Skip to main content
CenXiv.org
此网站处于试运行阶段,支持我们!
我们衷心感谢所有贡献者的支持。
贡献
赞助
cenxiv logo > math > arXiv:2504.15816

帮助 | 高级搜索

数学 > 数值分析

arXiv:2504.15816 (math)
[提交于 2025年4月22日 (v1) ,最后修订 2025年6月2日 (此版本, v2)]

标题: 迈向最佳标度DFT:任意温度下热力学和完备基组极限下的随机Hartree理论

标题: Toward optimal-scaling DFT: stochastic Hartree theory in the thermodynamic and complete basis set limits at arbitrary temperature

Authors:Yuhang Cai, Michael Lindsey
摘要: 我们首次在Hartree近似下对随机密度泛函理论(DFT)进行了数学分析。 通过计算自由度数量 $n$ 的几乎最优或 $\tilde{O}(n)$ 标度的概念,我们提出了这一分析的动机,这种标度与电子数无关,在热力学极限和完全基组极限中均成立。确实,这种标度的潜力是随机DFT相对于传统轨道为基础的方法以及确定性轨道自由替代方法的主要动机。 我们强调了数学关注的三个关键目标,这些目标在我们的算法和分析中得以综合体现。首先,我们确定了一种特定的Hartree势能的随机估计器,其样本复杂度基本上独立于离散化大小。其次,我们将自洽场迭代重新表述为一种随机镜像下降法,其中Fermi-Dirac熵扮演Bregman势能的角色,并证明了几乎与离散化无关的迭代次数界限以达到固定精度。第三,受估计器的启发,我们引入了一种新的平方根Fermi-Dirac算符的极点展开方案,即使在完全基组极限下,每次镜像下降迭代的成本仍保持为 $\tilde{O}(n)$。 结合这些要素,我们在所选离散化基组的两个感兴趣的极限下建立了几乎最优的标度,假设条件合理。在多达 $10^{6}$ 自由度的问题上进行的大量数值实验验证了我们的算法,并支持了几乎最优标度的理论。
摘要: We present the first mathematical analysis of stochastic density functional theory (DFT) in the context of the Hartree approximation. We motivate our analysis via the notion of nearly-optimal or $\tilde{O}(n)$ scaling with respect to the number $n$ of computational degrees of freedom, independent of the number of electrons, in both the thermodynamic and complete basis set limits. Indeed, the promise of such scaling is the primary motivation for stochastic DFT relative to conventional orbital-based approaches, as well as deterministic orbital-free alternatives. We highlight three key targets for mathematical attention, which are synthesized in our algorithm and analysis. First, we identify a particular stochastic estimator for the Hartree potential whose sample complexity is essentially independent of the discretization size. Second, we reformulate the self-consistent field iteration as a stochastic mirror descent method where the Fermi-Dirac entropy plays the role of the Bregman potential, and we prove a nearly discretization-independent bound on the number of iterations needed to reach fixed accuracy. Third, motivated by the estimator, we introduce a novel pole expansion scheme for the square-root Fermi-Dirac operator, preserving $\tilde{O}(n)$ cost per mirror descent iteration even in the complete basis set limit. Combining these ingredients, we establish nearly-optimal scaling in both limits of interest under reasonable assumptions on the basis sets chosen for discretization. Extensive numerical experiments on problems with as many as $10^{6}$ degrees of freedom validate our algorithm and support the theory of nearly-optimal scaling.
主题: 数值分析 (math.NA)
引用方式: arXiv:2504.15816 [math.NA]
  (或者 arXiv:2504.15816v2 [math.NA] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2504.15816
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

提交历史

来自: Michael Lindsey [查看电子邮件]
[v1] 星期二, 2025 年 4 月 22 日 11:58:01 UTC (9,083 KB)
[v2] 星期一, 2025 年 6 月 2 日 17:48:27 UTC (9,083 KB)
全文链接:

获取论文:

    查看标题为《》的 PDF
  • 查看中文 PDF
  • 查看 PDF
  • HTML(实验性)
  • TeX 源代码
  • 其他格式
查看许可
当前浏览上下文:
math.NA
< 上一篇   |   下一篇 >
新的 | 最近的 | 2025-04
切换浏览方式为:
cs
cs.NA
math

参考文献与引用

  • NASA ADS
  • 谷歌学术搜索
  • 语义学者
a 导出 BibTeX 引用 加载中...

BibTeX 格式的引用

×
数据由提供:

收藏

BibSonomy logo Reddit logo

文献和引用工具

文献资源探索 (什么是资源探索?)
连接的论文 (什么是连接的论文?)
Litmaps (什么是 Litmaps?)
scite 智能引用 (什么是智能引用?)

与本文相关的代码,数据和媒体

alphaXiv (什么是 alphaXiv?)
CatalyzeX 代码查找器 (什么是 CatalyzeX?)
DagsHub (什么是 DagsHub?)
Gotit.pub (什么是 GotitPub?)
Hugging Face (什么是 Huggingface?)
带有代码的论文 (什么是带有代码的论文?)
ScienceCast (什么是 ScienceCast?)

演示

复制 (什么是复制?)
Hugging Face Spaces (什么是 Spaces?)
TXYZ.AI (什么是 TXYZ.AI?)

推荐器和搜索工具

影响之花 (什么是影响之花?)
核心推荐器 (什么是核心?)
IArxiv 推荐器 (什么是 IArxiv?)
  • 作者
  • 地点
  • 机构
  • 主题

arXivLabs:与社区合作伙伴的实验项目

arXivLabs 是一个框架,允许合作伙伴直接在我们的网站上开发和分享新的 arXiv 特性。

与 arXivLabs 合作的个人和组织都接受了我们的价值观,即开放、社区、卓越和用户数据隐私。arXiv 承诺这些价值观,并且只与遵守这些价值观的合作伙伴合作。

有一个为 arXiv 社区增加价值的项目想法吗? 了解更多关于 arXivLabs 的信息.

这篇论文的哪些作者是支持者? | 禁用 MathJax (什么是 MathJax?)
  • 关于
  • 帮助
  • contact arXivClick here to contact arXiv 联系
  • 订阅 arXiv 邮件列表点击这里订阅 订阅
  • 版权
  • 隐私政策
  • 网络无障碍帮助
  • arXiv 运营状态
    通过...获取状态通知 email 或者 slack

京ICP备2025123034号