Tensorprodukt-Multiskalen-Mehrteilchenräume mit Gewichten endlicher Ordnung für die elektronische Schrödingergleichung

Jan Hamaekers

Zusammenfassung

 

In der vorliegenden Arbeit beschäftigen wir uns mit gewichteten Tensorprodukt-Multiskalen-Mehrteilchen-Approximationsräumen und deren Anwendung zur numerischen Lösung der elektronischen Schrödinger-Gleichung. Aufgrund der hohen Problemdimension ist eine direkte numerische Lösung der elektronischen Schrödinger-Gleichung mit Standard-Diskretisierungsverfahren zur linearen Approximation unmöglich, weshalb üblicherweise Monte Carlo Methoden (VMC/DMC) oder nichtlineare Modellapproximationen wie Hartree-Fock (HF), Coupled Cluster (CC) oder Dichtefunktionaltheorie (DFT) verwendet werden. In dieser Arbeit wird eine numerische Methode auf Basis von adaptiven dünnen Gittern und einer teilchenweisen Unterraumzerlegung bezüglich Einteilchenfunktionen aus einer nichtlinearen Rang-1 Approximation entwickelt und für parallele Rechnersysteme implementiert. Dünne Gitter vermeiden die in der Dimension exponentielle Komplexität üblicher Diskretisierungsmethoden und führen zu einem konvergenten numerischen Ansatz mit garantierter Konvergenzrate. Zudem enthalten unsere zugrunde liegenden gewichteten Mehrteilchen Tensorprodukt-Multiskalen-Approximationsräume die bekannten Configuration Interaction (CI) Räume als Spezialfall.

Zur Konstruktion unseres Verfahrens führen wir zunächst allgemeine Mehrteilchen-Sobolevräume ein, welche die Standard-Sobolevräume sowie Sobolevräume mit dominierender gemischter Glattheit beinhalten. Wir analysieren die Approximationseigenschaften und schätzen Konvergenzraten und Kostenkomplexitätsordnungen in Abhängigkeit der Glattheitsparameter und Abfalleigenschaften ab. Mit Hilfe bekannter Regularitätseigenschaften der elektronischen Wellenfunktion ergibt sich, dass die Konvergenzrate bis auf logarithmische Terme unabhängig von der Zahl der Elektronen und fast identisch mit der Konvergenzrate im Fall von zwei Elektronen ist. Neben der Rate spielt allerdings die Abhängigkeit der Konstanten in der Kostenkomplexität von der Teilchenzahl eine wichtige Rolle. Basierend auf Zerlegungen des Einteilchenraumes konstruieren wir eine Unterraumzerlegung des Mehrteilchenraumes, welche insbesondere die bekannte ANOVA-Zerlegung, die HDMR-Zerlegung sowie die CI-Zerlegung als Spezialfälle beinhaltet. Eine zusätzliche Gewichtung der entsprechenden Unterräume mit Gewichten von endlicher Ordnung q führt zu Mehrteilchenräumen, in denen sich das Approximationsproblem einer N-Teilchenfunktion zu Approximationsproblemen von q-Teilchenfunktionen reduziert. Mit dem Ziel, Konstanten möglichst kleiner Größe bezüglich der Kostenkomplexität zu erhalten, stellen wir ein heuristisches adaptives Verfahren zur Konstruktion einer Sequenz von endlich-dimensionalen Unterräumen eines gewichteten Mehrteilchen-Tensorprodukt-Multiskalen-Approximationsraumes vor. Außerdem konstruieren wir einen Frame aus Multiskalen-Gauss-Funktionen und verwenden Einteilchenfunktionen im Rahmen der Rang-1 Approximation in der Form von Gauss- und modulierten-Gauss-Funktionen. Somit können die zur Aufstellung der Matrizen des zugehörigen diskreten Eigenwertproblems benötigten Ein- und Zweiteilchenintegrale analytisch berechnet werden.

Schließlich wenden wir unsere Methode auf kleine Atome und Moleküle mit bis zu sechs Elektronen (18 Raumdimensionen) an. Die numerischen Resultate zeigen, dass sich die aus der Theorie zu erwartenden Konvergenzraten auch praktisch ergeben.

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© Universitäts- und Landesbibliothek Bonn | Veröffentlicht: 21.07.2009