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拉盖尔多项式

先算拉盖尔作为演示。

拉盖尔方程​

拉盖尔方程的一般形式是,

xD2y+(1−x)Dy−λy=0xD^2y+(1-x)Dy - \lambda y=0

化为厄米的形式,当然,可以看到这个方程天生是不满足厄米条件的,两边乘一个 w(x)w(x) 后是可以的。

事实上,有通用的方法——我们记,

k(x)=pwk(x) = pw

因此,

kD2y+k′Dy+?=0kD^2y+k'Dy+? = 0

即,

k′k=1−xx\frac{k'}{k} = \frac{1-x}{x}

这是个经典的一阶微分方程,

∫1−xxdx=log⁡(x)−x+?\int \frac{1-x}{x} \mathrm{d}x \\ = \log (x) - x + ?

因此,

k(x)=e−xxk(x) = e^{-x}x

因此,

w(x)=e−xw(x) = e^{-x} xe−xD2y+(1−x)e−xDy=λe−xyxe^{-x} D^2y + (1-x)e^{-x} D y = \lambda e^{-x} y

是厄米的。

记左侧为算子(稍微化简一点),

E^=D(e−xxD)\hat{E} = D(e^{-x}x D)

下面为了方便,记,

Ln=∣n⟩L_n = |n\rangle

本征函数的计算​

下面我们保证 LnL_n 是首一的(即最高次项系数为 11)。(根据不同的书,这里的规定不同。有些规定 LnL_n 是归一的,即 ⟨n∣n⟩=1\langle n|n \rangle = 1。此时只差一个常系数)。

因为 Ln(x)L_n(x) 相互正交,且是按次数递增的,因此前 nn 个 Ln(x)L_n(x) 必然能张成次数低于 nn 的多项式空间。因此,

x∣n⟩=∑k=0n+1?k∣k⟩x|n\rangle = \sum_{k=0}^{n+1} ?_k |k\rangle

式子左边整体是一个任意给的多项式,因此它一定可以被拉盖尔函数集张成。

可以为了方便换一下顺序,

∣n+1⟩=Anx∣n⟩+∑k=0nck∣k⟩|n+1\rangle = A_n x|n\rangle + \sum_{k=0}^{n} c_k |k\rangle

我们两侧作用 ⟨m∣\langle m| , m≤nm \leq n 。

⟨m∣n+1⟩=0=An⟨m∣x∣n⟩+cm⟨m∣m⟩\langle m|n+1\rangle = 0 = A_n \langle m|x|n\rangle + c_m \langle m|m\rangle

注意,狄拉克记号里的算子都必须是厄米的。而这里只涉及实函数,而在定义下实函数一定是厄米的,即这里的 xx。

考察,

⟨m∣x∣n⟩\langle m|x|n\rangle

如果将 ⟨m∣x\langle m|x 视为整体,那么这个操作是计算 ⟨m∣x\langle m|x 在 ∣n⟩|n\rangle 上的投影。因为 ⟨m∣x\langle m|x 也是多项式,必然也能展开,

x∣m⟩=∑k=0m+1?k∣k⟩x | m \rangle = \sum_{k=0}^{m+1} ?_k |k\rangle

最高次是 m+1m+1 阶,因此当 m+1<nm+1 < n 时,这个投影为零(正交性)。

而如果 ⟨m∣x∣n⟩\langle m|x|n\rangle 为零, cmc_m 也为零。因此,对于,

∣n+1⟩=Anx∣n⟩+∑k=0nck∣k⟩|n+1\rangle = A_n x|n\rangle + \sum_{k=0}^{n} c_k |k\rangle

只有 k=n−1k = n - 1 与 k=nk = n , ckc_k 可能不为零,因此,

∣n+1⟩=Anx∣n⟩+Bn∣n⟩+Cn∣n−1⟩|n+1\rangle = A_n x|n\rangle + B_n |n\rangle + C_n |n - 1\rangle

如果我们要保证首一性,因为右侧最高次项只能来自 x∣n⟩x|n\rangle,如果 ∣n⟩|n\rangle 首一,要保证 ∣n+1⟩|n+1\rangle 首一, An=1A_n = 1。综上,我们得到带有待定系数的递推公式,

∣n+1⟩=x∣n⟩+Bn∣n⟩+Cn∣n−1⟩|n+1\rangle = x|n\rangle + B_n |n\rangle + C_n |n - 1\rangle

一旦确定待定系数。我们就能得到拉盖尔函数。

两侧作用算子 E^\hat{E} ,

λn+1∣n+1⟩=exE^(x∣n⟩)+λnBn∣n⟩+λn−1Cn∣n−1⟩\lambda_{n+1} |n+1\rangle = e^{x} \hat{E}(x|n\rangle) + \lambda_n B_n |n\rangle + \lambda_{n-1} C_n |n - 1\rangle

由基底展开的唯一性, exE^(x∣n⟩)e^{x} \hat{E}(x|n\rangle) 必然会产出与 λnBn∣n⟩+λn−1Cn∣n−1⟩\lambda_n B_n |n\rangle + \lambda_{n-1} C_n |n - 1\rangle 相抵消的项,然后产出 λn+1∣n+1⟩\lambda_{n+1} |n+1\rangle 。

现在继续展开,

λn+1∣n+1⟩=exE^(x∣n⟩)+λnBn∣n⟩+λn−1Cn∣n−1⟩=exD(e−xxD(xLn))+λnBn∣n⟩+λn−1Cn∣n−1⟩=−xD(xLn)+D(xLn)+xD2(xLn)+λnBn∣n⟩+λn−1Cn∣n−1⟩\lambda_{n+1} |n+1\rangle = \\ e^{x} \hat{E}(x|n\rangle) + \lambda_n B_n |n\rangle + \lambda_{n-1} C_n |n - 1\rangle \\ = e^{x} D(e^{-x} x D (x L_n)) + \lambda_n B_n |n\rangle + \lambda_{n-1} C_n |n - 1\rangle \\ = -xD(xL_n) + D(xL_n) + xD^2(x L_n) + \lambda_n B_n |n\rangle + \lambda_{n-1} C_n |n - 1\rangle

考虑 n+1n+1 次项,左侧的系数为 λn+1\lambda_{n+1} (首一性),右侧的最高次只能来自 −xD(xLn)-xD(xL_n) 。它产生且只产生 n+1n+1 次项,

−xD(xLn)=−x2DLn−xLn-xD(xL_n) \\ = -x^2 D L_n -x L_n

再次,因为首一性, −x2DLn-x^2 D L_n 产生一个系数为 nn 的 n+1n+1 次项, xLnx L_n 产生一个系数为 11 的 n+1n+1 次项。两侧系数相同,因此,

λn+1=−(n+1)\lambda_{n+1} = -(n + 1)

即对于任意的 nn , λn=−n\lambda_n = -n 。

现在考虑 nn 次项。设 ∣n⟩|n\rangle 的次高项系数为 PnP_n,先考虑,

∣n+1⟩=x∣n⟩+Bn∣n⟩+Cn∣n−1⟩|n+1\rangle = x|n\rangle + B_n |n\rangle + C_n |n - 1\rangle

根据首一性,

Pn+1=Pn+BnP_{n+1} = P_n + B_n

继续考虑,

λn+1∣n+1⟩=−xD(xLn)+D(xLn)+xD2(xLn)+λnBn∣n⟩+λn−1Cn∣n−1⟩\lambda_{n+1} |n+1\rangle = -xD(xL_n) + D(xL_n) + xD^2(x L_n) + \lambda_n B_n |n\rangle + \lambda_{n-1} C_n |n - 1\rangle

左侧的 nn 次项系数为 λn+1Pn+1\lambda_{n+1} P_{n+1}。继续考虑右侧。

现在考察右侧能产生的 nn 次项。

首先是 λnBn∣n⟩\lambda_n B_n |n\rangle,因为首一性产生一个 λnBn\lambda_n B_n 。

然后是, −xD(xLn)-xD(xL_n) 求导里面 LnL_n 的 n−1n - 1 次项系数为 PnP_n ,因此这一项产生 −nPn- n P_n 。

D(xLn)D(xL_n) 因为首一性产生 n+1n + 1 。

xD2(xLn)xD^2(x L_n) 因为首一性贡献 n(n+1)n (n + 1) 。

因此,

λn+1Pn+1=λnBn−nPn+(n+1)2\lambda_{n+1} P_{n+1} = \lambda_n B_n - nP_n + (n + 1) ^ 2

这里其实可以直接解出来 BnB_n 。但我们稍后同 CnC_n 一起解。

考虑 n−1n-1 次项。

同样的,设 ∣n⟩|n\rangle 第二次高项系数为 QnQ_n ,因为,

∣n+1⟩=x∣n⟩+Bn∣n⟩+Cn∣n−1⟩|n+1\rangle = x|n\rangle + B_n |n\rangle + C_n |n - 1\rangle

因此,

Qn+1=Qn+BnPn+CnQ_{n+1} = Q_n + B_n P_n + C_n

再看,

λn+1∣n+1⟩=−xD(xLn)+D(xLn)+xD2(xLn)+λnBn∣n⟩+λn−1Cn∣n−1⟩\lambda_{n+1} |n+1\rangle = -xD(xL_n) + D(xL_n) + xD^2(x L_n) + \lambda_n B_n |n\rangle + \lambda_{n-1} C_n |n - 1\rangle

可以稍微化简一点点,

λn+1∣n+1⟩=−xD(xLn)+D(xD(xLn))+λnBn∣n⟩+λn−1Cn∣n−1⟩\lambda_{n+1} |n+1\rangle = -xD(xL_n) + D(xD(xL_n)) + \lambda_n B_n |n\rangle + \lambda_{n-1} C_n |n - 1\rangle

左侧的 n−1n-1 次项系数为 λn+1Qn+1\lambda_{n+1} Q_{n+1}。

右侧逐项考虑,全都有贡献。

−xD(xLn)-xD(xL_n) 贡献 −(n−1)Qn-(n-1)Q_n 。 D(xD(xLn))D(xD(xL_n)) 贡献 n2Pnn^2P_n ,λnBn∣n⟩\lambda_n B_n |n\rangle 贡献 λnBnPn\lambda_n B_n P_n , λn−1Cn∣n−1⟩\lambda_{n-1} C_n |n - 1\rangle 贡献 λn−1Cn\lambda_{n-1} C_n 。

因此,

λn+1Qn+1=λn−1Cn+λnBnPn+n2Pn−(n−1)Qn\lambda_{n+1} Q_{n+1} = \lambda_{n-1} C_n + \lambda_n B_n P_n + n^2 P_n - (n - 1) Q_n

综上,我们有以下的方程,

{λn=−nPn+1=Pn+Bnλn+1Pn+1=λnBn−nPn+(n+1)2Qn+1=Qn+BnPn+Cnλn+1Qn+1=λn−1Cn+λnBnPn+n2Pn−(n−1)Qn\begin{cases} \lambda_n = -n \\ P_{n+1} = P_n + B_n \\ \lambda_{n+1} P_{n+1} = \lambda_n B_n - nP_n + (n + 1) ^ 2 \\ Q_{n+1} = Q_n + B_n P_n + C_n \\ \lambda_{n+1} Q_{n+1} = \lambda_{n-1} C_n + \lambda_n B_n P_n + n^2 P_n - (n - 1) Q_n \\ \end{cases}

把 λn\lambda_n 带入,

{Pn+1=Pn+Bn−(n+1)Pn+1=−nBn−nPn+(n+1)2Qn+1=Qn+BnPn+Cn−(n+1)Qn+1=−(n−1)Cn−nBnPn+n2Pn−(n−1)Qn\begin{cases} P_{n+1} = P_n + B_n \\ -(n+1) P_{n+1} = -n B_n - nP_n + (n + 1) ^ 2 \\ Q_{n+1} = Q_n + B_n P_n + C_n \\ -(n+1) Q_{n+1} = -(n-1) C_n - n B_n P_n + n^2 P_n - (n - 1) Q_n \\ \end{cases}

先用前两条解 BnB_n 和 PnP_n 。

Pn+1=Pn+BnP_{n+1} = P_n + B_n

两侧乘 nn。

nPn+1−nPn=BnnP_{n+1} - nP_n = B_n

加上第二条,

−Pn+1=(n+1)2-P_{n+1} = (n+1)^2

即,

Pn=−n2P_n = -n^2 Bn=Pn+1−Pn=−(2n+1)B_n = P_{n+1} - P_{n} = -(2n+1)

现在把这两个带入三四条,求 CnC_n 。

{Qn+1=Qn+(2n+1)n2+Cn−(n+1)Qn+1=−(n−1)Cn−n3(2n+1)−n4−(n−1)Qn\begin{cases} Q_{n+1} = Q_n + (2n+1) n^2 + C_n \\ -(n+1) Q_{n+1} = -(n-1) C_n - n^3(2n+1) - n^4 - (n - 1) Q_n \\ \end{cases}

先化简一些,

{Qn+1=Qn+2n3+n2+Cn−(n+1)Qn+1=−(n−1)Cn−n3−3n4−(n−1)Qn\begin{cases} Q_{n+1} = Q_n + 2n^3+n^2 + C_n \\ -(n+1) Q_{n+1} = -(n-1) C_n - n^3 - 3 n^4 - (n - 1) Q_n \\ \end{cases}

看第一条,

Qn+1=Qn+2n3+n2+CnQ_{n+1} = Q_n + 2n^3+n^2 + C_n

同时乘 (n−1)(n-1) 。

(n−1)Qn+1=(n−1)Qn+(2n3+n2)(n−1)+(n−1)Cn=(n−1)Qn+(n−1)Cn+2n4−n3−n2(n-1)Q_{n+1} = (n-1)Q_n + (2n^3+n^2)(n-1) + (n-1)C_n \\ = (n-1)Q_n + (n-1)C_n + 2n^4 - n^3 - n^2

加上第二条,

−2Qn+1=−n4−2n3−n2-2 Q_{n+1} = -n^4 - 2n^3 - n^2

即,

2Qn+1=n2(n+1)22Q_{n+1} = n^2(n +1) ^2

现在就是求出来 QnQ_n 了。

重写一下第一条,

2(Qn+1−Qn)=4n3+2n2+2Cn2(Q_{n+1} - Q_n) = 4n^3 + 2n^2 + 2C_n

先算左边,

2Qn+1−2Qn=n2(n+1)2−(n−1)2n2=4n32Q_{n+1} - 2Q_n \\ = n^2(n+1)^2-(n-1)^2n^2 \\ = 4n^3

即,

0=n2+Cn0=n^2+C_n

综上,

Bn=−(2n+1)Cn=−n2B_n = -(2n+1) \\ C_n = -n^2

递推公式为,

∣n+1⟩=x∣n⟩−(2n+1)∣n⟩−n2∣n−1⟩|n+1\rangle = x|n\rangle - (2n+1) |n\rangle - n^2 |n - 1\rangle

现在求递推起点。

显然,

∣0⟩=1|0\rangle = 1

常数项显然满足方程,且满足首一条件。

然后,

∣1⟩=x−t|1\rangle = x - t

带入拉盖尔方程。这里代入原始形式即可,

xD2y+(1−x)Dy−λy=0xD^2y+(1-x)Dy - \lambda y=0

变为(本征值 λ1=−1\lambda_1 = -1 已知,上文中已经求出),

(1−x)+(x−t)=0(1-x)+(x-t) = 0

因此,

∣1⟩=x−1|1\rangle = x - 1

由此,得到,

递推关系,

∣n+1⟩=x∣n⟩−(2n+1)∣n⟩−n2∣n−1⟩|n+1\rangle = x|n\rangle - (2n+1) |n\rangle - n^2 |n - 1\rangle

与递推起点,

∣0⟩=1∣1⟩=x−1|0\rangle = 1 \\ |1\rangle = x - 1

我们还要算一下每个本征函数的模长,方便之后归一化。

因为,

∣n+1⟩=x∣n⟩−(2n+1)∣n⟩−n2∣n−1⟩|n+1\rangle = x|n\rangle - (2n+1) |n\rangle - n^2 |n - 1\rangle 0=⟨n−1∣x∣n⟩−n2⟨n−1∣n−1⟩0 = \langle n - 1|x|n\rangle - n^2 \langle n - 1 |n - 1\rangle

⟨n−1∣x\langle n - 1|x 可以展开,且 ⟨n∣\langle n| 项系数因为首一性必然为 11 ,因此,

⟨n∣n⟩=n2⟨n−1∣n−1⟩\langle n | n \rangle = n^2 \langle n - 1 |n - 1\rangle

又,

⟨0∣0⟩=1\langle 0|0\rangle = 1

因此

⟨n∣n⟩=(n!)2\langle n|n\rangle = (n!)^2

因此首一本征函数的模长是 n!n!,如果要归一除以它就好。

Rodrigues 公式​

Rodrigues 公式是一整套公式,可以生成特殊函数。我们用生成函数推导。

对于拉盖尔函数,它满足(从 n=1n=1 开始)。

Ln+1=(x−2n−1)Ln−n2Ln−1L_{n+1} = (x-2n-1) L_n - n^2 L_{n-1}

定义,

G(z;x)=∑n=0∞1n!LnznG(z;x) = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{n!} L_n z^n

递推公式两边乘 znn!\frac{z^n}{n!},

znn!Ln+1=znn!(x−2n−1)Ln−znn!n2Ln−1\frac{z^{n}}{n!}L_{n+1} = \frac{z^n}{n!} (x-2n-1) L_n - \frac{z^n}{n!} n^2 L_{n-1}

求从 n=1n=1 开始的和。

∑n=1∞znn!Ln+1=∑n=1∞znn!(x−2n−1)Ln−∑n=1∞znn!n2Ln−1\sum_{n=1}^{\infty} \frac{z^n}{n!}L_{n+1} = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{z^n}{n!} (x-2n-1) L_n - \sum_{n=1}^{\infty} \frac{z^n}{n!} n^2 L_{n-1}

拆一下,再约一下阶乘, n2=n(n−1)+nn^2=n(n-1)+n ,

∑n=1∞znn!Ln+1=∑n=1∞znn!(x−1)Ln−2∑n=1∞zn(n−1)!Ln−∑n=1∞zn(n−2)!Ln−1−∑n=1∞zn(n−1)!Ln−1\sum_{n=1}^{\infty} \frac{z^n}{n!}L_{n+1} = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{z^n}{n!} (x-1) L_n - 2\sum_{n=1}^{\infty} \frac{z^n}{(n-1)!} L_n - \sum_{n=1}^{\infty} \frac{z^n}{(n-2)!} L_{n-1} - \sum_{n=1}^{\infty} \frac{z^n}{(n-1)!} L_{n-1}

左边考虑,

G(z;x)−1=∑n=1∞1n!LnznG(z;x) - 1 = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n!} L_n z^n D(G(z;x)−1)=∑n=1∞1(n−1)!Lnzn−1=∑n=0∞1n!Ln+1znD(G(z;x) - 1) = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{(n-1)!} L_n z^{n-1} \\ = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{n!} L_{n+1} z^{n} D(G(z;x)−1)−(x−1)=∑n=1∞1n!Ln+1znD(G(z;x) - 1) - (x-1) = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n!} L_{n+1} z^{n}

右边第一项,

(x−1)(G(z;x)−1)=∑n=1∞1n!Ln(x−1)zn(x-1)(G(z;x) - 1) = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n!} L_n (x-1) z^n

右边第二项,

zD(G(z;x)−1)=∑n=1∞1(n−1)!LnznzD(G(z;x) - 1) = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{(n-1)!} L_n z^{n}

右边第三项,

G(z;x)=∑n=0∞1n!Lnzn=∑n=1∞1(n−1)!Ln−1zn−1G(z;x) = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{n!} L_n z^n \\ = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{(n-1)!} L_{n-1} z^{n-1} DG(z;x)=∑n=1∞1(n−2)!Ln−1zn−2DG(z;x) = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{(n-2)!} L_{n-1} z^{n-2} z2DG(z;x)=∑n=1∞1(n−2)!Ln−1znz^2DG(z;x) = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{(n-2)!} L_{n-1} z^{n}

右边第四项,

G(z;x)=∑n=1∞1(n−1)!Ln−1zn−1G(z;x) = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{(n-1)!} L_{n-1} z^{n-1} zG(z;x)=∑n=1∞1(n−1)!Ln−1znzG(z;x) = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{(n-1)!} L_{n-1} z^{n}

综上,

D(G(z;x)−1)−(x−1)=(x−1)(G(z;x)−1)−2zD(G(z;x)−1)−z2DG(z;x)−zG(z;x)D(G(z;x) - 1) - (x-1) = (x-1)(G(z;x) - 1) - 2 zD(G(z;x) - 1) - z^2DG(z;x) - zG(z;x)

DD 作用再常数上是零,

DG(z;x)−(x−1)=(x−1)(G(z;x)−1)−2zDG(z;x)−z2DG(z;x)−zG(z;x)DG(z;x) - (x-1) = (x-1)(G(z;x) - 1) - 2 zDG(z;x) - z^2DG(z;x) - zG(z;x)

继续整理,

DG(z;x)=(x−1)G(z;x)−2zDG(z;x)−z2DG(z;x)−zG(z;x)DG(z;x) = (x-1) G(z;x) - 2 zDG(z;x) - z^2DG(z;x) - zG(z;x) (z+1)2DG(z;x)+(1+z−x)G(z;x)=0(z+1)^2 DG(z;x) + (1+z-x) G(z;x) = 0 DG(z;x)+1+z−x(z+1)2G(z;x)=0DG(z;x) + \frac{1+z-x}{(z+1)^2} G(z;x) = 0

这是一阶方程,求积分因子,

∫1+z−x(z+1)2dz=∫1z+1dz−∫x(z+1)2dz=log⁡(z+1)+xz+1+?\int \frac{1+z-x}{(z+1)^2} \mathrm{d}z \\ = \int \frac{1}{z+1} \mathrm{d}z - \int \frac{x}{(z+1)^2} \mathrm{d}z \\ = \log(z+1) + \frac{x}{z+1} + ?

因子为,

elog⁡(z+1)+xz+1=(z+1)exz+1e^{\log(z+1) + \frac{x}{z+1}} = (z+1) e^{\frac{x}{z+1}}

因此方程的解是,

(z+1)exz+1G(z;x)=C(z+1) e^{\frac{x}{z+1}}G(z;x) = C G(z;x)=C1z+1e−xz+1G(z;x) = C \frac{1}{z+1}e^{-\frac{x}{z+1}}

现在确定 CC 。注意 CC 与 zz 无关,可以与 xx 有关 ,因为,

G(z;x)=∑n=0∞1n!LnznG(z;x) = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{n!} L_n z^n G(0;x)=L0=1G(0;x) = L_0 = 1 G(0;x)=Ce−x=1G(0;x) = C e^{-x} = 1 C=exC = e^x

综上,

G(z;x)=1z+1e−xz+1+xG(z;x) = \frac{1}{z+1}e^{-\frac{x}{z+1} + x}

有些书会用 −z-z 代替 zz 。根据规定首一或是归一,常数也可能不同。

现在用留数定理(直接求导也可以,规律难找点),

Ln(x)=n!2πi∮C(0)G(z;x)zn+1dzL_n(x) = \frac{n!}{2\pi i} \oint_{C(0)} \frac{G(z;x)}{z^{n+1}} dz

现在没法积,做反演 t=1z+1t = \frac{1}{z+1} ,

dt=−t2dzdt = -t^2dz Ln(x)=n!2πi∮C(1)tn+2e−xt+x(1−t)n+1dz=(−1)nn!2πi∮C(1)tne(1−t)x(t−1)n+1dtL_n(x) = \frac{n!}{2\pi i} \oint_{C(1)} \frac{t^{n+2} e^{-xt+x}}{(1-t)^{n+1}} dz \\ = (-1)^n \frac{n!}{2\pi i} \oint_{C(1)} \frac{t^{n} e^{(1-t)x}}{(t-1)^{n+1}} dt \\

有一个 n+1n+1 阶极点,用留数定理(下面的 DD 是对 tt 求导),

Ln(x)=(−1)nDn(tne(1−t)x)∣t=1L_n(x) = (-1)^n D^n(t^{n} e^{(1-t)x})|_{t=1}

这个公式实际上已经完全可以用了,但这还不是 Rodrigues 公式。

Ln(x)=(−1)nDn(tne(1−t)x)∣t=1L_n(x) = (-1)^n D^n(t^{n} e^{(1-t)x})|_{t=1}

做换元 u=xtu=xt ,t=uxt=\frac{u}{x},ddt=ddududt=ddux\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}u} \frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t} = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}u} x , 下面的 DD 是对 uu 求导。

Ln(x)=(−1)nexDn(une−u)∣u=xL_n(x) = (-1)^n e^x D^n(u^{n} e^{-u})|_{u=x}

现在完全写开,

Ln(x)=(−1)nexdn(dx)n(xne−x)L_n(x) = (-1)^n e^x \frac{\mathrm{d}^n}{(\mathrm{d}x)^n} (x^n e^{-x})

这就是 Rodrigues 公式了。和课本上的公式差一个常数项和符号。这是因为我们用了首一规则。如果我们用交错的首一(即奇数阶首负一,偶数阶首一),可以消掉符号项。如果做归一化,会加一个除以阶乘项。

综上,我们自然地,完整地求解了拉盖尔方程。