Integrointialgoritmit molekyylidynamiikassa

Samankaltaiset tiedostot
FYSA2031 Potentiaalikuoppa

Numeeriset menetelmät

Luento 3: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 11. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 11 () Numeeriset menetelmät / 37

Luento 2: Liikkeen kuvausta

H7 Malliratkaisut - Tehtävä 1

Numeeriset menetelmät Pekka Vienonen

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

Luento 13: Periodinen liike. Johdanto Harmoninen värähtely Esimerkkejä F t F r

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

5.9 Voiman momentti (moment of force, torque)

3. Simulaatioiden statistiikka ja data-analyysi

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Luento 4: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

SIMULINK 5.0 Harjoitus. Matti Lähteenmäki

Nopeus, kiihtyvyys ja liikemäärä Vektorit

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Värähtelevä jousisysteemi

Paavo Kyyrönen & Janne Raassina

Tehtävä 4.7 Tarkastellaan hiukkasta, joka on pakotettu liikkumaan toruksen pinnalla.

Harjoitus 5 -- Ratkaisut

MS-A0104 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (ELEC2) MS-A0106 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (ENG2)

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

infoa Viikon aiheet Potenssisarja a n = c n (x x 0 ) n < 1

MS-A0107 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM)

Kon Simuloinnin Rakentaminen Janne Ojala

Kirjallisuuskatsaus sisäpistemenetelmiin ja niiden soveltamiseen eri optimointiluokille (valmiin työn esittely)

jakokulmassa x 4 x 8 x 3x

Derivoimalla kerran saadaan nopeus ja toisen kerran saadaan kiihtyvyys Ña r

PC vai Yoshbox? Moottorinohjauksen lyhyt teoria ja vertailu Mustavalkoisesti kirjoitettuna innostamaan tiedon ja mielipiteiden jakamiseen by PetriK

Johdantoa. Jokaisen matemaatikon olisi syytä osata edes alkeet jostakin perusohjelmistosta, Java MAPLE. Pascal MathCad

2v 1 = v 2, 2v 1 + 3v 2 = 4v 2.. Vastaavasti ominaisarvoa λ 2 = 4 vastaavat ominaisvektorit toteuttavat. v 2 =

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Energiatehokkuutta parantavien materiaalien tutkimus. Antti Karttunen Nuorten Akatemiaklubi

Vuorovaikutukset ja kappaleet

DIFFERENTIAALI- JA INTEGRAALILASKENTA

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 12. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 12 () Numeeriset menetelmät / 33

1 PID-taajuusvastesuunnittelun esimerkki

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti


Kun yhtälöä ei voi ratkaista tarkasti (esim yhtälölle x-sinx = 1 ei ole tarkkaa ratkaisua), voidaan sille etsiä likiarvo.

E p1 = 1 e 2. e 2. E p2 = 1. Vuorovaikutusenergian kolme ensimmäistä termiä on siis

Numeerinen integrointi ja derivointi

Differentiaali- ja integraalilaskenta

4. Käyrän lokaaleja ominaisuuksia

4) Törmäysten lisäksi rakenneosasilla ei ole mitään muuta keskinäistä tai ympäristöön suuntautuvaa vuorovoikutusta.

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Luvun 8 laskuesimerkit

LASKENNALLISEN TIETEEN OHJELMATYÖ: Diffuusion Monte Carlo -simulointi yksiulotteisessa systeemissä

Korkeammat derivaatat

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

5. Numeerisesta derivoinnista

Algoritmit 2. Luento 13 Ti Timo Männikkö

Ohjeita fysiikan ylioppilaskirjoituksiin

12. Differentiaaliyhtälöt

Numeeriset menetelmät

Korkeammat derivaatat

Numeeriset menetelmät

Tehtävä 1. a) sähkövirta = varausta per sekunti, I = dq dt = 1, A = 1, C s protonin varaus on 1, C

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 5. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 5 () Numeeriset menetelmät / 28

Luku 8. Mekaanisen energian säilyminen. Konservatiiviset ja eikonservatiiviset. Potentiaalienergia Voima ja potentiaalienergia.

Liikemäärän säilyminen Vuorovesivoimat Jousivoima

Verkon värittämistä hajautetuilla algoritmeilla

OPETUSSUUNNITELMALOMAKE

Numeeriset menetelmät

Tietokoneet täh++eteessä

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Teoreetikon kuva. maailmankaikkeudesta

3 Määrätty integraali

Luento 6: Liikemäärä ja impulssi

6. Analogisen signaalin liittäminen mikroprosessoriin Näytteenotto analogisesta signaalista DA-muuntimet 4

13. Taylorin polynomi; funktioiden approksimoinnista. Muodosta viidennen asteen Taylorin polynomi kehityskeskuksena origo funktiolle

Yhtälöryhmät 1/6 Sisältö ESITIEDOT: yhtälöt

Jakso 1: Pyörimisliikkeen kinematiikkaa, hitausmomentti

Algoritmit 1. Luento 3 Ti Timo Männikkö

Opetusperiodi:I, suunnattu hakukohteille:

Tarkastellaan tilannetta, jossa kappale B on levossa ennen törmäystä: v B1x = 0:

Opetusperiodi:I, suunnattu hakukohteille: Teknillinen fysiikka ja matematiikka

Numeeriset menetelmät

Identifiointiprosessi

= 6, Nm 2 /kg kg 71kg (1, m) N. = 6, Nm 2 /kg 2 7, kg 71kg (3, m) N

Harjoitustyö 3. Heiluri-vaunusysteemin parametrien estimointi

Massakeskipiste Kosketusvoimat

Liikemäärä ja voima 1

Navigointi- ja taktiikkaohjelmistot. X Sail Racing Team Christer Baggström

CHEM-A1110 Virtaukset ja reaktorit. Laskuharjoitus 9/2016. Energiataseet

Integrointi ja sovellukset

Alppi- ja freestyle valmentajakoulutus. Seuraohjaajakurssi Osa I TSS Sappee

Useita oskillaattoreita yleinen tarkastelu

x 4 e 2x dx Γ(r) = x r 1 e x dx (1)

Teoreettisen fysiikan tulevaisuuden näkymiä

Voima ja potentiaalienergia II Energian kvantittuminen

SÄHKÖ KÄSITTEENÄ. Yleisnimitys suurelle joukolle ilmiöitä ja käsitteitä:

Luento 11: Periodinen liike

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2013 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 8. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 8 () Numeeriset menetelmät / 35

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 4: Ketjusäännöt ja lineaarinen approksimointi

Transkriptio:

Integrointialgoritmit molekyylidynamiikassa Markus Ovaska 28.11.2008

Esitelmän kulku MD-simulaatiot yleisesti Integrointialgoritmit: mitä integroidaan ja miten? Esimerkkejä eri algoritmeista Hyvän algoritmin kriteerit Oikean menetelmän valinta Yhteenveto

MD-simulaatioista yleisesti Monimutkaisen systeemin (hiukkasten lkm 1) aikakehitys mahdotonta ratkaista analyyttisesti Aineen perusrakenneyksikkönä yleensä atomi Simuloidaan atomien liikettä jonkin vuorovaikutusmallin pohjalta Sovelluskohteita käytännössä rajattomasti: nanosysteemit, biomolekyylit, materiaalitutkimus jne. Tavoitteena saada tietoa aineen ominaisuuksista Tutkittavan systeemin kokoa ja simulaatioaikaa rajoittaa tietokoneiden laskentakapasiteetti Tehokkaammat algoritmit > monimutkaisempia simulaatioita

Simulaation rakenne 1. Annetaan atomien paikoille ja nopeuksille alkuarvot: r i (0), v i (0) 2. Lasketaan atomeihin vaikuttavat voimat: F i (r i ) = V i 3. Integroidaan liikeyhtälöitä numeerisesti aika-askeleen t yli: r i (t) r i (t + t), v i (t) v i (t + t) 4. Lasketaan halutut suureet (energia, lämpötila, paine...) 5. Jos t < t max, palataan vaiheseen 2 6. Lasketaan kerätystä datasta (vaihe 4) tutkittavan kohteen ominaisuuksia

Liikeyhtälön numeerinen integrointi Liikeyhtälö m i a i = F i, tavoitteena ratkaista paikka r i nopeus v = dr dt, kiihtyvyys a = d 2 r dt 2 Paikka voidaan esittää Taylorin sarjana r(t + t) = r(t) + v(t) t + 1 2 a(t) t2 +... Vastaavasti nopeus: v(t + t) = v(t) + a(t) t +... Liikeyhtälön integrointi ajan T yli voidaan siis tehdä jakamalla T lyhyisiin askeliin t = T n ja käyttää Taylorin kehitelmää n kertaa. Tämä on perusta kehittyneemmille algoritmeille.

Predictor-Corrector-menetelmä 1. Ennustetaan paikka r ja sen derivaatat (v, a,...) hetkellä t + t hetken t tietojen perusteella (Taylorin kehitelmästä): r P (t + t), v P (t + t), a P (t + t),... 2. Lasketaan voima + kiihtyvyys hetkellä t + t : a C (t + t) 3. Korjataan ennustettuja suureita uuden kiihtyvyyden avulla > saadaan korjatut suureet r C (t + t), v C (t + t),... Luokitellaan kertaluvun mukaan: montako termiä Taylorin sarjasta esim. Gear5, viidennen kertaluvun integraattori: muuttujina r, v, a, d 3 r dt, d 4 r 3 dt, d 5 r 4 dt 5

Esimerkki: Nopeus-Verlet 1. r(t + t) = r(t) + v(t) t + 1 2 a(t) t2 2. v P (t + 1 2 t) = v(t) + 1 2 a(t) t 3. Lasketaan uudet voimat ja kiihtyvyydet: a(t + t) = 1 mf (t + t) 4. v C (t + t) = v P (t + 1 2 t) + 1 2a(t + t) t = v(t) + 1 2 [a(t) + a(t + t)] t MolDy:ssa hyvin yleisesti käytetty algoritmi Yksinkertainen, nopea laskea Riittävän tarkka useimpiin sovelluksiin, kun t pieni

Multiple time-scale integration Käytetään kahta (tai useampaa) eripituista aika-askelta tpitk = N t lyhyt, N kokonaisluku Jaetaan voimat nopeasti muuttuviin, F nopea ja hitaasti muuttuviin, F hidas Esim. molekyylin sisäinen värähtely paljon nopeampaa kuin molekyylien liike toistensa suhteen: F nopea kuvaa sisäisiä vuorovaikutuksia, F hidas molekyylien välistä voimaa 1. Lasketaan F hidas 2. Päivitetään nopeudet: v v + F hidas m t pitk 2.1 Lasketaan F nopea 2.2 Päivitetään nopeudet: v v + Fnopea m 2.3 Päivitetään paikat: r r + v t lyhyt + 1 2 2.4 Toistetaan N kertaa 3. Palataan kohtaan 1 t lyhyt F nopea m t2 lyhyt

Hyvä integrointialgoritmi? Nopea: liikeyhtälöiden ratkaisuun kuluu vähän laskenta-aikaa Vaatii vähän muistia mitä enemmän termejä Taylorin sarjasta, sitä enemmän muistia tarvitaan tärkeää lähinnä suurille systeemeille Tarkka paikan ja nopeuden suhteen tuottaa atomeille oikeat radat Toteuttaa säilymislait: energia säilyy algoritmi symmetrinen ajankäännön suhteen: t t t Voimat lasketaan vain kerran aika-askelta t kohden Voimien lasku simulaation työläin osuus Vakaa mahdollisimman suurella t:lla

Oikean menetelmän valinta Mikään algoritmi ei ole hyvä kaikessa Pakko tehdä kompromisseja nopeuden ja tarkkuuden välillä Yksinkertaisin menetelmä joka riittää Yleisesti: Monimutkaiset temput voivat aiheuttaa odottamattomia virheitä Simulaation sisältämä fysiikka on ymmärrettävä hyvin! Ohjelmointivirheiden määrä kasvaa ohjelman koon mukana... Nopeus-Verlet ja Gear hyviä perusalgoritmeja, paljon käyttökokemusta Erikoisemmat algoritmit (monta aika-askelta, muuttuva aika-askel jne.) tilannekohtaisesti Uusia algoritmeja kehitetetään jatkuvasti

Käytännön asioita Valmiita ohjelmia ja ohjelman osia runsaasti saatavilla, mutta: voivat sisältää virheitä asian ymmärtää parhaiten tekemällä itse roskaa sisään, roskaa ulos Ohjelman toiminta kannattaa testata kunnolla yksinkertaisia koesysteemejä, joiden käyttäytyminen tunnetaan saadaanko oikeat liikeradat? energian säilyminen?

Yhteenveto MD-simulaatioilla suuri määrä sovelluskohteita atomitason laskennallisessa tutkimuksessa Tehokkaammat algoritmit mahdollistavat monimutkaisempia simulaatioita Liikeyhtälöiden integrointiin monta tapaa, kaikilla kuitenkin sama perusta Parasta integrointialgoritmia ei ole, täytyy valita tilanteeseen parhaiten sopiva Molekyylidynamiikka ei ole vain ohjelmointia, vaan fysiikka sen takana on välttämätöntä ymmärtää