JP4733307B2 - Simulation device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薬剤などの開発などにおいて有用なシミュレーション装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
Tsallis分布[T]は、非加法的に拡張した一般化されたカノニカル分布であり、長距離相互作用や長時間の記憶効果を持つ系などの特徴である非加法性を記述するのに適した統計力学の理論体系として、近年注目されている。以下の説明では、変数x、pあるいはこれらの関数であるE(x、p)が連続な値をとる連続型のTsallis分布を対象とする。このような連続型Tsallis分布は、次の確率密度により定義される(なお、この定義は一義てきなものではなく、様々な変形がしられている)。
【0003】
【数2】
【0004】
ここで、x=(x1、・・・、xn)は(一般化)座標の組であり、p=(p1、・・・、pn)は、(それに共役な)運動量の組を表す。また、E(x、p)=U(x)+K(p)は全エネルギーであり、Uはポテンシャルエネルギー、Kは運動エネルギー
【0005】
【数3】
【0006】
である。(質量は全て1とした)。、cは規格化因子、β=1/kT、Tは温度に相当するパラメータ(以下、温度)、kはボルツマン定数である。qは実数パラメータであり、Eの値の変域に応じてρTsallisが実数として定義されるような範囲で与えられる。q→1の極限において、カノニカル分布を特徴付けるものとして従来から用いられてきたボルツマン−ギプス(BG)の密度
【0007】
【数4】
【0008】
に等しくなる。これが、(1.1)で定義される分布が一般化されたカノニカル分布と呼ばれる理由の一つである。
物質の物理的・化学的な性質に関して、実験室で通常得られる情報は、一定の温度の下の熱浴内にある系の情報と言うことができる。以下の説明の適用対象として注目する物理系は、原子数で数個から数百万個の原子・分子の集合で表される系である。特に注目するのは、薬物の対象となる(生体系の)高分子と、それが働く環境を構成する分子とで表される系である。このような系におけるポテンシャルエネルギー関数の典型的な例は、次式のようなものである。
【0009】
【数5】
【0010】
第1項が、各原子間の距離で決まるようなポテンシャルエネルギーを表し、第2項は、分子内原子の結合長、結合角などの平衡値を表現するようなポテンシャルエネルギーの総和である。
【0011】
BG分布は、熱浴内の物理系の状態を表す分布としてよく研究されてきた。特に、BG分布に基づいた自由エネルギー等の熱力学諸量によって、上記(1.3)で記述される高分子とその環境を構成する系の動的性質を良く説明できることが、従来から多くの研究で明らかにされている。例えば、生体高分子であるタンパク質が取る安定な立体構造は、各タンパク質を規定する固有のアミノ酸配列をもつポリペプチド鎖が構築できる様々な立体構造の中から、BG分布に基づく自由エネルギーの最も低い状態が選択されていると考えられる。また、薬物と受容体タンパク質との親和力は、両者が結合した複合体として存在する系と、両者が離散した場合の系との自由エネルギーの差によって定量的に説明される。
【0012】
しかしながら、上記(1.3)で表される系は、一般的にエネルギー面が複雑であり、そのBG分布を正確に得ることは従来の技術では困難であった。更に、Tsallis分布(1.1)はべき則的であり、指数関数的なBG分布(1.2)と比較して明らかなように、これらの分布をエネルギーEの関数と見たときのエネルギーEへの依存性は、q>1のTsallis分布の場合、エネルギーEが大きくなるにつれてBG分布よりもなだらかに減少しており、広い範囲のエネルギー値を有する状態の集合となっている。すなわち、Tsallis分布に基づいて相空間内でサンプリングを行い、(x、p)の組の集合を作った場合、q>1のTsallis分布においては、BG分布よりも遙かに広い相空間がサンプリングされていることになる。従って、数値計算によって、熱力学量を計算する場合に、このサンプリングデータをもとに演算を行うと、Tsallis分布を用いたときの方がより広い相空間をサンプリングするので、より良い結果が得られる。
実際、効果的サンプリングのためにTsallis分布の考え方が利用された例もある[AS]。効果的サンプリングがTsallis分布の実現によって可能となり、更にBG分布をTsallis分布から正確に再構築することができれば、ゲノム配列からタンパク質の安定な立体構造を予測したり、新規薬物の受容体タンパク質への親和力を推定する、コンピュータ上の薬物設計への応用が期待される。
【0013】
更に、Tsallis分布そのものが、従来のBG分布と同様に、熱浴内の現実の物理系の状態を表す分布の候補と考えられ始めている[PP,AR1,AR2]。従って、Tsallis分布を計算機上で実現することによっても、熱浴内の物質の情報を計算機にて得ることが可能であり、更に、BG加法的統計力学ではうまく取り扱えない現実の物理現象に対し、説明能力を持ちうると言う報告もなされている[A]。従って、Tsallis分布の計算機上での実現により、熱浴内の物理系の振る舞いに関する全く新しい知見を得ることが期待される。対象の系としては、様々なレベルのものが考えられる:
・電子・陽電子散乱により生成されるハドロン・ジェットの横運動量分布といった素粒子レベルのミクロなもの[BCM]から、
・銀河クラスターの速度分布といった大きなスケールの系のもの[L et al ]にまで、
それらの特徴がTsallis分布で記述できる例が報告されている。基本的には、エネルギー関数が定義されている系がその対象であり、特に、長距離相互作用や長時間の記憶効果を持つ系では、Tsallis分布の効果が期待される。また、式(1.3)の第1項は一般に長距離相互作用であり、これらの系においてTsallis分布を実現することにより、複雑な(生体系)高分子の動的挙動や構造形成に関する全く新しい知見を得て、新たな視点による薬物設計なども期待できる。
【0014】
Tsallis分布を実現する従来手法として以下の種類のものが知られている:
(1)(x、p)両変数を用いたq=1のTsallis分布(すなわちBG分布)
(2)x変数を用いたq≧1のTsallis分布
(3)(x、p)両変数を用いたq≦1のTsallis分布
各々を実現する方法の内、決定論的手法としては、以下が代表的なものである。
【0015】
(方法1)NoséとHooverはエネルギー関数が定義された物理系に対してあるODE(Ordinary Differential Equation:常微分方程式)を提唱し、単に一自由度を追加するのみで温度TのBG分布が実現可能であることを示した[N,H]。これにより熱浴内の物理系のシミュレーションを現実的なものにし、シミュレーションにより得られるカノニカル(ボルツマン−ギプス)集団に関する知識を飛躍的に増大させた。Nosé−Hoover(NH)の方法は、分子動力学(MD:Molecular Dynamics)の分野で広く用いられている。この方程式はNosé−Hoover方程式と呼ばれ以下で表される。
【0016】
【数6】
【0017】
ここで、Uはポテンシャル関数であり、Qは正のパラメータである。
(方法2)AndricioaeiとStraubはTsallis分布を実現する方法を提案し、化学系に適用し、それらの有効性を示した[AS]。効果的サンプリングを目的にしたこのアプローチでは、Tsallis分布としては座標変数xのみ考慮し、ニュートン方程式を基礎にした方法が提案された。
【0018】
(方法3)PlastinoとAnteneodoの手法[PA]は、Tsallis分布を生成する方法であるが、方法2と異なり、(x、p)両変数を考慮したものである。この手法がサポートするのは、主に、0<q≦1の場合である。(q<1なる分布を用いた解析が有効であるような現象には、前記銀河クラスターの速度分布などが報告されている。)
一方、BG分布におけるサンプリングを行う従来手法としては、BG分布及びその拡張であるTsallis分布を実現して行う手法がある。この内、決定論的方法には、やはり上記方法1−3を代表的手法として挙げることができる。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
前記(1)−(3)に対するTsallis分布を実現する従来方法としては方法1−3があるが、(x、p)両変数を用いたq≧1のTsallis分布を実現する方法は未だ成功していない。本発明はこの分布を実現する。
【0020】
次に、BG分布におけるサンプリングを行う際の従来手法の課題点を述べる。(方法1)BG分布を生成する方法として良く用いられる方法であるが、パラメータQの設定が簡単ではない[N2,PHV]。Q→∞で定摩擦付きの純粋なニュートン方程式に近づくので、これが大きすぎると温度Tへの温度制御の効果が落ちる。逆に、Qが小さすぎると、摩擦項の非線形性が大きくなりすぎて、数値積分アルゴリズムが破綻することが知られている。また、扱う系により、十分に点(x、p)のサンプリングができず、熱力学量を正しく計算できないことがある。
【0021】
なお、BG分布を生成する方法としては、NHの方法以外にもいろいろ知られている[N2]。しかし、(x、p)両変数を用いた決定論的な方程式を用いたBG分布を実現する方法では、対象としている温度に対し高いポテンシャル障壁を超えることは、本質的に困難である。すなわち、障壁U(xw)が高くなるにつれ、確率P(xw、p)∝exp[−E(xw、p)/kT]≦exp[−U(xw)/kT]は指数的に小さくなるので、障壁点xwに到達するには、極めてまれに起こる現象を統計的に有意な量サンプルする必要がある。従って、そのような極めてまれに起こる現象に対応するサンプリングを相当数行うためには、本質的に長い計算時間が必要である。
【0022】
(方法2)Tsallis分布をx変数のみを考慮して実現しようとする決定論的な方法である。これは、基本的に、系を表すポテンシャルUに対し、xを変数とするTsallis分布用に変形されたポテンシャルU’を用いたニュートン方程式を用いる方法である。Uと比較してU’の障壁で働く力が小さくなることによる効果が期待でき、実際に、従来手法に比べサンプリング効果の向上が示された[AS,PW1,PW2,HO]。化学系に応用する際には、適当な温度コントロールを用いることが試みられた[PW1,PW2]。これらは、Tsallis分布をx変数のみで、すなわち、
【0023】
【数7】
【0024】
のような形で、実現しようとする試みである。なお、前記U’は、
【0025】
【数8】
【0026】
にて定義されるものである。
しかしながら、それらの試みに用いられている基本的方程式においては、エネルギー保存則が成立するので、U’(x)>E(x(0)、p(0))なるU’の障壁に対してはこれを超えることができず、局所的なエネルギー極小値状態へのトラップが起こり得る。従って、このような障壁の内部に閉じこめられてしまい、十分なサンプリングに至らない。これは、初期値(x(0)、p(0))に依存する問題であり、改良の余地がある。応用に際しては、温度コントロールの手法が明示されている報告と明示されていない報告とがある。しかしながら、いずれの報告にしても、(3.1)が真に実現されているか否かは、障壁のない単純な場合(1次元調和振動子)を除いては明らかにされていない。
【0027】
(方法3)この手法が主にサポートする0<q≦1の場合、Eが有限の値E0≡1/(1−q)β以上では、
【0028】
【数9】
【0029】
と定義される。しかし、方法1にて述べたのと同様に、これはサンプリングに対しては不利となる(なお[PA]はサンプリングを目的にはしていない)。高いエネルギーの実現確率が小さく、もしくは零(U(x)≧Ecのとき)になることによって、ポテンシャルUの障壁を越すことが困難になるからである。これは、(
x、p)−空間の十分なサンプリングができず、正しい熱力学関数の計算ができないことを意味する。一方、q>1の場合は、数値解法におけるオーバフローの問題が指摘されている。その詳細は明らかにされていない。
【0030】
本発明は、従来の方法に比べて、サンプリング能力の向上を図ることを目的とするが、これは上述した(x、p)両変数を用いたq≧1のTsallis分布を実現する方法の実現によって、自ずと達成される。この達成によりBG分布での熱力学量の正確な値を求めることが可能になる。
【0031】
これにより、計算機シミュレーションによる薬物設計の効率化・精密化を図ることができる。
本発明の課題は、薬物設計などにおけるシミュレーションに有益なシミュレーション装置を提供することである。
【0032】
【課題を解決するための手段】
本発明のシミュレーション装置は、物理系あるいは化学系の熱力学量を精度良く算出するためのシミュレーション装置であって、シミュレーションに必要なパラメータを設定するパラメータ設定手段と、ボルツマン−ギプス分布に比べ、エネルギーの関数としてみたとき、よりゆっくり0に漸近する一般化分布を設定する一般化分布設定手段と、該一般化分布を再現する微分方程式を設定する微分方程式設定手段と、該パラメータに基づいて、該微分方程式を積分し、得られた軌道に沿って、サンプリングを行い、該サンプリングに基づいて物理量の長時間平均を算出する物理量算出手段とを備えることを特徴とする。
【0033】
本発明によれば、ボルツマン−ギプス分布を用いて熱力学量を算出する場合、ボルツマン−ギプス分布ではなく、これよりもより、0への漸近の仕方が弱い一般化分布を用いてサンプリングを行うので、エネルギー関数の形が、極小値を有する場合でも、この極小値を囲む障壁を乗り越えてサンプリングを有効にすることができる。従って、サンプリングがエネルギー関数の極小値にトラップされてしまう可能性を低くし、より精度の良い熱力学量を算出を可能とする。
【0034】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態の説明においては、Tsallis分布を仮定して説明するが、本発明は、Tsallis分布に限定されるものではなく、BG分布をエネルギーEの関数と見たとき、エネルギーEが大きくなるにつれての分布の変化が、指数関数よりも遅く0に近づくような関数を分布として持つものであっても同じく適用が可能である。
【0035】
まず、本発明の実施形態においては、(x、p)両変数を用いたq≧1のTsallis分布を、決定論的アルゴリズム、具体的には常微分方程式にて実現する。常微分方程式の解の相空間内の微小領域Δ(x、p)への滞在時間率の長時間極限が、(1、1)式のρTsallis(x、p)に比例するように、常微分方程式を定義する。ここで、Δ(x、p)は、任意の点(x、p)に対し、それを含む微小領域を意味する。本発明の実施形態においては、次のような常微分方程式を用いる。
【0036】
【数10】
【0037】
ここで、Dの記号は、微分演算子を表す。また、ζは、Tsallis分布を適切に生成するための制御用変数であり、ρz(ζ)は、ユーザが与える任意関数である。
【0038】
後述するように、この常微分方程式を解くと、解はTsallis分布密度に比例する出現頻度にて時間変化することになり、Tsallis分布が実現される((5.4)式)。また、Tsallis分布における物理量の期待値も、この常微分方程式の軌道にそって相空間内の点をサンプリングし、これを該常微分方程式に従った時間発展の方向にサンプリングによる長時間平均を行うことによって計算できる。なお、長時間平均は、通常初期値に依存しないことが示される。
【0039】
このように、Tsallis分布を再現したサンプリングにより、物理量AのBG分布での期待値を求めるには、
【0040】
【数11】
【0041】
のように2つの長時間平均の比を求めることにより、計算できる。ここでは、長時間平均は、上付線で表している(以下同じ)。ここで、ρTsallis及びρBGは各々、(1.1)式及び次式
【0042】
【数12】
【0043】
で与えられるものである。ここで、β’は、1/kT’であるが、(1.1)式のβと同じ値である必要はない。すなわち、BG分布の温度T’は、Tsallis分布の温度Tと異なって良い。なお、Tsallis分布を求めたのに、BG分布によって熱力学量(物理量の長時間平均)を求めるのは、BG分布を用いて計算した熱力学量から対象とする系の物理的、あるいは、化学的性質を推測する方法が確立されているからである。
【0044】
方程式(4.1)が拡張可能であることを示すために、これがある方程式の特別な場合であることを説明する。該方程式は、R2n+1(2n+1次元空間(相空間に対応する))の領域Γにおいて任意に与えた密度関数ρに対し定義される:
【0045】
【数13】
【0046】
ここで、
【0047】
【数14】
【0048】
にて関数を定義した。また、外1 は各々、
【0049】
【外1】
【0050】
関数Θのxi成分、pi成分、ζ成分の点ω≡(x、p、ζ)での偏微分を表す。(4.2)式において、リユビル方程式、
【0051】
【数15】
【0052】
が満足されていることが確認できる(Xは(4.2)式右辺を表すものとする)。ρが適当な数学的条件を満たすと仮定すれば、リユビルの定理とバーコフのエルゴード定理[M]により、領域A⊂Γに対し、軌道の滞在時間率の長時間極限が、測度ρdωに関してほとんど全ての初期値に対し存在する(相空間内にある点を初期値とする軌道に沿った長時間平均の長時間極限が有限の値に収束するということが、ほとんどの相空間内の点について成立する)。もし、系がこの測度に関してエルゴード的ならば、
【0053】
【数16】
【0054】
となる。すなわち、状態ω∈Γの実現確率密度は、与えたρに比例する。(4.1)式は、(4.2)式と(4.3)式において、
【0055】
【数17】
【0056】
なる代入を行って得られるものである。これにより、(x、p)の実現確率密度を、定義したρTsallis(x、p)に比例させようとするものである。
なお、Tsallis分布を定義するものとして(1.1)式以外の密度が用いられることがある[TMP]が、本発明でも対応可能((4.5)式内のρTsallis(x、p)の定義を変更すれば良い)であり、(1.1)式の形に限定されない。ところで、通常は(1.1)式でなく、
【0057】
【数18】
【0058】
を用いて定義されることが多い。しかし、物理量の期待値を求める際には、[TMP]で提案されているように、上記をq乗した(1.1)式の形で用いることも多い。本実施形態は物理量の期待値を求めることを目的としているので、便宜的に、(1.1)をその定義として採用したものである。また、E(x、p)も、更に一般的な形の関数として取り扱うことが可能である((4.5)式のρTsallis(x、p)の定義内容が変更を受けることに相当する)。また、(4.4)式を満たすXには自明な任意性(Xを定数倍できる)があるので、これを利用して、例えば、(4.3)式のΘが物理次元を持つ時に対応できる(Θを、これと同じ次元を持つ定数εによりスケーリングして、
【0059】
【数19】
【0060】
に対する式(4.2)を考え、その右辺をε倍すると、次元を持つΘで方程式を表せる)。これは同時に(4.1)式にも当てはまる。
数学的付加的条件の下で、方程式(4.1)に対し、バーコフのエルゴード定理[M]により、関数fの長時間極限が、測度ρdωに関してほとんど全ての初期値に対し存在する。ここで、
【0061】
【数20】
【0062】
である。もし系がこの測度に関してエルゴード的ならば、
【0063】
【数21】
【0064】
特にまた、x、pの関数としての物理量Aの長時間平均値は、Tsallis分布におけるAの期待値(重みρTsallisの空間平均)に等しくなる。すなわち、
【0065】
【数22】
【0066】
同様に、微小領域Δ(x、p)に対しては、次が成立する:
【0067】
【数23】
【0068】
左辺はΔ(x、p)への軌道訪問頻度の長時間極限である。従って、点(x、p)の実現確率密度はρTsallisに比例する。
なお、計算機シミュレーションでは、(5.3)の左辺の値を、十分大きい時間ステップNに対し、
【0069】
【数24】
【0070】
などの近似値で評価する。
また、(5.3)式より、次式が成立する:
【0071】
【数25】
【0072】
これにより、BG分布における物理量Aの期待値(右辺)は、この左辺の2つの長時間平均により計算できる。
図1〜図20は、数値計算と理論値の比較による本実施形態の手法の有効性を示す図である。
【0073】
最初に、(x、p)両変数を用いたq≧1のTsallis分布を実現した例を示す。次に、BG分布におけるサンプリング能力が従来法より向上した例を示す。そして、異なる温度でのBG分布におけるサンプリング能力の検証例を示す。
【0074】
Tsallis分布を実現した第一の例として、ポテンシャル関数Uを一次元の調和振動子
【0075】
【数26】
【0076】
としたものを図1〜図4に示す。温度Tは、1.0とした。簡単のため、全ての量は無次元で表す。ODEの初期値はx(0)=0.1、p(0)=0.0、ζ(0)=0.0とし、数値積分は4次のルンゲ−クッタ法で行い、いくつかのqの値に対して計算した。シミュレーションに使ったパラメータ値を表1に示す。
【0077】
【表1】
【0078】
Δtは、時間刻み幅、Nは、シミュレーションのタイムステップを表す。qの値を3.0としたとき(case 1)のρTsallisをヒストグラムにて求めたシミュレーション値と理論値((1.1)式)を図1及び図2に示した。これらは、良く一致している。同様に、qの値を2.0(case 2)としたときの結果を図3及び図4に示す。シミュレーション値と理論値は良く一致していることが分かる。
【0079】
Tsallis分布を実現した第二の例は、ポテンシャル関数Uを二重井戸振動子型(図3)としたものである(図5〜図9に示す):
【0080】
【数27】
【0081】
ポテンシャル関数は、上記式で表され、その図を図5に示す。
温度T=1.0に対し、障壁の高さは10.0である。qの値を3.0(case 4)、2.0(case 5)としたのときの結果を、各々図6〜図9で示す。調和振動子の場合と同様に、シミュレーション値と理論値は良く一致している。
【0082】
BG分布におけるサンプリング能力を検証するため、上記case 4のシミュレーションにおいて、(5.6)式を用いて求めた結果を示し、従来法で得られる結果と比較した。まず、T=1.0のBG分布の密度ρBGをヒストグラムにて求めたシミュレーション値と理論値((1.2)式)を図10、及び図11に示した。これらは良く一致している。次に、物理量としてエネルギーE(x、p)のBG分布における期待値のシミュレーション結果((5.5)式)を示す(図12)。エネルギー期待値の理論値は、定積分
【0083】
【数28】
【0084】
の値を見積もると、1.0248となる。従って、シミュレーション結果は正しい値に収束しているのが分かる。比較として、方法1の従来法にて、同様に熱力学関数を計算した結果を示す。温度T、初期値、数値積分法、時間刻み幅はcase4と全て同じものである。方程式(2.1)のパラメータ1/2Qの値を、10-2、10-1、・・・、104、105、と2.0×105の9通り行った。全ての場合において、系の温度
【0085】
【数29】
【0086】
のコントロールは成功したが、解の座標値xは初期座標0.1を含むポテンシャルの左側の谷領域に局在していて、右側に移動が起こらなかった。シミュレーション結果の幾つかを図13〜図18に示す。ここで、図13は、パラメータ1/2Q=10-2、初期値x=0.1、図14は、初期値は同じで、パラメータ1/2Q=10、図15は、初期値は同じで、パラメータ1/2Q=103、図16は、初期値が同じで、パラメータ1/2Q=105、図17は、初期値は同じで、パラメータ1/2Q=2.0×105、図18は、初期値がx=0.9で、パラメータ1/2Q=2.0×105としている。
従来法である方法1においては、サンプリングが二重井戸の一方の井戸へ局在した結果、BG分布は正しく生成されていない。従って、また、熱力学関数値も正しく計算されないことになる。パラメータ1/2Q=2.0×105に対するエネルギー期待値のシミュレーション結果を図17に示す。サンプリングが不十分であるため、正しい値に収束していない。前述のように、パラメータ1/Qの値を更に小さくすると、ニュートン方程式に近づくのでBG分布の生成能力が落ち、これらの結果は改善されない。逆に、パラメータ1/Qの値を大きくしすぎると、数値積分アルゴリズムが破綻することが知られている。実際、今回の計算でも、1/2Q=106とすると座標xが数値オーバフローを起こし、数値積分アルゴリズムが破綻した。また、初期座標値を右側の谷領域x=0.9としても、同様に局在化し、サンプリングが不十分であった(1/2Q=2.0×105の場合を図18に示す)。
【0087】
異なる温度でのBG分布におけるサンプリング能力を検証するため、上記case4と同条件を用い、ただし2倍の温度2.0のBG分布に対し本実施形態に従って、計算を行った。密度ρBGをヒストグラムにて求めたシミュレーション値と理論値を図19と図20に示した。これらの一致を見ることができる。
【0088】
図21は、本発明の実施形態に従ったシミュレーション装置のブロック構成図である。
シミュレーション装置1は、入力部10、計算部11、及び出力部12によって構成される。入力部10には、演算に必要な入力データが入力される。入力部10に入力された入力データは、計算部11に送られる。計算部11では、入力データに含まれているパラメータ値などを使って、実施形態の説明で示したようなTsallis分布を再現する(4.1)式、あるいは、BG分布よりエネルギーについて、よりゆっくり(エネルギーEの関数として指数関数よりゆっくりであって、例えば、Eの有限べき乗に従って漸近的振る舞いが支配されるような関数の漸近的振る舞いを「ゆっくり」としている)0に漸近する分布を再現する微分方程式をルンゲークッタ法などの逐次数値解法により積分する(解を求める)。そして、微分方程式を積分した結果えられた軌道上の点からサンプリングを行い、サンプリングされた点を用いて、物理量の値及び期待値を計算する。
【0089】
計算された物理量の値あるいは期待値は、出力データとして出力部12に渡され、不図示の表示装置などによって、ユーザに提示される。
図22は、入力データの例を示した図である。
【0090】
同図に示されるように、入力データの例としては、自由度数n、ポテンシャル関数No(この場合、計算部に複数の異なるポテンシャル関数を登録しておき、これらの中から選択するようにすることを念頭に置いている。なお、関数の形を直接入力し、シミュレーション装置に解釈させる様にしても良い。)、シミュレーション条件、境界条件、Tsallis分布パラメータ、ρz関数パラメータ、BG分布温度リスト、及び度数計算パラメータなどがある。
【0091】
シミュレーション条件は、シミュレーションのステップ数、時間刻み幅、出力指定パラメータなどがある。また、Tsallis分布パラメータとしては、qや温度Tあるいはβがある。ρz関数パラメータとしては、ポテンシャル関数Noと同様の意味での関数No、及び設定係数などがある。BG分布温度リストとしては、計算するBG分布の温度の数、及び、計算するBG分布の温度の値がある。度数計算パラメータとしては、分布のサンプリングをヒストグラムとして形成する場合の離散幅、変域を制御する変域パラメータなどである。
【0092】
図23は、出力データの例を示す図である。
出力データとしては、微分方程式を積分して解いた状態変数x、pの値の時間変化や、その他の変数値の時間変化(ζ、ポテンシャルエネルギーなど)、物理量の期待値(時間平均)の時間変化、各温度におけるBG分布における物理量の期待値(時間平均)の時間変化(及び最終値)(エネルギー、比熱等)、ポテンシャルエネルギー値の度数(実現確率)、運動エネルギー値の度数(実現確率)、Tsallis分布の密度(密度、周辺分布)、BG分布の密度(密度、周辺分布)等が考えられる。上記データの内、熱力学量となるのは、物理量の期待値、各温度におけるBG分布における物理量の期待値である。その他のデータは、シミュレーションの精度を評価するなどのために用いることができる。
【0093】
図24、及び図25は、本発明の実施形態の全体の処理の流れを示すフローチャートである。
まず、ステップS1において、データ入力を行う。次に、ステップS2において、定数定義を行う。そして、ステップS3において、計算結果を出力するファイルへの出力準備を行う。ステップS4では、変数の初期設定を定義する。この場合、どのように設定するかは、ステップS5において自動生成(ステップS6)と外部ファイルからの読み込み(ステップS7)との間で選択する。変数の初期設定が完了すると、ステップS8において、度数計算の準備を行う。そして、ステップS9で数値積分を開始する。
【0094】
ステップS10においては、tをt+Δtとして、ステップS11において、数値積分を実行する。数値計算を実行するに当たっては、z−密度値計算部(ステップS16)やポテンシャル関数計算部(ステップS17)などの結果を解くべき方程式の(本発明の実施形態の場合、(4.1)式の)右辺を計算し(ステップS18)、この結果を使って、数値積分を行う。この場合、積分手法の選択や追加を可能とすることが可能である。また、ポテンシャル関数計算部の演算結果は、ステップS15のエネルギー計算部に渡され、エネルギー計算に使用される。ステップS12において、数値積分するための境界条件を処理する。ステップS13で、エネルギー計算を行う。ステップS14において、分布の密度計算を行う。このとき、分布としては、Tsallis分布やBG分布がある。密度計算は、それぞれの分布の計算部からのデータを使用する。
【0095】
ステップS19においては、z−密度値計算部からのデータに基づいて、数値積分チェックを行う。そして、ステップS20において、数値エラーチェックを行い、エラーがある場合には、数値積分を終了する。エラーがない場合には、ステップS21において、度数計算を行い、ポテンシャル、運動量エネルギーの度数を求めたり、Tsallis分布の密度を求める。ステップS22においては、物理量の期待値を計算する。物理量の例としては、運動エネルギー、全エネルギー、BG分布におけるエネルギー、BG分布における比熱などがある。
【0096】
そして、ステップS23において、上記計算結果を出力データとして出力し、ステップS24において、ユーザが予め定めた計算終了条件を満たしているか否かを判断する。満たしていない場合には、ステップS10に戻って計算を繰り返し、満たしている場合には、数値積分を終了する。そして、最後に、数値積分終了後、出力データの確認として、Tsallis分布密度(周辺分布)やBG分布密度(周辺分布)の理論値を可能な場合に計算し、出力データと比較して出力データの精度を吟味し、適切な分布が生成されたかを確認する。これにより、演算された物理量が正しい値を与えるか否かを評価する。
【0097】
図26は、入力部の処理の流れを示すフローチャートである。
まず、ステップS30において、データの入力を行う。ステップS31では、数値積分のための定数の定義を行い、ステップS32では、ファイル出力準備を行う。そして、ステップS33において、変数の初期値を定義する。このとき、変数の初期値を自動生成するか外部ファイルから読み込むか選択するようにする。あるいは、ユーザが手で入力しても良い。そして、ステップS34において、密度・度数計算の準備を行い、計算部へと進む。
【0098】
図27は、計算部の処理の流れを示すフローチャートである。
ステップS40において、数値積分を開始する。ステップS41では、時間パラメータtをt+ΔtとΔtだけ進める。ステップS42では、数値積分を実行する。このとき、z−密度値計算部において、関数の選択、追加を行って適切な関数を使って計算を行った結果を、ポテンシャル関数計算部の計算結果と共に、当該方程式の右辺に代入し、計算する。その結果をステップS42において、数値積分計算に使用する。数値積分計算においては、計算手法を選択、追加できるようにしておくのが便利である。ステップS43においては、境界条件を処理し、ステップS44においては、ポテンシャル関数計算部からのデータをつかったエネルギー計算がエネルギー計算部において行われものをつかって、エネルギー値の計算を行う。ステップS45では、密度比を計算し、ステップS46において数値積分をチェックし、ステップS47において、数値エラーがあるか否かを判断する。エラーがあった場合には、数値積分を終了する。エラーがなかった場合には、ステップS48において、度数計算を行い、ステップS49において、物理量期待値計算を行う。そして、ステップS50において、データを出力し、ステップS51において、計算終了条件を判断し、終了条件が満たされていない場合には、ステップS41にもどって計算を繰り返すが、終了条件が満たされた場合には、数値積分を終了する。
【0099】
図28は、出力部の処理の流れを示すフローチャートである。
ステップS60においては、計算部で計算された出力データの確認を行う。すなわち、可能な場合には、Tsallis分布の密度やBG分布の密度の周辺分布の理論値を計算し、ステップS61において出力データを可視化してユーザが正しいシミュレーションが行われたか否かを判断し、出力データとする。
【0100】
図29は、ポテンシャル関数値計算部の演算内容を説明する図である。
当該微分方程式の積分結果としてx(t)が更新された場合、以下の計算を行う。すなわち、ポテンシャル関数値、ポテンシャル関数の偏導関数(Force Function)値(ポテンシャルの偏導関数は系に働く力を示すことが知られている)、エネルギー原点の調整、及び必要ならば、解を拘束させるためのポテンシャル関数の追加を行う。ここで、ポテンシャル関数としてどのようなものを使うかは、複数の候補の中から選択できるようにし、追加も可能としておくと便利である。
【0101】
図30は、本発明の実施形態のシミュレーション装置をプログラムで実現する場合のコンピュータのハードウェア環境を示す図である。
CPU21は、バス20によって接続されたROM22、RAM23に格納された当該プログラムを実行することによって、本発明の実施形態の処理を実行する。RAM23にコピーされる当該プログラムは、ハードディスクなどの記憶装置27に格納されるか、フロッピーディスク、CD−ROM、DVDなどの可搬記録媒体29に格納される。
【0102】
可搬記録媒体29に格納された当該プログラムは、読み取り装置28によって読み取られ、バス20を介して、RAM23にコピーされるか、記憶装置27に格納されてコンピュータにインストールされる。
【0103】
入出力装置30は、ディスプレイ、キーボード、マウス、テンプレート、などからなり、ユーザからの入力をCPU21に伝えたり、CPU21の演算結果をユーザに提示するために使用される。
【0104】
通信インターフェース24は、ネットワーク25を介して情報提供者26と接続し、当該プログラムをダウンロードして、CPU21が実行可能とすることができる。あるいは、情報提供者26が有する当該プログラムをネットワーク環境下で実行するようにしても良い。
<参照文献>
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・[AR1] S.Abe and A.K.Rajagopal, Nonuniqueness of canonical ensemble theory arising from microcanonical basis, Phys. Lett. A272,341(2000)
・[AR2] S.Abe and A,K,Rajagopal, Microcanonical foundation for systems with power-law distributions, J.Phys. A33,8733(2000)
・[AS]I.Andricioaei and J.E.Straub, On Monte Carlo and molecular dynamics method inspired by Tsallis statistics: Methodology, optimization and applications to atomic clusters, J.Chem.Phys. 107,9117(1997)
・[BCM]I.Bediaga, E.M.F.Curado and J.Miranda, A nonextensive thermodynamical equilibrium approach in e+e_! hadrons, Physica A 286,156(2000)
・[H]W.G.Hoover, Phys. Rev. A 31 1695 (1985)
・[HO] U.H.E.Hansmann and Y. Okamoto, Tackling the protein folding problem by ageneralized-ensemble approach with Tsallis statistics, in NonextensiveStatistical Mechanics and Thermodynamics, eds. S.R.A. Salinas and C. Tsallis,Braz. J.Phys. 29, 187(1999)
・[L et al] A.Lavagno, G. Kaniadakis, M. Rego-Monteiro, P. Quarati and C. Tsallis,Nonextensive thermostatistical approach of the peculiar velocity function ofgalaxy clusters, Astrophysical Letters and Communications 35, 449(1989)
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・[N] S. Nosé, J. Chem.Phys. 81, 511 (1984)
・[N2] S. Nosé, Prog. Theor.Phys. Suppl. 103, 1 (1991)
・[PA] A.R.Plastino and C. Anteneodo, A dynamical thermostatting approach to non-extensivecanonical ensembles, Ann. Phys. 255, 250 (1997)
・[PHV] H.A.Posh, W.G. Hoover, and F.j.Vesely, Phys. Rev. A 33, 4253 (1986)
・[PP] A.R.Plastino and A. Plastino, From Gibbs microcanonical ensemble to Tsallisgeneralized canonical distribution, Phys. Lett. A 193, 140 (1994)
・[PW1] Y. Pakand S. Wang, Folding of a 16_residue helical peptide using molecular dynamicssimulation with Tsallis effective potential, J. Chem. Phys. 111,4356 (1999)
・[PW2] Y. Pakand S. Wang, J. Phys. Chem. B 2000, 104, 354 (2000)
・[T]C.Tsallis, Possble generalization of Boltzmann-Gibbs statistics, J. Stat. Phys.52, 479 (1988)
・[TMP] C.Tsallis, R.S.Mendes and A.R. Plastino, The role of constraints within generalized nonextensivestatistics, Physica A 261,534 (1998)
【0105】
【発明の効果】
本発明によれば、以下のような効果を有している。
・(x、p)両変数を用いたq≧1のTsallis分布を生成する事が可能である。これは、従来手法では成功していない。
・任意の温度におけるBG分布の生成が可能である。
・BG分布の生成により、熱力学量の計算が可能である。
・サンプリング能力が従来の方法よりも向上したことにより、従来法ではサンプリングが不十分で正しい分布や熱力学量値が計算できない場合でも、正しい値を計算することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】数値計算と理論値の比較による本実施形態の手法の有効性を示す図(その1)である。
【図2】数値計算と理論値の比較による本実施形態の手法の有効性を示す図(その2)である。
【図3】数値計算と理論値の比較による本実施形態の手法の有効性を示す図(その3)である。
【図4】数値計算と理論値の比較による本実施形態の手法の有効性を示す図(その4)である。
【図5】数値計算と理論値の比較による本実施形態の手法の有効性を示す図(その5)である。
【図6】数値計算と理論値の比較による本実施形態の手法の有効性を示す図(その6)である。
【図7】数値計算と理論値の比較による本実施形態の手法の有効性を示す図(その7)である。
【図8】数値計算と理論値の比較による本実施形態の手法の有効性を示す図(その8)である。
【図9】数値計算と理論値の比較による本実施形態の手法の有効性を示す図(その9)である。
【図10】数値計算と理論値の比較による本実施形態の手法の有効性を示す図(その10)である。
【図11】数値計算と理論値の比較による本実施形態の手法の有効性を示す図(その11)である。
【図12】数値計算と理論値の比較による本実施形態の手法の有効性を示す図(その12)である。
【図13】数値計算と理論値の比較による本実施形態の手法の有効性を示す図(その13)である。
【図14】数値計算と理論値の比較による本実施形態の手法の有効性を示す図(その14)である。
【図15】数値計算と理論値の比較による本実施形態の手法の有効性を示す図(その15)である。
【図16】数値計算と理論値の比較による本実施形態の手法の有効性を示す図(その16)である。
【図17】数値計算と理論値の比較による本実施形態の手法の有効性を示す図(その17)である。
【図18】数値計算と理論値の比較による本実施形態の手法の有効性を示す図(その18)である。
【図19】数値計算と理論値の比較による本実施形態の手法の有効性を示す図(その19)である。
【図20】数値計算と理論値の比較による本実施形態の手法の有効性を示す図(その20)である。
【図21】本発明の実施形態に従ったシミュレーション装置のブロック構成図である。
【図22】入力データの例を示した図である。
【図23】出力データの例を示す図である。
【図24】本発明の実施形態の全体の処理の流れを示すフローチャート(その1)である。
【図25】本発明の実施形態の全体の処理の流れを示すフローチャート(その2)である。
【図26】入力部の処理の流れを示すフローチャートである。
【図27】計算部の処理の流れを示すフローチャートである。
【図28】出力部の処理の流れを示すフローチャートである。
【図29】ポテンシャル関数値計算部の演算内容を説明する図である。
【図30】本発明の実施形態のシミュレーション装置をプログラムで実現する場合のコンピュータのハードウェア環境を示す図である。
【符号の説明】
10 入力部
11 計算部
12 出力部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a simulation apparatus useful for development of drugs and the like.
[0002]
[Prior art]
The Tsallis distribution [T] is a noncanonically extended generalized canonical distribution suitable for describing nonadditiveness, which is a feature of systems with long-range interactions and long-term memory effects. In recent years, it has attracted attention as a theoretical system of statistical mechanics. In the following description, a continuous Tsallis distribution in which variables x and p or their function E (x, p) takes a continuous value is an object. Such a continuous Tsallis distribution is defined by the following probability density (note that this definition is not unique and various modifications are made).
[0003]
[Expression 2]
[0004]
Where x = (x 1 , ..., x n ) Is a set of (generalized) coordinates, p = (p 1 , ..., p n ) Represents a set of momentums (conjugate to it). E (x, p) = U (x) + K (p) is total energy, U is potential energy, and K is kinetic energy.
[0005]
[Equation 3]
[0006]
It is. (The mass was all 1). , C is a normalization factor, β = 1 / kT, T is a parameter corresponding to temperature (hereinafter, temperature), and k is a Boltzmann constant. q is a real parameter, ρ depending on the range of the value of E Tsallis Is given in the range defined as a real number. Boltzmann-Gyps (BG) density traditionally used to characterize the canonical distribution in the q → 1 limit
[0007]
[Expression 4]
[0008]
Is equal to This is one reason why the distribution defined in (1.1) is called a generalized canonical distribution.
Regarding the physical and chemical properties of a substance, the information usually obtained in the laboratory can be said to be the information of the system in the heat bath under a certain temperature. The physical system to which attention is focused as an application target of the following description is a system represented by a set of atoms or molecules of several to several million atoms. Of particular interest is a system represented by a (biological) polymer that is the target of a drug and molecules that constitute the environment in which it works. A typical example of the potential energy function in such a system is as follows:
[0009]
[Equation 5]
[0010]
The first term represents the potential energy determined by the distance between each atom, and the second term represents the sum of potential energies representing the equilibrium values such as the bond length and bond angle of atoms in the molecule.
[0011]
The BG distribution has been well studied as a distribution representing the state of the physical system in the heat bath. In particular, the dynamic properties of the polymer described in (1.3) and the system constituting its environment can be well explained by thermodynamic quantities such as free energy based on the BG distribution. It has been revealed by research. For example, the stable three-dimensional structure taken by a protein that is a biopolymer has the lowest free energy based on the BG distribution among various three-dimensional structures that can construct a polypeptide chain having a unique amino acid sequence that defines each protein. The state is considered selected. In addition, the affinity between a drug and a receptor protein is quantitatively explained by the difference in free energy between a system that exists as a complex in which both are bound and a system in which both are discrete.
[0012]
However, the system represented by the above (1.3) is generally complicated in terms of energy, and it has been difficult for the conventional technique to accurately obtain the BG distribution. Furthermore, the Tsallis distribution (1.1) is power-law, and the energy when these distributions are viewed as a function of the energy E, as is clear compared with the exponential BG distribution (1.2). In the case of a Tsallis distribution with q> 1, the dependence on E decreases more gradually than the BG distribution as the energy E increases, and is a set of states having a wide range of energy values. That is, when sampling is performed in the phase space based on the Tsallis distribution and a set of (x, p) pairs is created, the phase space much wider than the BG distribution is sampled in the Tsallis distribution with q> 1. Will be. Therefore, when calculating the thermodynamic quantity by numerical calculation, if a calculation is performed based on this sampling data, a wider phase space is sampled when the Tsallis distribution is used, so a better result is obtained. It is done.
In fact, there is an example where the concept of Tsallis distribution is used for effective sampling [AS]. If effective sampling can be realized by realizing the Tsallis distribution and the BG distribution can be accurately reconstructed from the Tsallis distribution, a stable three-dimensional structure of the protein can be predicted from the genome sequence, Applications to drug design on computers that estimate affinity are expected.
[0013]
Furthermore, the Tsallis distribution itself has begun to be considered as a candidate for a distribution representing the state of an actual physical system in the heat bath, like the conventional BG distribution [PP, AR1, AR2]. Therefore, by realizing the Tsallis distribution on a computer, it is possible to obtain information on the substance in the heat bath with a computer. Furthermore, for real physical phenomena that cannot be handled well by BG additive statistical mechanics, There is a report that it can be explained [A]. Therefore, by realizing the Tsallis distribution on a computer, it is expected to obtain completely new knowledge about the behavior of the physical system in the heat bath. The target system can be of various levels:
・ From microscopic [BCM] at the elementary particle level such as the transverse momentum distribution of hadrons and jets generated by electron and positron scattering,
・ Large scale systems such as the velocity distribution of galactic clusters [L et al]
An example in which these features can be described by the Tsallis distribution has been reported. Basically, the target is a system in which an energy function is defined, and the effect of the Tsallis distribution is expected especially in a system having a long-range interaction or a long-time memory effect. The first term of equation (1.3) is generally a long-range interaction. By realizing the Tsallis distribution in these systems, the dynamic behavior and structure formation of complex (biological system) polymers are completely eliminated. We can expect new knowledge and drug design from a new perspective.
[0014]
The following types of conventional methods for realizing the Tsallis distribution are known:
(1) q = 1 Tsallis distribution (ie, BG distribution) using both (x, p) variables
(2) Tsallis distribution of q ≧ 1 using x variable
(3) Tsallis distribution with q ≦ 1 using both (x, p) variables
Among the methods for realizing each, the following are typical deterministic methods.
[0015]
(Method 1) Nos é and Hoover propose an ODE (Ordinary Differential Equation) for a physical system with an energy function defined, and the BG distribution of temperature T can be obtained simply by adding one degree of freedom. Shown that it is feasible [N, H]. As a result, the simulation of the physical system in the heat bath was made realistic, and the knowledge about the canonical (Boltzmann-Gyps) group obtained by the simulation was dramatically increased. The Nos é -Hoover (NH) method is widely used in the field of molecular dynamics (MD). This equation is called the Nos é -Hoover equation and is expressed below.
[0016]
[Formula 6]
[0017]
Here, U is a potential function, and Q is a positive parameter.
(Method 2) Andricioaei and Straub proposed a method to realize the Tsallis distribution, applied to chemical systems, and demonstrated their effectiveness [AS]. In this approach aimed at effective sampling, a method based on Newton's equation was proposed, considering only the coordinate variable x as the Tsallis distribution.
[0018]
(Method 3) Plastino and Anteneodo's method [PA] is a method for generating a Tsallis distribution. However, unlike Method 2, it considers both (x, p) variables. This method supports mainly when 0 <q ≦ 1. (Velocity distributions of the galactic clusters have been reported as phenomena where analysis using a distribution of q <1 is effective.)
On the other hand, as a conventional method for performing sampling in the BG distribution, there is a method in which the BG distribution and a Tsallis distribution that is an extension thereof are realized. Of these, the above method 1-3 can be cited as a representative method as a deterministic method.
[0019]
[Problems to be solved by the invention]
As a conventional method for realizing the Tsallis distribution for the above (1)-(3), there is a method 1-3, but a method for realizing a Tsallis distribution of q ≧ 1 using both (x, p) variables is still successful. Not. The present invention achieves this distribution.
[0020]
Next, problems of the conventional method when performing sampling in the BG distribution will be described. (Method 1) This method is often used as a method for generating a BG distribution, but the setting of the parameter Q is not simple [N2, PHV]. Since Q → ∞ approaches a pure Newton equation with constant friction, if this is too large, the effect of temperature control on temperature T is reduced. Conversely, it is known that if Q is too small, the nonlinearity of the friction term becomes too large and the numerical integration algorithm fails. Further, depending on the system to be handled, the point (x, p) cannot be sufficiently sampled, and the thermodynamic quantity may not be calculated correctly.
[0021]
Various methods other than the NH method are known as methods for generating the BG distribution [N2]. However, in the method of realizing the BG distribution using the deterministic equation using both (x, p) variables, it is essentially difficult to exceed the high potential barrier with respect to the target temperature. That is, the barrier U (x w ) Increases, the probability P (x w , P) ∝exp [−E (x w , P) / kT] ≦ exp [−U (x w ) / KT] decreases exponentially, so the barrier point x w To reach, a statistically significant amount of very rare events need to be sampled. Accordingly, in order to perform a considerable number of samplings corresponding to such extremely rare phenomenon, an essentially long calculation time is required.
[0022]
(Method 2) This is a deterministic method for realizing the Tsallis distribution considering only the x variable. This is basically a method of using a Newton equation using a potential U ′ modified for a Tsallis distribution having x as a variable with respect to a potential U representing a system. The effect of reducing the force acting on the barrier of U ′ compared to U can be expected, and in fact, the sampling effect is improved as compared with the conventional method [AS, PW1, PW2, HO]. In application to chemical systems, attempts have been made to use appropriate temperature controls [PW1, PW2]. These represent the Tsallis distribution with only x variables, ie
[0023]
[Expression 7]
[0024]
It is an attempt to realize in such a form. Note that U ′ is
[0025]
[Equation 8]
[0026]
As defined in.
However, in the basic equations used in those attempts, the law of conservation of energy holds, so that U ′ (x)> E (x (0), p (0)) against the barrier of U ′ Cannot be exceeded, and a trap to local energy minima can occur. Therefore, it is trapped inside such a barrier, and sufficient sampling cannot be achieved. This is a problem depending on the initial value (x (0), p (0)), and there is room for improvement. In application, there are reports that clearly indicate the method of temperature control and reports that do not. However, in any report, whether or not (3.1) is truly realized is not clarified except in a simple case without a barrier (one-dimensional harmonic oscillator).
[0027]
(Method 3) When 0 <q ≦ 1, which is mainly supported by this method, E is a finite value E 0 Above ≡1 / (1-q) β,
[0028]
[Equation 9]
[0029]
Is defined. However, as described in Method 1, this is disadvantageous for sampling (note that [PA] is not intended for sampling). High energy realization probability is small or zero (U (x) ≧ E c This is because it becomes difficult to cross the barrier of the potential U. this is,(
x, p) -means that sufficient sampling of the space cannot be performed and correct thermodynamic functions cannot be calculated. On the other hand, when q> 1, the problem of overflow in the numerical solution is pointed out. The details are not disclosed.
[0030]
The present invention aims to improve the sampling capability as compared with the conventional method, and this is an implementation of a method for realizing the Tsallis distribution of q ≧ 1 using both the (x, p) variables described above. This is achieved naturally. This achievement makes it possible to obtain an accurate value of the thermodynamic quantity in the BG distribution.
[0031]
Thereby, the efficiency and precision of the drug design by computer simulation can be achieved.
An object of the present invention is to provide a simulation apparatus useful for simulation in drug design and the like.
[0032]
[Means for Solving the Problems]
The simulation apparatus of the present invention is a simulation apparatus for accurately calculating a thermodynamic quantity of a physical system or a chemical system, and has a parameter setting means for setting parameters necessary for the simulation and energy compared to the Boltzmann-Gyps distribution. Based on the parameters, a generalized distribution setting unit that sets a generalized distribution that gradually approaches 0, a differential equation setting unit that sets a differential equation that reproduces the generalized distribution, and Physical quantity calculating means for integrating the differential equation, sampling along the obtained trajectory, and calculating a long-term average of the physical quantity based on the sampling.
[0033]
According to the present invention, when a thermodynamic quantity is calculated using a Boltzmann-Gyps distribution, sampling is performed using not a Boltzmann-Gyps distribution but a generalized distribution that is less asymptotic to zero. Therefore, even when the shape of the energy function has a minimum value, sampling can be made effective by overcoming the barrier surrounding the minimum value. Therefore, the possibility that sampling is trapped by the minimum value of the energy function is reduced, and a more accurate thermodynamic quantity can be calculated.
[0034]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the following description of the embodiment of the present invention, the Tsallis distribution is assumed. However, the present invention is not limited to the Tsallis distribution, and the energy E when the BG distribution is viewed as a function of the energy E. The present invention can be similarly applied even if the distribution has a function whose distribution changes as it approaches 0 later than the exponential function.
[0035]
First, in the embodiment of the present invention, a Tsallis distribution of q ≧ 1 using both (x, p) variables is realized by a deterministic algorithm, specifically, an ordinary differential equation. The long-term limit of the staying time rate in the minute region Δ (x, p) in the phase space of the solution of the ordinary differential equation is expressed by ρ of (1, 1). Tsallis An ordinary differential equation is defined so as to be proportional to (x, p). Here, Δ (x, p) means a minute region including an arbitrary point (x, p). In the embodiment of the present invention, the following ordinary differential equation is used.
[0036]
[Expression 10]
[0037]
Here, the symbol D represents a differential operator. Ζ is a control variable for generating a Tsallis distribution appropriately, and ρ z (Ζ) is an arbitrary function given by the user.
[0038]
As will be described later, when this ordinary differential equation is solved, the solution changes with time in appearance frequency proportional to the Tsallis distribution density, and the Tsallis distribution is realized (Equation (5.4)). In addition, the expected value of the physical quantity in the Tsallis distribution is also obtained by sampling a point in the phase space along the orbit of this ordinary differential equation and averaging this for a long time by sampling in the direction of time evolution according to the ordinary differential equation. Can be calculated. It is shown that the long-time average is not usually dependent on the initial value.
[0039]
Thus, to obtain the expected value of the physical quantity A in the BG distribution by sampling that reproduces the Tsallis distribution,
[0040]
[Expression 11]
[0041]
It can be calculated by obtaining the ratio of the two long-time averages as follows. Here, the long-time average is represented by a superscript line (hereinafter the same). Where ρ Tsallis And ρ BG Are (1.1) and
[0042]
[Expression 12]
[0043]
Is given by Here, β ′ is 1 / kT ′, but does not have to be the same value as β in equation (1.1). That is, the temperature T ′ of the BG distribution may be different from the temperature T of the Tsallis distribution. Although the Tsallis distribution is obtained, the thermodynamic quantity (long-term average of the physical quantity) is obtained from the BG distribution because the physical or chemical of the target system is calculated from the thermodynamic quantity calculated using the BG distribution. This is because a method for estimating the physical properties has been established.
[0044]
To show that equation (4.1) is extensible, we explain that this is a special case of an equation. The equation is R 2n + 1 It is defined for a density function ρ arbitrarily given in the region Γ of (2n + 1 dimensional space (corresponding to phase space)):
[0045]
[Formula 13]
[0046]
here,
[0047]
[Expression 14]
[0048]
The function was defined in. Outer 1 is
[0049]
[Outside 1]
[0050]
X of the function Θ i Ingredient, p i Represents a partial differential at the point ω≡ (x, p, ζ) of the component and ζ component. In equation (4.2), the Liuville equation,
[0051]
[Expression 15]
[0052]
Can be confirmed (X represents the right side of equation (4.2)). Assuming that ρ satisfies the appropriate mathematical condition, the long-term limit of the orbital residence time rate for the region A ⊂Γ is almost all with respect to the measure ρdω, according to the Lieuville theorem and Berkov's ergodic theorem [M]. Exists for the initial value of (the long-time average long-time limit along the trajectory starting from a point in the phase space converges to a finite value for most points in the phase space. To do). If the system is ergodic with respect to this measure,
[0053]
[Expression 16]
[0054]
It becomes. That is, the realization probability density of the state ω∈Γ is proportional to the given ρ. Equation (4.1) is expressed by Equations (4.2) and (4.3)
[0055]
[Expression 17]
[0056]
Is obtained by substituting Thus, the realization probability density of (x, p) is defined as ρ Tsallis It is intended to be proportional to (x, p).
It should be noted that a density other than the expression (1.1) may be used to define the Tsallis distribution [TMP], which can also be handled by the present invention (ρ in the expression (4.5) Tsallis The definition of (x, p) may be changed) and is not limited to the form of (1.1). By the way, usually it is not the formula (1.1),
[0057]
[Expression 18]
[0058]
Is often defined using. However, when the expected value of the physical quantity is obtained, it is often used in the form of equation (1.1) obtained by raising the above to the qth power, as proposed in [TMP]. Since this embodiment is intended to obtain the expected value of the physical quantity, (1.1) is adopted as its definition for convenience. E (x, p) can also be handled as a more general function (ρ in equation (4.5)). Tsallis (This corresponds to the definition content of (x, p) being changed). In addition, X satisfying the equation (4.4) has a trivial arbitrary property (X can be multiplied by a constant). Therefore, using this, for example, when Θ in the equation (4.3) has a physical dimension, (Θ can be scaled by a constant ε with this same dimension,
[0059]
[Equation 19]
[0060]
Considering the equation (4.2) for, and multiplying the right side by ε, the equation can be expressed by Θ having dimensions). This is also true for equation (4.1).
Under mathematical additional conditions, for equation (4.1), the long-term limit of function f exists for almost all initial values for the measure ρdω, according to Berkov's Ergod Theorem [M]. here,
[0061]
[Expression 20]
[0062]
It is. If the system is ergodic with respect to this measure,
[0063]
[Expression 21]
[0064]
In particular, the long-term average value of the physical quantity A as a function of x and p is the expected value of A (weight ρ in the Tsallis distribution). Tsallis The spatial average). That is,
[0065]
[Expression 22]
[0066]
Similarly, for the small region Δ (x, p), the following holds:
[0067]
[Expression 23]
[0068]
The left side is the long-term limit of the frequency of trajectory visits to Δ (x, p). Therefore, the realization probability density of the point (x, p) is ρ Tsallis Is proportional to
In the computer simulation, the value on the left side of (5.3) is set to a sufficiently large time step N.
[0069]
[Expression 24]
[0070]
Evaluate with approximate values such as
Further, from the equation (5.3), the following equation is established:
[0071]
[Expression 25]
[0072]
Thereby, the expected value (right side) of the physical quantity A in the BG distribution can be calculated by averaging the two long sides on the left side.
1 to 20 are diagrams showing the effectiveness of the method of the present embodiment by comparison between numerical calculation and theoretical values.
[0073]
First, an example in which a Tsallis distribution of q ≧ 1 using both (x, p) variables is realized. Next, an example in which the sampling capability in the BG distribution is improved over the conventional method will be shown. And the example of verification of the sampling capability in BG distribution in different temperature is shown.
[0074]
As a first example of realizing the Tsallis distribution, the potential function U is converted to a one-dimensional harmonic oscillator.
[0075]
[Equation 26]
[0076]
These are shown in FIGS. The temperature T was 1.0. For simplicity, all quantities are represented dimensionlessly. The initial values of ODE are x (0) = 0.1, p (0) = 0.0, ζ (0) = 0.0, and numerical integration is performed by the fourth-order Runge-Kutta method. Calculated for the value of. Table 1 shows the parameter values used in the simulation.
[0077]
[Table 1]
[0078]
Δt represents a time step size, and N represents a simulation time step. ρ when q is 3.0 (case 1) Tsallis FIG. 1 and FIG. 2 show simulation values and theoretical values (equation (1.1)) obtained from the histogram. These are in good agreement. Similarly, the results when the value of q is 2.0 (case 2) are shown in FIGS. It can be seen that the simulation values and the theoretical values agree well.
[0079]
A second example of realizing the Tsallis distribution is the one in which the potential function U is a double well oscillator type (FIG. 3) (shown in FIGS. 5 to 9):
[0080]
[Expression 27]
[0081]
The potential function is expressed by the above equation, and the diagram is shown in FIG.
For a temperature T = 1.0, the height of the barrier is 10.0. The results when q is 3.0 (case 4) and 2.0 (case 5) are shown in FIGS. As in the case of the harmonic oscillator, the simulation value and the theoretical value are in good agreement.
[0082]
In order to verify the sampling ability in the BG distribution, the result obtained using the equation (5.6) in the simulation of case 4 is shown and compared with the result obtained by the conventional method. First, the density ρ of the BG distribution with T = 1.0 BG FIG. 10 and FIG. 11 show simulation values and theoretical values (equation (1.2)) obtained from the histogram. These are in good agreement. Next, a simulation result (equation (5.5)) of an expected value in a BG distribution of energy E (x, p) as a physical quantity is shown (FIG. 12). The theoretical value of the expected energy is a definite integral
[0083]
[Expression 28]
[0084]
Is estimated to be 1.0248. Therefore, it can be seen that the simulation result converges to the correct value. As a comparison, the result of calculating the thermodynamic function in the same manner as the conventional method of Method 1 is shown. The temperature T, initial value, numerical integration method, and time increment are all the same as in case 4. The value of parameter 1 / 2Q in equation (2.1) is 10 -2 10 -1 ... 10 Four 10 Five , And 2.0 × 10 Five I went 9 ways. In all cases, the temperature of the system
[0085]
[Expression 29]
[0086]
However, the coordinate value x of the solution was localized in the valley region on the left side of the potential including the initial coordinate 0.1, and no movement occurred on the right side. Some of the simulation results are shown in FIGS. Here, FIG. 13 shows the parameter 1 / 2Q = 10. -2 , Initial value x = 0.1, FIG. 14 has the same initial value, parameter 1 / 2Q = 10, and FIG. 15 has the same initial value, parameter 1 / 2Q = 10 Three 16, the initial values are the same, and the parameter 1 / 2Q = 10 Five 17, the initial values are the same, and the parameter 1 / 2Q = 2.0 × 10 Five 18, the initial value is x = 0.9, and the parameter 1 / 2Q = 2.0 × 10 Five It is said.
In Method 1, which is the conventional method, the BG distribution is not correctly generated as a result of localizing the sampling to one well of the double well. Therefore, the thermodynamic function value is not calculated correctly. Parameter 1 / 2Q = 2.0 × 10 Five FIG. 17 shows the simulation result of the expected energy value for. Sampling is inadequate and does not converge to the correct value. As described above, if the value of the parameter 1 / Q is further reduced, the Newton equation is approached, so that the ability to generate the BG distribution is reduced, and these results are not improved. Conversely, it is known that if the value of parameter 1 / Q is increased too much, the numerical integration algorithm fails. In fact, even in this calculation, 1 / 2Q = 10 6 Then, the coordinate x caused a numerical overflow, and the numerical integration algorithm broke down. Further, even when the initial coordinate value is set to the right valley region x = 0.9, localization is similarly performed, and sampling is insufficient (1 / 2Q = 2.0 × 10 6). Five This case is shown in FIG.
[0087]
In order to verify the sampling capability in the BG distribution at different temperatures, the same conditions as in the above case 4 were used, but the calculation was performed according to the present embodiment for the BG distribution having a temperature 2.0 that is twice as high. Density ρ BG 19 and 20 show simulation values and theoretical values obtained from the histogram. You can see these agreements.
[0088]
FIG. 21 is a block configuration diagram of the simulation apparatus according to the embodiment of the present invention.
The simulation apparatus 1 includes an input unit 10, a calculation unit 11, and an output unit 12. Input data required for calculation is input to the input unit 10. The input data input to the input unit 10 is sent to the calculation unit 11. The calculation unit 11 uses the parameter values included in the input data to reproduce the Tsallis distribution as shown in the description of the embodiment (4.1), or the energy more slowly than the BG distribution. Reproduce a distribution that is asymptotic to 0 (which is “slow” asymptotic behavior of a function that is slower than an exponential function as a function of energy E, for example, asymptotic behavior is governed by a finite power of E) Integrate the differential equation by a sequential numerical method such as Runge-Kutta method. Then, sampling is performed from a point on the orbit obtained as a result of integrating the differential equation, and a physical quantity value and an expected value are calculated using the sampled point.
[0089]
The calculated physical quantity value or expected value is passed to the output unit 12 as output data and presented to the user by a display device (not shown).
FIG. 22 is a diagram illustrating an example of input data.
[0090]
As shown in the figure, as an example of input data, the number of degrees of freedom n and the potential function No (in this case, a plurality of different potential functions are registered in the calculation unit and selected from these functions). Note that it is also possible to input the function form directly and let the simulation device interpret it)), simulation conditions, boundary conditions, Tsallis distribution parameters, ρ z There are a function parameter, a BG distribution temperature list, a frequency calculation parameter, and the like.
[0091]
The simulation conditions include the number of simulation steps, a time step size, and an output designation parameter. Further, the Tsallis distribution parameter includes q, temperature T, or β. ρ z As the function parameter, there are a function No in the same meaning as the potential function No, a setting coefficient, and the like. The BG distribution temperature list includes the number of temperatures of the BG distribution to be calculated and the value of the temperature of the BG distribution to be calculated. The frequency calculation parameter includes a discrete width when the distribution sampling is formed as a histogram, a domain parameter for controlling the domain, and the like.
[0092]
FIG. 23 is a diagram illustrating an example of output data.
Output data includes time changes in the values of the state variables x and p solved by integrating differential equations, time changes in other variable values (ζ, potential energy, etc.), and expected values of physical quantities (time average). Change, time change (and final value) of expected value (time average) of physical quantity in BG distribution at each temperature (energy, specific heat, etc.), frequency of potential energy value (realization probability), frequency of kinetic energy value (realization probability) , Tsallis distribution density (density, peripheral distribution), BG distribution density (density, peripheral distribution), and the like. Among the above data, the thermodynamic quantities are the expected value of the physical quantity and the expected value of the physical quantity in the BG distribution at each temperature. Other data can be used to evaluate the accuracy of the simulation.
[0093]
24 and 25 are flowcharts showing the overall processing flow of the embodiment of the present invention.
First, in step S1, data input is performed. Next, constant definition is performed in step S2. In step S3, preparation for output to a file for outputting the calculation result is performed. In step S4, initial settings of variables are defined. In this case, how to set is selected between automatic generation (step S6) and reading from an external file (step S7) in step S5. When initialization of variables is completed, preparation for frequency calculation is performed in step S8. In step S9, numerical integration is started.
[0094]
In step S10, t is set to t + Δt, and numerical integration is executed in step S11. In executing the numerical calculation, an equation (4.1 in the case of the embodiment of the present invention) of an equation for solving the results of the z-density value calculation unit (step S16), the potential function calculation unit (step S17), and the like. The right side is calculated (step S18), and numerical integration is performed using this result. In this case, it is possible to select or add an integration method. Further, the calculation result of the potential function calculation unit is passed to the energy calculation unit in step S15 and used for energy calculation. In step S12, a boundary condition for numerical integration is processed. In step S13, energy calculation is performed. In step S14, the density of the distribution is calculated. At this time, the distribution includes a Tsallis distribution and a BG distribution. The density calculation uses data from the calculation part of each distribution.
[0095]
In step S19, a numerical integration check is performed based on the data from the z-density value calculation unit. In step S20, a numerical error check is performed. If there is an error, the numerical integration is terminated. If there is no error, in step S21, frequency calculation is performed to determine the frequency of potential and momentum energy and the density of the Tsallis distribution. In step S22, the expected value of the physical quantity is calculated. Examples of physical quantities include kinetic energy, total energy, energy in BG distribution, specific heat in BG distribution, and the like.
[0096]
In step S23, the calculation result is output as output data. In step S24, it is determined whether or not a calculation end condition predetermined by the user is satisfied. If not satisfied, the process returns to step S10 to repeat the calculation. If satisfied, the numerical integration is terminated. Finally, after the completion of numerical integration, as a check of the output data, the theoretical value of Tsallis distribution density (peripheral distribution) and BG distribution density (peripheral distribution) is calculated when possible, and compared with the output data. Examine the accuracy of and verify that an appropriate distribution has been generated. Thereby, it is evaluated whether or not the calculated physical quantity gives a correct value.
[0097]
FIG. 26 is a flowchart showing the flow of processing of the input unit.
First, in step S30, data is input. In step S31, constants for numerical integration are defined, and in step S32, file output preparation is performed. In step S33, the initial value of the variable is defined. At this time, it is selected whether the initial value of the variable is automatically generated or read from an external file. Alternatively, the user may input manually. In step S34, preparation for density / frequency calculation is performed, and the process proceeds to the calculation unit.
[0098]
FIG. 27 is a flowchart showing the flow of processing of the calculation unit.
In step S40, numerical integration is started. In step S41, the time parameter t is advanced by t + Δt and Δt. In step S42, numerical integration is executed. At this time, in the z-density value calculation unit, a function selected and added and the result of calculation using an appropriate function are substituted into the right side of the equation together with the calculation result of the potential function calculation unit, and calculation is performed. To do. The result is used for numerical integration calculation in step S42. In numerical integration calculations, it is convenient to be able to select and add calculation methods. In step S43, the boundary condition is processed, and in step S44, the energy calculation using the data from the potential function calculation unit is performed in the energy calculation unit, and the energy value is calculated using the energy calculation. In step S45, the density ratio is calculated. In step S46, numerical integration is checked. In step S47, it is determined whether there is a numerical error. If there is an error, numerical integration is terminated. If there is no error, frequency calculation is performed in step S48, and physical quantity expected value calculation is performed in step S49. In step S50, data is output, and in step S51, the calculation end condition is determined. If the end condition is not satisfied, the process returns to step S41 to repeat the calculation, but the end condition is satisfied. Ends the numerical integration.
[0099]
FIG. 28 is a flowchart showing the flow of processing of the output unit.
In step S60, the output data calculated by the calculation unit is confirmed. That is, if possible, the theoretical value of the Tsallis distribution density and the peripheral distribution of the BG distribution density is calculated, and in step S61, the output data is visualized to determine whether the user has performed a correct simulation. Output data.
[0100]
FIG. 29 is a diagram for explaining the calculation contents of the potential function value calculation unit.
When x (t) is updated as an integration result of the differential equation, the following calculation is performed. That is, the potential function value, the potential function partial function (Force Function value is known to indicate the force acting on the system), the adjustment of the energy origin, and if necessary, the solution Add a potential function to constrain. Here, what kind of potential function is used can be conveniently selected from a plurality of candidates and can be added.
[0101]
FIG. 30 is a diagram illustrating a hardware environment of a computer when the simulation apparatus according to the embodiment of the present invention is realized by a program.
The CPU 21 executes the processing according to the embodiment of the present invention by executing the program stored in the ROM 22 and the RAM 23 connected by the bus 20. The program copied to the RAM 23 is stored in a storage device 27 such as a hard disk, or is stored in a portable recording medium 29 such as a floppy disk, CD-ROM, or DVD.
[0102]
The program stored in the portable recording medium 29 is read by the reading device 28 and copied to the RAM 23 via the bus 20 or stored in the storage device 27 and installed in the computer.
[0103]
The input / output device 30 includes a display, a keyboard, a mouse, a template, and the like, and is used for transmitting input from the user to the CPU 21 and presenting the calculation result of the CPU 21 to the user.
[0104]
The communication interface 24 can be connected to the information provider 26 via the network 25 to download the program so that the CPU 21 can execute it. Alternatively, the program that the information provider 26 has may be executed in a network environment.
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・ [N] S. Nos &eacute;, J. Chem. Phys. 81, 511 (1984)
・ [N2] S. Nos &eacute;, Prog. Theor.Phys. Suppl. 103, 1 (1991)
・ [PA] ARPlastino and C. Anteneodo, A dynamical thermostatting approach to non-extensive canonical ensembles, Ann. Phys. 255, 250 (1997)
・ [PHV] HAPosh, WG Hoover, and FjVesely, Phys. Rev. A 33, 4253 (1986)
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・ [PW2] Y. Pakand S. Wang, J. Phys. Chem. B 2000, 104, 354 (2000)
・ [T] C. Tsallis, Possble generalization of Boltzmann-Gibbs statistics, J. Stat. Phys. 52, 479 (1988)
・ [TMP] C. Tsallis, RSMendes and AR Plastino, The role of constraints within generalized nonextensivestatistics, Physica A 261,534 (1998)
[0105]
【The invention's effect】
The present invention has the following effects.
It is possible to generate a Tsallis distribution with q ≧ 1 using both (x, p) variables. This has not been successful with conventional methods.
-Generation of BG distribution at any temperature is possible.
・ The thermodynamic quantity can be calculated by generating the BG distribution.
・ Since the sampling capability is improved over the conventional method, the correct value can be calculated even when the conventional method cannot calculate the correct distribution or thermodynamic quantity value due to insufficient sampling.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram (part 1) showing the effectiveness of a technique according to the present embodiment by comparison between numerical calculation and theoretical value.
FIG. 2 is a diagram (part 2) showing the effectiveness of the method of the present embodiment by comparison between numerical calculation and theoretical value;
FIG. 3 is a diagram (part 3) illustrating the effectiveness of the technique of the present embodiment by comparison between numerical calculation and theoretical value;
FIG. 4 is a diagram (part 4) illustrating the effectiveness of the method of the present embodiment by comparison between numerical calculation and theoretical value;
FIG. 5 is a diagram (No. 5) showing the effectiveness of the technique of the present embodiment by comparison between numerical calculation and theoretical value;
FIG. 6 is a diagram (No. 6) showing the effectiveness of the method of the present embodiment by comparison between numerical calculation and theoretical value;
FIG. 7 is a diagram (No. 7) showing the effectiveness of the method of the present embodiment by comparison between numerical calculation and theoretical value;
FIG. 8 is a diagram (No. 8) showing the effectiveness of the technique of the present embodiment by comparison between numerical calculation and theoretical value;
FIG. 9 is a diagram (No. 9) showing the effectiveness of the technique of the present embodiment by comparison between numerical calculation and theoretical value;
FIG. 10 is a diagram (No. 10) showing the effectiveness of the technique of the present embodiment by comparison between numerical calculation and theoretical value;
FIG. 11 is a diagram (No. 11) showing the effectiveness of the technique of the present embodiment by comparison between numerical calculation and theoretical value;
FIG. 12 is a diagram (No. 12) showing the effectiveness of the technique of the present embodiment by comparison between numerical calculation and theoretical value;
FIG. 13 is a diagram (No. 13) showing the effectiveness of the technique of the present embodiment by comparison between numerical calculation and theoretical value;
FIG. 14 is a diagram (No. 14) showing the effectiveness of the method of the present embodiment by comparison between numerical calculation and theoretical value;
FIG. 15 is a view (No. 15) showing the effectiveness of the technique of the present embodiment by comparison between numerical calculation and theoretical value;
FIG. 16 is a view (No. 16) showing the effectiveness of the technique of the present embodiment by comparison between numerical calculation and theoretical value;
FIG. 17 is a view (No. 17) showing the effectiveness of the method of the present embodiment by comparison between numerical calculation and theoretical value;
FIG. 18 is a diagram (No. 18) showing the effectiveness of the method of the present embodiment by comparison between numerical calculation and theoretical value;
FIG. 19 is a diagram (No. 19) showing the effectiveness of the technique of the present embodiment by comparison between numerical calculation and theoretical value;
FIG. 20 is a diagram (No. 20) showing the effectiveness of the technique of the present embodiment by comparison between numerical calculation and theoretical value;
FIG. 21 is a block configuration diagram of a simulation apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a diagram showing an example of input data.
FIG. 23 is a diagram illustrating an example of output data.
FIG. 24 is a flowchart (No. 1) showing the overall processing flow of the embodiment of the present invention;
FIG. 25 is a flowchart (No. 2) showing the overall processing flow of the embodiment of the present invention;
FIG. 26 is a flowchart illustrating a process flow of an input unit.
FIG. 27 is a flowchart illustrating a processing flow of a calculation unit.
FIG. 28 is a flowchart illustrating a processing flow of the output unit.
FIG. 29 is a diagram illustrating the calculation contents of a potential function value calculation unit.
FIG. 30 is a diagram illustrating a hardware environment of a computer when the simulation apparatus according to the embodiment of the present invention is realized by a program.
[Explanation of symbols]
10 Input section
11 Calculator
12 Output section

Claims (7)

コンピュータに、
入力部より、ユーザから物理系あるいは化学系の熱力学量を算出するためのシミュレーションに必要なパラメータ及び、少なくともポテンシャル関数を含む微分方程式を設定するためのデータの入力を受け付け、入力された微分方程式を設定するためのデータに基づき、統計力学によって定義される統計分布をエネルギーの関数としてみたとき、エネルギーが大きくなるにつれての分布の変化が、指数関数より遅く0に漸近する一般化分布を再現する微分方程式を設定する処理と、
入力されたパラメータに基づいて、設定された微分方程式を積分し、得られた軌道に沿って、サンプリングを行い、該サンプリングに基づいて物理量の長時間平均を算出する処理と
実行させることを特徴とするシミュレーションプログラム。
On the computer,
From the input unit, the simulation parameters required for calculating the thermodynamic quantities of physical systems or chemical system from the user, and receives an input of data for setting the differential equation contains at least potential function, the inputted differential Based on the data for setting the equation, when the statistical distribution defined by statistical mechanics is viewed as a function of energy, the change in distribution with increasing energy reproduces a generalized distribution that gradually approaches the zero later than the exponential function. Processing to set the differential equation to
Based on the input parameters, the process of integrating the set differential equations, along the resulting trajectory, to sample, to calculate the long-time average of the physical quantity based on the sampling,
A simulation program characterized by executing
前記一般化分布は、Tsallis分布であることを特徴とする請求項1に記載のシミュレーションプログラム。  The simulation program according to claim 1, wherein the generalized distribution is a Tsallis distribution. 前記微分方程式は、Tsallis分布を再現する連立常微分方程式であることを特徴とする請求項2に記載のシミュレーションプログラム。  The simulation program according to claim 2, wherein the differential equation is a simultaneous ordinary differential equation that reproduces a Tsallis distribution. 前記連立微分方程式は、xiを一般化座標、piを一般化座標に共役な運動量、Uをポテンシャル関数、nを整数、Tを温度、kをボルツマン定数、β=1/kT、Eをエネルギー関数、Dを微分演算子、qを1以上の定数、ζをTsallis分布を適切に作るための制御変数、ρzをユーザが与える任意関数とした場合に、
で与えられることを特徴とする請求項3に記載のシミュレーションプログラム。
In the simultaneous differential equations, x i is a generalized coordinate, p i is a momentum conjugate to the generalized coordinate, U is a potential function, n is an integer, T is a temperature, k is a Boltzmann constant, β = 1 / kT, and E When an energy function, D is a differential operator, q is a constant of 1 or more, ζ is a control variable for appropriately creating a Tsallis distribution, and ρ z is an arbitrary function given by the user,
The simulation program according to claim 3, wherein the simulation program is given by:
物理系あるいは化学系の熱力学量を算出するためのシミュレーション装置であって、
ユーザから、物理系あるいは化学系の熱力学量を算出するためのシミュレーションに必要なパラメータ、及び、少なくともポテンシャル関数を含む微分方程式を設定するためのデータの入力を受け付け、入力された微分方程式を設定するためのデータに基づき、統計力学によって定義される統計分布をエネルギーの関数としてみたとき、エネルギーが大きくなるにつれての分布の変化が、指数関数より遅く0に漸近する一般化分布を再現する微分方程式を設定する入力手段と、
入力されたパラメータに基づいて、設定された微分方程式を積分し、得られた軌道に沿って、サンプリングを行い、該サンプリングに基づいて物理量の長時間平均を算出する物理量算出手段と、
を備えることを特徴とするシミュレーション装置。
A simulation device for calculating a thermodynamic quantity of a physical system or a chemical system,
Accepts user input of parameters necessary for simulation to calculate physical or chemical thermodynamic quantities and data for setting differential equations including at least potential functions , and sets the input differential equations based on data for, when the statistical distribution defined by statistical mechanics viewed as a function of energy, the change in the distribution of as the energy becomes larger, to reproduce the generalized distribution of asymptotic to 0 slower than exponential derivative An input means for setting an equation;
A physical quantity calculating means for integrating the set differential equation based on the input parameters, sampling along the obtained trajectory, and calculating a long-term average of the physical quantities based on the sampling;
A simulation apparatus comprising:
シミュレーション装置に、
入力部により、ユーザから物理系あるいは化学系の熱力学量を算出するためのシミュレーションに必要なパラメータ、及び、少なくともポテンシャル関数を含む微分方程式を設定するためのデータの入力を受け付け、入力された微分方程式を設定するためのデータに基づき、統計力学によって定義される統計分布をエネルギーの関数としてみたとき、エネルギーが大きくなるにつれての分布の変化が、指数関数より遅く0に漸近する一般化分布を再現する微分方程式を設定する処理と
入力されたパラメータに基づいて、設定された微分方程式を積分し、得られた軌道に沿って、サンプリングを行い、該サンプリングに基づいて物理量の長時間平均を算出する処理と
実行させることを特徴とするシミュレーション方法。
In the simulation device,
The input unit accepts input of parameters necessary for simulation to calculate physical or chemical thermodynamic quantities from the user and data for setting a differential equation including at least a potential function. based on the data for setting the equations, when the statistical distribution defined by statistical mechanics viewed as a function of energy, the change in the distribution of as the energy becomes larger, generalized distribution you asymptotic to 0 slower than exponential A process of setting a differential equation that reproduces
Based on the input parameters, the process of integrating the set differential equations, along the resulting trajectory, to sample, to calculate the long-time average of the physical quantity based on the sampling,
Simulation method characterized by to run.
コンピュータに、
入力部により、ユーザから物理系あるいは化学系の熱力学量を算出するためのシミュレーションに必要なパラメータ、及び、少なくともポテンシャル関数を含む微分方程式を設定するためのデータの入力を受け付け、入力された微分方程式を設定するためのデータに基づき、統計力学によって定義される統計分布をエネルギーの関数としてみたとき、エネルギーが大きくなるにつれての分布の変化が、指数関数より遅く0に漸近する一般化分布を再現する微分方程式を設定する処理と
入力されたパラメータに基づいて、設定された微分方程式を積分し、得られた軌道に沿って、サンプリングを行い、該サンプリングに基づいて物理量の長時間平均を算出する処理と、
実行させることを特徴とするシミュレーションプログラムを記録した、コンピュータ読み取り可能な記録媒体。
On the computer,
The input unit accepts input of parameters necessary for simulation to calculate physical or chemical thermodynamic quantities from the user and data for setting a differential equation including at least a potential function. based on the data for setting the equations, when the statistical distribution defined by statistical mechanics viewed as a function of energy, the change in the distribution of as the energy becomes larger, generalized distribution you asymptotic to 0 slower than exponential A process of setting a differential equation that reproduces
Based on the input parameters, the process of integrating the set differential equations, along the resulting trajectory, to sample, to calculate the long-time average of the physical quantity based on the sampling,
A computer-readable recording medium on which a simulation program is recorded.
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