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全局构造二阶微分算子谱投影的自适应局部基集。 (英语) Zbl 1409.65118号

二阶微分算符的谱投影仪在量子物理和其他科学与工程应用中发挥着重要作用。为了解析局部特征并获得收敛结果,通常需要的自由度远大于光谱投影仪的秩。这将导致计算和存储方面的巨大成本。本文提出了一种构造基集的方法,该基集适用于给定的微分算子。基础集是可以系统地改进的,投影仪的局部特征被构建到基础集中。因此,所需的自由度仅为投影仪等级的小常数倍。基集的构造使用随机过程,只需要将微分算子应用于全局域上的少量向量,而每个基函数本身在严格的局部域上得到支持,并且在全局域上是不连续的。利用间断Galerkin方法从这样的基集系统地逼近全局域上的光谱投影。全局构造过程非常灵活,即使算子包含非局部势项,也可以一致地构造局部基集。我们使用具有局部势的一维、二维和三维线性问题,以及类似于量子物理中Hartree-Fock问题的具有非局部势的三维非线性问题,验证了全局构造的自适应局部基集的有效性。

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65Z05个 科学应用
65M99型 偏微分方程、初值和含时初边值问题的数值方法
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参考文献:

[1] N.I.Akhiezer,《椭圆函数理论的要素》,美国数学学会,普罗维登斯,RI 1990年·Zbl 0694.33001号
[2] M.Alemany、M.Jain、L.Kronik和J.Chelikowsky,计算周期系统电子性质的实空间赝势方法,物理。B版,69(2004),075101。
[3] D.G.Anderson,《非线性积分方程的迭代程序》,J.ACM,12(1965),第547-560页·Zbl 0149.11503号
[4] D.N.Arnold,{一种不连续单元的内罚有限元法},SIAM J.Numer。分析。,19(1982),第742-760页·Zbl 0482.65060号
[5] D.N.Arnold、F.Brezzi、B.Cockburn和L.D.Marini,《椭圆问题间断Galerkin方法的统一分析》,SIAM J.Numer。分析。,39(2002),第1749-1779页·Zbl 1008.65080号
[6] I.Babuška和J.M.Melenk,《统一方法的划分》,国际数学家杂志。方法工程,40(1997),第727-758页·Zbl 0949.65117号
[7] A.S.Banerjee、L.Lin、W.Hu、C.Yang和J.E.Pask,{用于大规模电子结构计算的间断Galerkin方法中的切比雪夫多项式滤波子空间迭代},J.Chem。物理。,145 (2016), 154101.
[8] A.D.Becke,密度功能热化学。III.精确交换的作用,化学杂志。物理。,98 (1993), 5648.
[9] J.-P.Berrut和L.N.Trefethen,{重心拉格朗日插值},SIAM Rev.,46(2004),第501-517页·Zbl 1061.65006号
[10] V.Blum,R.Gehrke,F.Hanke,P.Havu,V.Havu.,X.Ren,K.Reuter,and M.Schefler,{用数值原子中心轨道进行从头算分子模拟},计算。物理学。社区。,180(2009年),第2175-2196页·Zbl 1197.81005号
[11] J.L.Fattebert和J.Bernholc,{\it朝向基于网格的O(N)密度泛函理论方法:优化的非正交轨道和多重网格加速度},Phys。B版,62(2000),第1713-1722页。
[12] C.J.Garciöa-Cervera,J.Lu,Y.Xuan,and W.E,{Kohn-Sham密度泛函理论的最优局部化非正交波函数线性尺度子空间迭代算法},Phys。B版,79(2009),115110。
[13] L.Genovese、A.Neelov、S.Goedecker、T.Deutsch、S.A.Ghasemi、A.Willand、D.Caliste、O.Zilberberg、M.Rayson、A.Bergman和R.Schneider,《作为密度泛函赝势计算基础集的Daubechies小波》,J.Chem。物理。,129 (2008), 014109.
[14] P.Giannozzi、S.Baroni、N.Bonini、M.Calandra、R.Car、C.Cavazzoni、D.Ceresoli、G.L.Chiarotti、M.Cooccioni、I.Dabo、A.D.Corso、S.de Gironcoli、S.Fabris、G.Fratesi、R.Gebauer、U.Gerstmann、C.Gougoussis、A.Kokalj、M.Lazzeri、L.Martin-Samos、N.Marzari、F.Mauri Mazzarello、S.Paolini、A.Pasquarello、L.Paulatto、C.Sbraccia,S.Scandolo、G.Sclauzero、A.P.Seitsonen、A.Smogunov、P.Umari和R.M.Wentzcovitch,《量子ESPRESSO:材料量子模拟的模块化开源软件项目》,J.Phys.:冷凝水。Matter,21(2009),第395502-395520页。
[15] S.Goedecker,{线性标度电子结构方法},修订版。物理。,71(1999),第1085-1123页。
[16] G.H.Golub和C.F.Van Loan,《矩阵计算》,第四版,约翰霍普金斯大学出版社,巴尔的摩,2013年·Zbl 1268.65037号
[17] S.Guöttel、E.Polizzi、P.T.P.Tang和G.Viaud,《FEAST特征解算器的{it Zolotarev求积规则和负载平衡》,SIAM J.Sci。计算。,37(2015),第A2100-A2122页·Zbl 1321.65055号
[18] N.Halko、P.-G.Martinsson和J.A.Tropp,《寻找具有随机性的结构:构造近似矩阵分解的概率算法》,SIAM Rev.,53(2011),第217-288页·Zbl 1269.65043号
[19] J.Heyd、G.E.Scuseria和M.Ernzerhof,《基于屏蔽库仑势的混合泛函》,J.Chem。物理。,118(2003),第8207-8215页。
[20] P.Hohenberg和W.Kohn,{非均匀电子气体},物理学。第136版(1964年),第B864-B871页。
[21] W.Hu,L.Lin,and C.Yang,{it DGDFT:大规模密度泛函理论计算的大规模并行方法},J.Chem。物理。,143 (2015), 124110.
[22] A.V.Knyazev,{走向最优预处理特征解算器:局部最优块预处理共轭梯度法},SIAM J.Sci。公司。,23(2001),第517-541页·Zbl 0992.65028号
[23] W.Kohn和L.Sham,{包括交换和相关效应在内的自洽方程},《物理学》。第140版(1965年),第A1133-A1138页。
[24] C.Lanczos,{求解线性微分和积分算子特征值问题的迭代方法},J.Res.Nat.Bur。支架。,45(1950),第255-282页。
[25] Y.Li和H.Yang,{基于Zolotarev函数的稀疏厄米特定矩阵谱切片},预印本,[math.NA],2017。
[26] L.Lin,{自适应压缩交换算子},J.Chem。理论计算。,12 (2016), 2242.
[27] L.Lin,M.Chen,C.Yang,and L.He,{通过极点展开和选择反转加速基于原子轨道的电子结构计算},J.Phys.:冷凝水。Matter,25(2013),295501。
[28] L.Lin,J.Lu,L.Ying,R.Car,and W.E,{提取逆矩阵对角线的快速算法及其在金属体系电子结构分析中的应用},Comm.Math。科学。,7 (2009), 755. ·Zbl 1182.65072号
[29] L.Lin、J.Lu、L.Ying和W.E,不连续伽辽金框架中Kohn Sham密度泛函理论的自适应局部基集I:总能量计算,J.Comput。物理。,231(2012),第2140-2154页·Zbl 1251.82008年
[30] L.Lin、J.Lu、L.Ying和W.E,{科恩-沙姆密度泛函理论的优化局部基函数},J.Chem。物理。,231 (2012), 4515. ·Zbl 1250.82002号
[31] L.Lin和B.Stamm,{使用非多项式基函数的间断Galerkin方法的后验误差估计。第一部分:二阶线性PDE},数学。模型。数字。分析。,50 (2016), 1193. ·Zbl 1348.65153号
[32] L.Lin和B.Stamm,{使用非多项式基函数的间断Galerkin方法的后验误差估计。第二部分:特征值问题},数学。模型。数字。分析。,(2017年出版)·Zbl 1384.65080号
[33] L.Lin和C.Yang,{加速Kohn-Sham密度泛函理论中自洽场迭代的椭圆预条件},SIAM J.Sci。公司。,35(2013),第S277-S298页·Zbl 1284.82009年
[34] R.Martin,《电子结构——基本理论和实用方法》,剑桥大学出版社,纽约州西尼亚克,2004年·Zbl 1152.74303号
[35] R.McWeeny,{\it.密度矩阵理论的一些最新进展},Rev.Mod。物理。,32(1960年),第335-369页·Zbl 0092.23201号
[36] S.Mohr、L.E.Ratcliff、P.Boulanger、L.Genovese、D.Caliste、T.Deutsch和S.Goedecker,{线性定标密度泛函理论的Daubechies小波},J.Chem。物理。,140 (2014), 204110.
[37] P.Motamarri和V.Gavini,{使用谱有限元离散化进行大规模Kohn-Sham密度泛函理论计算的亚二次尺度子空间投影方法},Phys。B版,90(2014),115127。
[38] T.Ozaki,{大规模电子结构的可变优化原子轨道},Phys。B版,67(2003),第155108-155112页。
[39] C.C.Paige和M.A.Saunders,《稀疏不定线性方程组的解》,SIAM J.Numer。分析。,12(1975年),第617-629页·Zbl 0319.65025号
[40] J.E.Pask、B.M.Klein、C.Y.Fong和P.A.Sterne,《固体电子结构计算的实空间局部多项式基础:有限元方法》,Phys。修订版B,59(1999),12352。
[41] M.J.Rayson和P.R.Briddon,《500-10000原子系统Kohn-Sham密度泛函计算的高效方法》,Phys。B版,80(2009),205104。
[42] Y.Saad和M.H.Schultz,{it GMRES:求解非对称线性系统的广义最小残差算法},SIAM J.Sci。统计计算。,7(1986年),第856-869页·Zbl 0599.65018号
[43] K.Schwarz、P.Blaha和G.K.H.Madsen,{使用材料科学的WIEN2k软件包计算固体的电子结构},计算。物理学。社区。,147(2002),第71-76页·Zbl 1004.81583号
[44] C.Skylaris、P.Haynes、A.Mostofi和M.Payne,《ONETEP简介:并行计算机上的线性密度函数模拟》,J.Chem。物理。,122 (2005), 084119.
[45] J.M.Soler、E.Artacho、J.D.Gale、A.GarciíA、J.Junquera、P.Ordejoín和D.Saínchez-Portal,{it从头算序-n材料模拟的SIESTA方法},J.Phys.:冷凝水。《物质》,第14期(2002年),第2745-2779页。
[46] N.Sukumar和J.E.Pask,{布洛赫周期边界条件的经典和丰富的有限元公式},国际J.Numer。方法工程,77(2009),1121·Zbl 1156.81313号
[47] A.Szabo和N.Ostlund,《现代量子化学:高级电子结构理论导论》,McGraw-Hill,纽约,1989年。
[48] M.B.van Gijzen、Y.A.Erlangga和C.Vuik,{用移位拉普拉斯算子预处理的离散亥姆霍兹算子的谱分析},SIAM J.Sci。计算。,29(2007),第1942-1958页·Zbl 1155.65088号
[49] G.Zhang,L.Lin,W.Hu,C.Yang和J.E.Pask,{不连续Galerkin框架中Kohn-Sham密度泛函理论的自适应局部基集II:力、振动和分子动力学计算},J.Compute。物理。,335 (2017), 426. ·Zbl 1375.82015年
[50] Y.Zhou,J.R.Chelikowsky和Y.Saad,解Kohn-Sham方程的无稀疏对角化的Chebyshev滤波子空间迭代法,J.Compute。物理。,274(2014),第770-782页·兹比尔1351.82098
[51] Y.Zhou、Y.Saad、M.L.Tiago和J.R.Chelikowsky,{使用Chebyshev滤波子空间迭代的自洽场计算},J.Compute。物理。,219(2006),第172-184页·Zbl 1105.65111号
[52] E.Zolotarev,{\it椭圆函数在离零最小和最大偏差函数问题上的应用},Zap。Imp.Akad公司。恶心。《圣彼得堡》,30(1877),第1-59页。
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