
【計】 associated Laguerre function
連帶拉蓋爾函數(Associated Laguerre Functions),是數學物理方法中一類重要的特殊函數,在量子力學、電磁學等領域有廣泛應用。以下從漢英對照角度詳細解釋其含義:
中文術語:連帶拉蓋爾函數
英文術語:Associated Laguerre Functions
數學定義:
連帶拉蓋爾函數是拉蓋爾多項式(Laguerre Polynomials)的推廣形式,由兩個參數 ( n )(階數)和 ( k )(連帶階數)定義。其标準微分方程為:
$$ xfrac{dy}{dx} + (k+1-x)frac{dy}{dx} + ny = 0 $$
其顯式表達式(Rodrigues公式)為:
$$ L_n^k(x) = frac{e^x x^{-k}}{n!} frac{d^n}{dx^n}(e^{-x} x^{n+k}) $$
在區間 ([0, infty)) 上,關于權函數 ( x^k e^{-x} ) 正交:
$$ int_0^infty x^k e^{-x} L_n^k(x) Lm^k(x)dx = frac{(n+k)!}{n!} delta{nm} $$
滿足遞推公式:
$$ (n+1)L_{n+1}^k(x) = (2n + k + 1 - x)Ln^k(x) - (n+k)L{n-1}^k(x) $$
用于描述氫原子徑向波函數:
$$ R{nl}(r) propto e^{-r/(na)} r^l L{n-l-1}^{2l+1}left( frac{2r}{na} right) $$
其中 ( n ) 為主量子數,( l ) 為角量子數。
在激光物理中用于求解高斯光束的波動方程。
Arfken & Weber 著,第7版,第18章詳細讨論連帶拉蓋爾函數的性質與應用。
Griffiths 著,第4章氫原子波函數推導中完整使用連帶拉蓋爾函數。
美國國家标準技術研究院線上數據庫提供嚴格定義與公式驗證(鍊接:https://dlmf.nist.gov/18.3)。
中文 | 英文 |
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階數 | Order ( (n) ) |
連帶階數 | Associated order ( (k) ) |
正交性 | Orthogonality |
遞推關系 | Recurrence relation |
徑向波函數 | Radial wave function |
連帶拉蓋爾函數(Associated Laguerre Functions)是拉蓋爾多項式的一種推廣形式,在數學和物理學中具有重要應用,尤其在量子力學中用于描述氫原子波函數。以下從定義、數學性質和應用三方面詳細解釋:
連帶拉蓋爾函數由拉蓋爾多項式引入額外參數生成。其定義為: $$ L_n^{(alpha)}(x) = frac{x^{-alpha} e^x}{n!} frac{d^n}{dx^n} left( x^{n+alpha} e^{-x} right) $$ 其中:
當 (alpha = 0) 時,退化為标準拉蓋爾多項式 ( L_n(x) )。
正交性:在區間 ( [0, infty) ) 上,連帶拉蓋爾函數關于權函數 ( x^alpha e^{-x} ) 正交: $$ int_0^infty x^alpha e^{-x} L_m^{(alpha)}(x) Ln^{(alpha)}(x) dx = frac{Gamma(n+alpha+1)}{n!} delta{mn} $$ 其中 (Gamma) 為伽馬函數,(delta_{mn}) 為克羅内克符號。
微分方程:滿足連帶拉蓋爾方程: $$ x y'' + (alpha + 1 - x) y' + n y = 0 $$ 該方程在量子力學氫原子模型的徑向波函數求解中出現。
遞推關系:可通過遞推公式生成高階多項式,例如: $$ (n+1)L_{n+1}^{(alpha)}(x) = (2n+alpha+1 -x)Ln^{(alpha)}(x) - (n+alpha)L{n-1}^{(alpha)}(x) $$
量子力學:氫原子徑向波函數可表示為: $$ R_{nl}(r) propto r^l e^{-r/(n amu)} L{n-l-1}^{(2l+1)}left( frac{2r}{n a_mu} right) $$ 其中 ( n, l ) 為主量子數和角量子數,( a_mu ) 為玻爾半徑。
數值計算:用于高斯-拉蓋爾積分法(Gauss-Laguerre quadrature),解決帶指數權函數的積分問題。
統計學與工程學:在Gamma分布密度函數、信號處理中的系統建模等領域也有應用。
連帶拉蓋爾函數通過引入參數 (alpha) 擴展了标準拉蓋爾多項式的適用範圍,其正交性和微分方程特性使其成為解決物理與工程問題的關鍵工具。如需具體公式推導或代碼實現,可參考量子力學教材或數值計算庫(如MATLAB的mlaguerre
函數)。
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