Numerische Simulation in der Moleküldynamik

Numerik, Algorithmen, Parallelisierung, Anwendungen
2004
ISBN: 978-3-540-41856-6
Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Buch, Deutsch, 480 Seiten, Paperback, Format (B × H): 155 mm x 235 mm, Gewicht: 744 g

Reihe: Springer-Lehrbuch

Das Buch behandelt Methoden des wissenschaftlichen Rechnens in der Moleküldynamik, einem Bereich, der in vielen Anwendungen der Chemie, der Biowissenschaften, der Materialwissenschaften, insbesondere der Nanotechnologie, sowie der Astrophysik eine wichtige Rolle spielt. Es führt in die wichtigsten Simulationstechniken zur numerischen Behandlung der Newtonschen Bewegungsgleichungen ein. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der schnellen Auswertung kurz- und langreichweitiger Kräfte mittels Linked Cell-, P$/\3$M-, Baum- und Multipol-Verfahren, sowie deren paralleler Implementierung und Lastbalancierung auf Rechensystemen mit verteiltem Speicher. Die einzelnen Kapitel beinhalten darüberhinaus detailierte Hinweise, um die Verfahren Schritt für Schritt in ein Programmpaket umzusetzen. In zahlreichen farbigen Abbildungen werden Simulationsergebnisse für eine Reihe von Anwendungen präsentiert.

Zielgruppe

Research

Autoren/Hrsg.

Griebel, Michael

Caglar, Attila

Knapek, Stephan

Zumbusch, Gerhard

Fachgebiete

• Technische Wissenschaften Technik Allgemein Computeranwendungen in der Technik
• Mathematik | Informatik EDV | Informatik Angewandte Informatik Computeranwendungen in Wissenschaft & Technologie
• Naturwissenschaften Physik Physik Allgemein Theoretische Physik, Mathematische Physik, Computerphysik
• Naturwissenschaften Chemie Chemie Allgemein Chemometrik, Chemoinformatik
• Technische Wissenschaften Technik Allgemein Mathematik für Ingenieure
• Mathematik | Informatik Mathematik Numerik und Wissenschaftliches Rechnen Computeranwendungen in der Mathematik
• Mathematik | Informatik Mathematik Numerik und Wissenschaftliches Rechnen Numerische Mathematik
• Mathematik | Informatik Mathematik Numerik und Wissenschaftliches Rechnen Angewandte Mathematik, Mathematische Modelle
• Mathematik | Informatik Mathematik Algebra Homologische Algebra
• Mathematik | Informatik EDV | Informatik Informatik
• Mathematik | Informatik EDV | Informatik Professionelle Anwendung Computer-Aided Design (CAD)

Inhaltsverzeichnis

1 Computersimulation — eine Schlüsseltechnologie.- Von der Schrödingergleichung zur Moleküldynamik.- Die Schrödingergleichung.- Eine Herleitung der klassischen Moleküldynamik.- Ein Ausblick auf ab initio Moleküldynamik-Verfahren.- Das Linked-Cell-Verfahren für kurzreichweitige Potentiale.- Die Zeitdiskretisierung — das Störmer-Verlet-Verfahren.- Implementierung des Basisalgorithmus.- Der Abschneideradius.- Das Linked-Cell-Verfahren.- Implementierung der Linked-Cell-Methode.- Erste Anwendungsbeispiele und Erweiterungen.- Thermostate, Ensembles und Anwendungen.- Parallelisierung.- Parallelrechner und Parallelisierungsstrategien.- Gebietszerlegung für die Linked-Cell-Methode.- Implementierung.- Leistungsmessung und Benchmark.- Anwendungsbeispiele.- Erweiterung auf kompliziertere Potentiale und Moleküle.- Mehrkörperpotentiale.- Potentiale mit festen Nachbarschaftsstrukturen.- Zeitintegrationsverfahren.- Fehler der Zeitintegration.- Symplektische Verfahren.- Multiple Zeitschrittverfahren — das Impuls-Verfahren.- Zwangsbedingungen — der Rattle-Algorithmus.- Gitterbasierte Methoden für langr eichweit ige Potentiale.- Lösung der Potentialgleichung.- Kurz- und langreichweitige Energie- und Kraftanteile.- Die Smooth-Particle-Mesh-Ewald-Methode (SPME).- Anwendungsbeispiele und Erweiterungen.- Parallelisierung.- Anwendungsbeispiel: Die Struktur des Universums.- Baumverfahren für langr eichweitige Potentiale.- Reihenentwicklung des Potentials.- Baum-Strukturen für die Zerlegung des Fernfelds.- Partikel-Cluster-Wechselwirkungen und das Barnes-Hut-Verfahren.- Parallele Baumtechniken.- Verfahren höherer Ordnung.- Cluster-Cluster-Wechselwirkung und das schnelle Multipolverfahren.- Vergleich und Ausblick.- Anwendungen aus Biochemie und Biophysik.- Trypsininhibitordes Rinderpankreas.- Membranen.- Peptide und Proteine.- Protein-Ligand-Komplex und Bindung.- Ausblick.- A Anhang.- A.1 Newtonsche, Lagrangesche und Hamiltonsche Gleichungen.- A.2 Hinweise zur Programmierung und Visualisierung.- A.3 Parallelisierung mit MPI.- A.4 Maxwell-Boltzmann-Verteilung.- A.5 Simulationsparameter.