电子结构计算的数值方法与理论

第一原理电子结构计算已成为探索与研究物质机理、理解与预测材料性质的重要手段和工具.虽然第一原理电子结构计算取得了巨大的成功,但是如何利用高性能计算机又快又好地计算大规模体系,如何从数学角度理解电子结构模型的合理性与计算的可靠性和有效性,依然充满各种挑战.基于密度泛函理论的第一原理电子结构计算的核心数学模型为Kohn-Sham方程或相应的Kohn-Sham能量泛函极小问题.近年来,人们分别从非线性算子特征值问题的高效离散及Kohn-Sham能量泛函极小问题的最优化方法设计两个方面对电子结构计算的高效算法设计及分析展开了诸多研究.本文重点介绍我们小组在电子结构计算的方法与理论方面的一些进展,同时简单介绍该领域存在的困难与挑战.     

类Hartree-Fock方程的数值方法

本文的主要目的是介绍近年来大基组下的类Hartree-Fock方程数值求解的一些进展.类Hartree-Fock方程出现在Hartree-Fock理论和含杂化泛函的Kohn-Sham密度泛函理论中,是电子结构理论中一类重要的方程.该方程在复杂的化学和材料体系的电子结构计算中有广泛地应用.由于计算代价的原因,类Hartree-Fock方程一般只被用在较小规模的量子体系（含几十到几百个电子）的计算.从数学角度上讲,类Hartree-Fock方程是一个非线性积分-微分方程组,其计算代价主要来自于积分算子的部分,也就是Fock交换算子.通过发展和结合自适应压缩交换算子方法（ACE）,投影的C-DⅡS方法（PC-DⅡS）方法,以及插值可分密度近似方法（ISDF）,我们大大降低了杂化泛函密度泛函理论的计算代价.以含1000个硅原子的体系为例,我们将平面波基组下的杂化泛函的计算代价降至接近不含Fock交换算子的半局域泛函计算的水平.同时,我们发现类Hartree-Fock方程的数学结构也为一类特征值问题的迭代求解提供了新的思路.     

一个物体运动的优化模型及应用

建立了一类具广泛应用价值的物体运动非线性泛函优化模型,包括目标泛函,决策函数,约束条件,可行函数空间.决策函数是能量消耗分配函数,可行函数空间中的能量消耗分配函数确定目标泛函值,该模型的最优解是使目标泛函值最大的能量分配函数.这个非线性泛函优化模型,表述了一类物体运动能量转化为机械功的实际问题.例如机动车行驶中如何控制燃料消耗方式,使燃油消耗最少.运动员在赛跑中如何分配体能消耗使成绩最好等.该文从非线性泛函变分及优化理论角度对该模型进行了定量探讨.所得结果可应用于物体运动功能转化相关实际问题中.该文也提出了若干公开问题.     

时变时滞粘弹性板方程的整体吸引子

本文研究内部反馈中具有历史和时变时滞的粘弹性板方程.首先利用Faedo-Galerkin方法证得方程在初边值条件下解的适定性定理;其次通过构造合适的能量泛函和Lyapunov泛函证明系统的梯度性;最后利用乘子泛函建立稳定不等式,证明系统的拟稳定性及渐近光滑性,从而得到整体吸引子的存在性,并证明了该吸引子具有有限分形维数.     

中厚度复合材料夹芯层板变分渐近精细模型

为准确预测对中厚度复合材料夹芯层板分层开裂至关重要的沿厚向应力/应变分布,利用板固有小参数将原三维板分析严格拆分为沿厚向的一维分析和二维板非线性分析,并将原三维能量渐近扩展为系列二维近似能量泛函;通过对近似能量泛函中主导变分项(含翘曲项)的渐近修正,得到与原三维模型尽可能接近的近似能量,从而构建无需任何场变量假设的精细模型,并转换为工程常用的Reissner模型形式．通过4层复合材料夹芯板柱形弯曲算例表明:基于所构建模型重构的三维场精度较一阶剪切变形理论和经典层合理论更好,与精确解基本一致;由于所构建的变分渐近模型为等效单层板模型,在保证足够精度的前提下,相比三维有限元计算可减少2~3阶计算量,在精确性和有效性间取得较好的折衷．     

非线性光学中薛定谔型方程的整体吸引子

研究了一类非线性薛定谔型方程,描述了光波在光折射晶体中的传播.首先构造了该模型整体弱的吸引子,然后通过能量方程的精确分析,证明整体弱吸引子实际为系统整体强吸引子.最后给出了整体吸引子的分形维数和Hausdorff维数的上界估计.     

二维Cahn-Hilliard方程半隐的预估-校正谱逼近(英文)

针对二维Cahn-Hilliard方程的初边值问题提出了一个便于计算的、半隐的预估-校正谱格式.通过引入两个三线性泛函,克服了非线性项所带来的困难,并用能量方法严格证明了数值解在时间方向具有二阶精度,而在空间方向具有谱精度.     

强磁场对吸积中子星壳层中电子俘获反应的影响

本文通过考虑强磁场中电子的量子效应,讨论了强磁场对电子气体的Fermi能的影响,推导了在强磁场下吸积中子星壳层中的电子俘获反应率,并与无磁场情形进行了比较.作为例子,本文计算和分析了~3He在强磁场中的电子俘获反应.对于满足能量条件的电子俘获,在足够强的磁场和低密度的情形下(只有一个Landau能级),由于磁场的存在,反应会显著变慢;当磁场不太强或者密度较大时,磁场对反应几乎没有影响.     

高维旋转曲面

本文考虑欧氏空间中一种余一维的高维旋转曲面,通过发展出一种全新的复合映射、维数分解与分块矩阵递推法,我们系统性地研究了同它的面积和曲率有关的一系列问题.当母函数是多元函数时,这种高维旋转曲面的概念尚属首次提出.我们给出了这种高维旋转曲面的面积公式以及它的一些简单应用.我们发现:在任一直径方向上,单位球面的面积分布和低一维单位球体的体积分布完全相同,并且当维数趋于无穷时它们的密度函数的极限都是狄拉克函数.通过研究相应面积泛函的变分问题,我们得到了所谓的极小旋转曲面方程.我们证明了:满足极小旋转曲面方程的母函数对应的旋转曲面的平均曲率等于零.这种极小旋转曲面方程推广了传统的极小曲面方程,并且为非参数极小曲面理论提供了新的更一般的研究框架;通过计算径向对称解对应的常微分方程,我们研究了它的一些简单的特解.我们也简单讨论了相应的预定平均曲率和预定高斯曲率问题.     

二维Newton-Boussinesq方程周期初值问题经典解的整体存在性

研究一类二维Newton-Boussinesq方程的周期初值问题,将方程转化为积分方程,用不动点原理得到解的局部存在性,用能量估计的方法证明经典解的整体存在性．     

Wick型随机(2+1)维mZK方程的精确解

随机分析和白噪声理论的建立和发展为浅水波方程的研究提供了新的内容,方法和工具.本文研究随机环境下(2+1)维mZK方程的精确解问题.在Kondratiev分布空间(y)-1中利用Hermite变换和改进的Fan代数方法,得到Wick型随机(2+1)维mZK方程和变系数(2+1)维mZK方程的白噪声泛函解和精确解.     

强场中电子的经典行为

研究了圆偏振强激光在等离子体中产生的自生磁场及注入电子在由激光场和自生磁场构成的混合场中的经典行为.圆偏振强激光在等离子体中传播时,因逆Faraday效应,方向平行于传播方向的准静态磁场被激发.推出相对论情况下的自生磁场方程,并以此研究了自生磁场的特性.当电子或电子束注入激光脉冲,则电子将受到激光场和自生磁场的作用,满足共振条件的电子能得到加速.得出电子能量方程并计算了能量随时间的变化,就一种特殊情况计算了电子在混合场中的动力学行     

Navier-Stokes方程的脉动速度方程的最优动力系统建模和动力学分析

研究了基于Navier-Stokes方程的脉动速度方程的最优低维动力系统建模理论.最优目标泛函为脉动速度基函数的不可压缩性和正交性.数值计算了充分发展的并排双方柱绕流问题,并基于双尺度全局最优化方法,建立了它的脉动速度的最优动力系统模型.对其相空间轨道、Poincaré截面、分岔特性、功率谱和Lyapunov指数集等动力学特性进行了分析.随着Reynolds数的增加,双方柱绕流的脉动速度方程最优动力系统具有复杂的类倍周期分岔行为.     

一类无穷维Hamilton算子特征函数系的完备性

本文对分离变量后可转化为Sturm-Liouville问题的偏微分方程,引入Hamilton体系,从而导出无穷维Hamilton算子的特征值问题.然后利用辛空间的知识讨论了无穷维Hamilton算子特征函数系的完备性,为对此类方程应用基于Hamilton体系的分离变量法提供了理论基础.作为应用,还给出了波动方程导出的无穷维Hamilton算子特征函数系的完备性.     

相场方程的高效数值算法

本文回顾求解相场方程数值方法的一些最新进展.数值求解相场方程的主要难点在于非线性项和高阶微分项对时间步长有严格限制,而相场方程的数值模拟通常需要很长的计算时间才能达到稳定状态.众所周知,相场模型满足一种称为能量稳定的非线性稳定关系,通常表示为自由能泛函随时间递减.如何设计满足离散能量稳定的数值格式,使得可以进行大时间步长同时又准确地模拟,近来越来越受到重视.本文将针对一些常见的相场方程阐述几类广泛使用的高效数值格式,以及基于能量随时间的变化率而设计的一种时间自适应算法,使得数值解的准确性和算法稳定性得到保证的前提下,计算效率大大提高.     

Euler-Lagrange方程的判别准则

<正> 给定一个非线性偏微分方程,判别它是否为某个变分问题的Euler-Lagrange方程,这在有限元方法及非线性波理论等许多问题的研究中是一个很重要的问题,因为能由变分原理推出的方程,具有一些独特的性质;而能量泛函的存在性又是有限元等方法的起点.在历史上,最早应用泛函分析方法得到了一般空间中算子位势性的判别     

R^N上一类Kirchhoff型方程径向对称正解的存在性

该文讨论了一类能量泛函不属于C^1类的Kirchhoff型方程,这类方程与等离子体物理和激光传输理论有密切的联系.通过变量变换,该文首先将所讨论的方程变成了与之等价的能量泛函属于C^1类的方程.然后,通过构造合适的Banach空间,在适当的条件下运用变分方法证明了所讨论的方程存在径向对称正解.     

一些C~2泛函的临界点定理的非光滑推广

本文基于裂开定理的新近结果,并结合度量临界点理论与局部Lipsitich泛函的临界点理论,推广经Morse理论方法获得的一些对C~2泛函的临界点定理到一类Frchet可微且连续方向可微泛函.一个关键是,对Banach空间开集上的Frchet可微且严格Hadamard可微(比局部Lipschitz连续强但比连续方向可微弱)的泛函,观察到它作为连续泛函的度量临界点集、作为Frchet可微泛函的临界点集及作为局部Lipschitz连续泛函的临界点集都一致.     

一类具有偏差变元的泛函微分方程周期解的存在性

利用重合度理论研究了一类具有偏差变元的泛函微分方程周期解的存在性问题,得到了该方程具有周期解的一些充分条件.结论丰富了现有文献的结果.     

Lévy过程驱动的随机泛函积分-微分方程的概周期解（英文）

本文研究一类Levy过程驱动的无穷维随机泛函积分-微分发展方程.在一些合适的条件下,使用算子半群理论和不动点方法,这些方程的概周期温和解的存在唯一性被讨论.进一步,为了说明我们的结果,一个例子被提出.