前幾個(物理學家的約定)是 H_0 = 1、H_1 = 2x、H_2 = 4x^2 - 2、H_3 = 8x^3 - 12x。它們在整條實線上正交,但帶高斯權重 e^(-x^2):H_m(x) H_n(x) e^(-x^2) 從 -infinity 到 infinity 的積分,在 m 不等於 n 時為 0,在 m = n 時等於 2^n n! sqrt(pi)。羅德里格斯公式給出它們:H_n(x) = (-1)^n e^(x^2) (d/dx)^n e^(-x^2)。
把 H_n(x) 乘上高斯 e^(-x^2/2),就得到量子簡諧振子的本徵態,psi_n 正比於 H_n(x) e^(-x^2/2),能量為 E_n = (n + 1/2) hbar omega。因為幾乎任何光滑位勢在其極小值附近都像一條拋物線,這使厄米-高斯集成為萬用的小振動基底——用於分子振動、聲子,以及量子化場的模態。同樣這些函數也是雷射光束的厄米-高斯橫模。
振子基態是 n = 0:H_0 = 1 乘上 e^(-x^2/2),一個純高斯,能量為 (1/2) hbar omega。第一激發態用 H_1 = 2x,給出一個有一個節點的波函數——奇函數,且在中心處為零。
每一個振子能階都把高斯乘上下一個厄米多項式。
有兩種約定並存:物理學家的 H_n(權重 e^(-x^2))與機率論者的 He_n(權重 e^(-x^2/2)),兩者差一個縮放。若混用,公式會悄悄對不上。