Про это есть целая наука и написаны десятки книжек. Искать по ключевым словам "Jacobi matrices and orthogonal polynomials".
Например, данные конкретные полиномы -- это полиномы Чебышёва (с точностью до сдвига и нормировки).
Не знал, но теперь начинаю понимать. Такого рода матрицы связаны с рекуррентными соотношениями для ортогональных полиномов, которые всегда для трёх "соседних" полиномов пишутся.
Спасибо, что указали эту связь! Не думал, размещая здесь эту задачу, что у неё такая основа. Нужно ещё у себя по закромам посмотреть. У меня, кажется, ещё несколько наблюдений было.