Алгоритм Биманса - Википедия - Beemans algorithm

Алгоритм Бимана это метод для численно интегрирующий обыкновенные дифференциальные уравнения порядка 2, а именно уравнения движения Ньютона ${ Displaystyle { ddot {x}} = А (х)}$. Он был разработан, чтобы позволить большое количество частиц в моделировании молекулярной динамики. Существует прямой или явный и неявный варианты метода. Прямой вариант был опубликован Шофилдом в 1973 г.^[1] как личное сообщение от Бимана. Это то, что обычно называют Метод Бимана. Это вариант Интеграция Верле метод. Он производит идентичные позиции, но использует другую формулу для скоростей. Биман в 1976 году опубликовал^[2] класс неявных (предиктор – корректор) многошаговых методов, где Метод Бимана является прямым вариантом метода третьего порядка в этом классе.

Уравнение

Формула, используемая для вычисления позиций в момент времени ${ displaystyle t + Delta t}$ в полном составе предиктор-корректор^[2] Схема такая:

• Предсказывать ${ Displaystyle х (т + дельта т)}$ из данных время от времени ${ displaystyle t { text {и}} t- Delta t}$

${ displaystyle x (t + Delta t) = x (t) + v (t) Delta t + { frac {1} {6}} { Bigl (} 4a (t) -a (t- Delta t ) { Bigr)} Delta t ^ {2} + O ( Delta t ^ {4})}$.

• Правильное положение и скорость во времени ${ displaystyle t + Delta t}$ из данных время от времени ${ displaystyle t { text {and}} t + Delta t}$ путем многократного вычисления дифференциального уравнения, чтобы получить ускорение ${ Displaystyle а (т + дельта т)}$ и уравнений неявной системы

${ displaystyle { begin {align} x (t + Delta t) & = x (t) + v (t) Delta t + { frac {1} {6}} { Bigl (} a (t + Delta t) + 2a (t) { Bigr)} Delta t ^ {2} + O ( Delta t ^ {4}); v (t + Delta t) Delta t & = x (t + Delta t ) -x (t) + { frac {1} {6}} { Bigl (} 2a (t + Delta t) + a (t) { Bigr)} Delta t ^ {2} + O ( Дельта t ^ {4}); end {выравнивается}}}$

В ходе испытаний было установлено, что этот шаг корректора необходимо повторить не более двух раз. Значения справа - это старые значения последних итераций, в результате чего слева появляются новые значения.

Используя только формулу предиктора и корректор для скоростей, можно получить прямой или явный метод^[1] который является вариантом метода интегрирования Верле:^[3]

${ Displaystyle { begin {align} x (t + Delta t) & = x (t) + v (t) Delta t + { frac {1} {6}} { Bigl (} 4a (t) - a (t- Delta t) { Bigr)} Delta t ^ {2} + O ( Delta t ^ {4}) v (t + Delta t) & = v (t) + { frac {1} {6}} { Bigl (} 2a (t + Delta t) + 5a (t) -a (t- Delta t) { Bigr)} Delta t + O ( Delta t ^ {3 }); end {выровненный}}}$

Это вариант, который обычно понимается как Метод Бимана.

Биман^[2] также предлагается альтернативно заменить обновление скорости в последнем уравнении на второй порядок Метод Адамса – Моултона:

${ Displaystyle v (T + Delta t) = v (t) + { frac {1} {12}} { Bigl (} 5a (t + Delta t) + 8a (t) -a (t- Delta t) { Bigr)} Delta t + O ( Delta t ^ {3})}$

куда

• ${ displaystyle t}$ настоящее время (т.е. независимая переменная)
• ${ displaystyle Delta t}$ размер временного шага
• ${ Displaystyle х (т)}$ позиция в момент времени t
• ${ Displaystyle v (т)}$ - скорость в момент времени t
• ${ Displaystyle а (т)}$ - ускорение в момент времени t, вычисленное как функция ${ Displaystyle х (т)}$
• последний член - это член ошибки, используя нотация большой O

Модификации предиктора – корректора

В системах, где силы являются функцией скорости в дополнение к положению, приведенные выше уравнения необходимо преобразовать в форму предсказателя-корректора, в соответствии с которой скорости в момент времени ${ displaystyle t + Delta t}$ спрогнозированы, и силы рассчитаны до получения скорректированной формы скоростей.

Пример:

${ displaystyle x (t + Delta t) = x (t) + v (t) Delta t + { frac {2} {3}} a (t) Delta t ^ {2} - { frac {1 } {6}} a (t- Delta t) Delta t ^ {2} + O ( Delta t ^ {4}).}$

Скорости во времени ${ displaystyle t = t + Delta t}$ затем рассчитываются (прогнозируются) с позиций.

${ displaystyle v (t + Delta t) ~ { text {(предсказано)}} = v (t) + { frac {3} {2}} a (t) Delta t - { frac {1} {2}} a (t- Delta t) Delta t + O ( Delta t ^ {3}).}$

Ускорения ${ Displaystyle а (т + дельта т)}$ вовремя ${ displaystyle t = t + Delta t}$ затем вычисляются на основе положений и прогнозируемых скоростей, и скорости корректируются.

${ Displaystyle v (t + Delta t) ~ { text {(исправлено)}} = v (t) + { frac {5} {12}} a (t + Delta t) Delta t + { frac { 2} {3}} a (t) Delta t - { frac {1} {12}} a (t- Delta t) Delta t + O ( Delta t ^ {3}).}$

Срок ошибки

Как показано выше, термин локальной ошибки ${ Displaystyle O ( Delta t ^ {4})}$ для должности и ${ Displaystyle О ( Delta t ^ {3})}$ скорости, что приводит к глобальной ошибке ${ Displaystyle О ( Delta t ^ {3})}$. Для сравнения, Верле ${ Displaystyle О ( Delta t ^ {2})}$ для положения и скорости. В обмен на большую точность алгоритм Бимана умеренно дороже в вычислительном отношении.

Требования к памяти

Моделирование должно отслеживать положение, скорость, ускорение и предыдущие векторы ускорения для каждой частицы (хотя возможны некоторые умные обходные пути для сохранения предыдущего вектора ускорения), сохраняя требования к памяти на уровне скорости Верле и немного дороже, чем исходный метод Верле. .

Рекомендации

• Садус, Ричард Дж. (2002), Молекулярная теория жидкостей: теория, алгоритмы и объектная ориентация, Elsevier, стр. 231, ISBN  0-444-51082-6