Orthogonality of Hermite Polynomials
📂Functions Orthogonality of Hermite Polynomials Theorem The Hermite polynomials { H n } n = 0 ∞ \left\{ H_{n} \right\}_{n=0}^{\infty} { H n } n = 0 ∞ are orthogonal with respect to the weight function w ( x ) = e − x 2 w(x)=e^{-x^{2}} w ( x ) = e − x 2 over the interval ( − ∞ , ∞ ) (-\infty, \infty) ( − ∞ , ∞ ) .
⟨ H n ∣ H m ⟩ e − x 2 = ∫ − ∞ ∞ e − x 2 H n ( x ) H m ( x ) d x = π 2 n n ! δ n m
\braket{ H_{n} | H_{m} }_{e^{-x^{2}}} =\int_{-\infty}^{\infty}e^{-x^{2}}H_{n}(x)H_{m}(x)dx=\sqrt{\pi}2^{n}n!\delta_{nm}
⟨ H n ∣ H m ⟩ e − x 2 = ∫ − ∞ ∞ e − x 2 H n ( x ) H m ( x ) d x = π 2 n n ! δ nm
Here, δ n m \delta_{nm} δ nm is the Kronecker delta .
Proof Case 1: n = m n=m n = m Let’s denote the differential operator as D = d d x D = \dfrac{d}{dx} D = d x d .
∫ − ∞ ∞ e − x 2 H n ( x ) H n ( x ) d x
\int_{-\infty}^{\infty} e^{-x^{2}}H_{n}(x)H_{n}(x)dx
∫ − ∞ ∞ e − x 2 H n ( x ) H n ( x ) d x
Hermite polynomials
H n ( x ) = ( − 1 ) n e x 2 d n d x n e − x 2 = ( − 1 ) n e x 2 D n e − x 2
H_{n}(x) = (-1)^{n}e^{x^{2}}\frac{d^{n}}{dx^{n}}e^{-x^{2}} = (-1)^{n}e^{x^{2}}D^{n}e^{-x^{2}}
H n ( x ) = ( − 1 ) n e x 2 d x n d n e − x 2 = ( − 1 ) n e x 2 D n e − x 2
If we solve the front part H n ( x ) H_{n}(x) H n ( x ) of the above equation, it looks like this.
∫ − ∞ ∞ e − x 2 ( − 1 ) n e x 2 [ D n e − x 2 ] H n ( x ) d x = ∫ − ∞ ∞ ( − 1 ) n [ D n e − x 2 ] H n ( x ) d x
\begin{align*}
\int_{-\infty}^{\infty} e^{-x^{2}}(-1)^{n}e^{x^{2}}\left[D^{n}e^{-x^{2}} \right]H_{n}(x)dx &= \int_{-\infty}^{\infty} (-1)^{n}\left[D^{n}e^{-x^{2}} \right]H_{n}(x)dx
\end{align*}
∫ − ∞ ∞ e − x 2 ( − 1 ) n e x 2 [ D n e − x 2 ] H n ( x ) d x = ∫ − ∞ ∞ ( − 1 ) n [ D n e − x 2 ] H n ( x ) d x
Solving the equation partially, we get the following equation.
∫ − ∞ ∞ ( − 1 ) n [ D n e − x 2 ] H n ( x ) d x = [ ( − 1 ) n ( D n − 1 e − x 2 ) H n ( x ) ] − ∞ ∞ − ∫ − ∞ ∞ ( − 1 ) n [ D n − 1 e − x 2 ] H n ′ ( x ) d x
\begin{align*}
&\int_{-\infty}^{\infty} (-1)^{n}\left[D^{n}e^{-x^{2}} \right]H_{n}(x)dx
\\ &=\left[ (-1)^{n}\left(D^{n-1}e^{-x^{2}}\right)H_{n}(x) \right]_{-\infty}^{\infty}-\int_{-\infty}^{\infty}(-1)^{n}\left[ D^{n-1}e^{-x^{2}}\right]H^{\prime}_{n}(x)dx \tag{1}
\end{align*}
∫ − ∞ ∞ ( − 1 ) n [ D n e − x 2 ] H n ( x ) d x = [ ( − 1 ) n ( D n − 1 e − x 2 ) H n ( x ) ] − ∞ ∞ − ∫ − ∞ ∞ ( − 1 ) n [ D n − 1 e − x 2 ] H n ′ ( x ) d x ( 1 )
Here, since the first term is lim x → ± ∞ D n − 1 e − x 2 = 0 \lim \limits_{x\rightarrow \pm\infty}D^{n-1}e^{-x^{2}}=0 x → ± ∞ lim D n − 1 e − x 2 = 0 , it equals 0 0 0 . The reason why this limit converges to 0 0 0 is because for any n n n , it is expressed as
D n e − x 2 = p ( x ) e − x 2
D^{n}e^{-x^{2}}=p(x)e^{-x^{2}}
D n e − x 2 = p ( x ) e − x 2 .
Here, p ( x ) p(x) p ( x ) is an arbitrary polynomial. When x → ± ∞ x \rightarrow \pm \infty x → ± ∞ , the speed of convergence to 0 0 0 is much faster than the divergence rate of the polynomial, thus the limit converges to 0 0 0 .
Recurrence relation of Hermite polynomials
H n ′ ( x ) = 2 n H n − 1 ( x )
H_{n}^{\prime}(x) =2nH_{n-1}(x)
H n ′ ( x ) = 2 n H n − 1 ( x )
By the recurrence relation of the Hermite polynomials, ( 1 ) (1) ( 1 ) is as follows.
− 2 n ∫ − ∞ ∞ ( − 1 ) n [ D n − 1 e − x 2 ] H n − 1 ( x ) d x
-2n\int_{-\infty}^{\infty}(-1)^{n}\left[ D^{n-1}e^{-x^{2}} \right]H_{n-1}(x)dx
− 2 n ∫ − ∞ ∞ ( − 1 ) n [ D n − 1 e − x 2 ] H n − 1 ( x ) d x
By the same logic as just now, performing partial integration once more, we obtain the following.
( − 1 ) 2 2 2 n ( n − 1 ) ∫ − ∞ ∞ ( − 1 ) n [ D n − 2 e − x 2 ] H n − 2 ( x ) d x
(-1)^{2}2^{2}n(n-1)\int_{-\infty}^{\infty}(-1)^{n}\left[ D^{n-2}e^{-x^{2}} \right]H_{n-2}(x)dx
( − 1 ) 2 2 2 n ( n − 1 ) ∫ − ∞ ∞ ( − 1 ) n [ D n − 2 e − x 2 ] H n − 2 ( x ) d x
Therefore, integrating n n n times, we obtain the following equation.
( − 1 ) n 2 n n ! ∫ − ∞ ∞ ( − 1 ) n e − x 2 H 0 ( x ) d x
(-1)^{n}2^{n}n!\int_{-\infty}^{\infty}(-1)^{n}e^{-x^{2}}H_{0}(x)dx
( − 1 ) n 2 n n ! ∫ − ∞ ∞ ( − 1 ) n e − x 2 H 0 ( x ) d x
Since it is H 0 ( x ) = 1 H_{0}(x)=1 H 0 ( x ) = 1 , it is summarized as follows.
2 n n ! ∫ − ∞ ∞ e − x 2 d x
2^{n}n!\int_{-\infty}^{\infty}e^{-x^{2}}dx
2 n n ! ∫ − ∞ ∞ e − x 2 d x
The above integral is the Gaussian integral , and its value is π \sqrt{\pi} π . Thus, we get the following.
∫ − ∞ ∞ e − x 2 H n ( x ) H n ( x ) d x = π 2 n n !
\int_{-\infty}^{\infty} e^{-x^{2}}H_{n}(x)H_{n}(x)dx=\sqrt{\pi}2^{n}n!
∫ − ∞ ∞ e − x 2 H n ( x ) H n ( x ) d x = π 2 n n !
Case 2: n ≠ m n\ne m n = m Without loss of generality, let’s assume n > m n \gt m n > m .
∫ − ∞ ∞ e − x 2 H n ( x ) H m ( x ) d x
\int_{-\infty}^{\infty}e^{-x^{2}}H_{n}(x)H_{m}(x)dx
∫ − ∞ ∞ e − x 2 H n ( x ) H m ( x ) d x
Expressing only H n ( x ) H_{n}(x) H n ( x ) from here looks as follows.
∫ − ∞ ∞ e − x 2 ( − 1 ) n e x 2 [ D n e − x 2 ] H m ( x ) d x = ∫ − ∞ ∞ ( − 1 ) n [ D n e − x 2 ] H m ( x ) d x
\int_{-\infty}^{\infty}e^{-x^{2}}(-1)^{n}e^{x^{2}}\left[D^{n}e^{-x^{2}}\right]H_{m}(x)dx=\int_{-\infty}^{\infty}(-1)^{n}\left[D^{n}e^{-x^{2}}\right]H_{m}(x)dx
∫ − ∞ ∞ e − x 2 ( − 1 ) n e x 2 [ D n e − x 2 ] H m ( x ) d x = ∫ − ∞ ∞ ( − 1 ) n [ D n e − x 2 ] H m ( x ) d x
Using the same method as in the case of n = m n=m n = m , performing m m m times partial integration gives us the following equation.
( − 1 ) n + m 2 m m ! ∫ − ∞ ∞ [ D n − m e − x 2 ] ⋅ 1 d x
(-1)^{n+m}2^{m}m!\int_{-\infty}^{\infty}\left[ D^{n-m}e^{-x^{2}} \right]\cdot 1 dx
( − 1 ) n + m 2 m m ! ∫ − ∞ ∞ [ D n − m e − x 2 ] ⋅ 1 d x
Integrating once more gives the following.
( − 1 ) n + m 2 m m ! ∫ − ∞ ∞ [ D n − m e − x 2 ] ⋅ 1 d x = ( − 1 ) n + m 2 m m ! ( [ D n − m − 1 e − x 2 ] − ∞ ∞ + 2 ( m + 1 ) ∫ − ∞ ∞ [ D n − m − 1 e − x 2 ] ⋅ 0 d x )
\begin{align*}
&(-1)^{n+m}2^{m}m!\int_{-\infty}^{\infty}\left[ D^{n-m}e^{-x^{2}} \right]\cdot 1 dx
\\ &= (-1)^{n+m}2^{m}m!\left(\left[D^{n-m-1}e^{-x^{2}} \right]_{-\infty}^{\infty}+2(m+1)\int_{-\infty}^{\infty}\left[ D^{n-m-1}e^{-x^{2}}\right]\cdot 0 dx \right)
\end{align*}
( − 1 ) n + m 2 m m ! ∫ − ∞ ∞ [ D n − m e − x 2 ] ⋅ 1 d x = ( − 1 ) n + m 2 m m ! ( [ D n − m − 1 e − x 2 ] − ∞ ∞ + 2 ( m + 1 ) ∫ − ∞ ∞ [ D n − m − 1 e − x 2 ] ⋅ 0 d x )
The first term, as explained in the above proof, equals 0 0 0 , and the second term also equals 0 0 0 . Therefore, we obtain the following.
∫ − ∞ ∞ e − x 2 H n ( x ) H m ( x ) d x = 0 , n ≠ m
\int_{-\infty}^{\infty}e^{-x^{2}}H_{n}(x)H_{m}(x)dx=0, \quad n \ne m
∫ − ∞ ∞ e − x 2 H n ( x ) H m ( x ) d x = 0 , n = m
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