Long Time Integration of Molecular Dynamics at Constant Temperature with the Symplectic Euler Method
2015 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE credits
Student thesisAlternative title
Integration över lång tid i molekyldynamik med symplektisk Euler-metoden vid konstant temperatur (Swedish)
Abstract [en]
Simulations of particle systems at constant temperature may be used to estimate several of the system’s physical properties, and some require integration over very long time to be accurate. To achieve sufficient accuracy in finite time the choice of numerical scheme is important and we suggest to use the symplectic Euler method combined with a step in an Ornstein-Uhlenbeck process. This scheme is computationally very cheap and is often used in applications of molecular dynamics. This thesis strives to motivate the usage of the scheme due to the lack of theoretical results and comparisons to alternative methods. We conduct three numerical experiments to evaluate the scheme. The design of each experiment aims to expose weaknesses or strengths of the method. For both model problems and more realistic experiments are the results positive in favor of the method; the symplectic Euler method combined with an Ornstein- Uhlenbeck step does perform well over long times.
Abstract [sv]
Simuleringar av partikelsystem vid konstant temperatur kan användas för att uppskatta flera av systemets fysiska egenskaper. Vissa klasser av egenskaper kräver integration över väldigt lång tid för att uppnå hög noggrannhet och för att uppnå detta i ändlig tid är valet av numerisk metod viktigt. Vi föreslår att använda den symplektiska Euler-metoden i kombination med ett implicit steg i en Ornstein-Uhlenbeck-process. Detta stegschema kräver låg beräkning jämfört med andra scheman och används redan i olika applikationer av molekyldynamik. Detta examensarbete eftersträvar att än mer motivera användandet av schemat, eftersom teoretiska resultat som stödjer metoder är få, och avsaknaden av tidigare liknande studier är betydlig. Vi genomför tre numeriska experiment för att pröva schemat. Under utformningen av experimenten har vi försökt att inkorporera olika fenomen som kan orsaka svårigheter för metoden för att exponera svagheter eller styrkor hos den. För båda modellproblem och för ett mer realistiskt experiment är resultaten positiva till schemats fördel; metoden att kombinera ett symplektisk Euler-steg med ett steg i Ornstein-Uhlenbeck-processen presterar bra över lång tid.
Place, publisher, year, edition, pages
2015.
Series
TRITA-MAT-E ; 2015:13
Keywords [en]
The symplectic Euler method, Ornstein-Uhlenbeck process, Molecular dynamics, Long time integration, Canonical ensemble, Constant temperature
Keywords [sv]
Symplektisk Euler, Ornstein-Uhlenbeck-process, molekyldynamik, integration över lång tid, kanonisk ensemble, konstant temperatur.
National Category
Computational Mathematics
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-165324OAI: oai:DiVA.org:kth-165324DiVA, id: diva2:808180
Subject / course
Scientific Computing
Educational program
Master of Science in Engineering -Engineering Physics
Supervisors
Examiners
2015-04-272015-04-272022-06-23Bibliographically approved