ffi Integrator (AFI) の考え方annex.jsap.or.jp/fluxoid/img/eqs_summer_v3.pdfffi Integrator (AFI)...
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Affine Integrator (AFI) の考え方 有明高専 松野哲也 （量子化磁束動力学シミュレーション研究グループ 夏のセミナー 2020 資料 Ver.3） 1 はじめに：本資料の目的 この資料では，TDGL 方程式を効率的に数値的に解くために新たに提案された陽的 数値積分法 Affine Integrator (AFI) の基本的な考え方をわかりやすく解説します． 「AFI 論文」：Tetsuya Matsuno, Edmund Soji Otabe, and Yasunori Mawatari， “Explicit Integrators Based on a Bipartite Lattice and a Pair of Affine Transforma- tions to Solve Quantum Equations with Gauge Fields,” J. Phys. Soc. Jpn. 89, 054006 (2020) は喜ばしいことに JPSJ Papers of Edotors’ Choice として受賞しました．共著者の 小田部先生，馬渡様との共同研究成果ですが，量子化磁束動力学シミュレーション研 究グループにおける皆様とのディスカッションは研究を進める上で大きな助けとなり ました．この場を借りて，小田部先生，馬渡様をはじめとする研究グループの皆様に 感謝の意を伝えさせてください．なお，この AFI 論文は来年（2021）の 5 月ぐらいま では JPSJ のサイト https://journals.jps.jp/doi/abs/10.7566/JPSJ.89.054006 から無登録で無料でダウンロードできるはずです．本資料が上記論文を読んでいただ いて実装を試みていただく際のご参考としていただければ幸いです． ちなみに，次節以降からは「である調」です． 1.1 本資料の構成 第１章でウォーミングアップとして symplectic integrator （SI）の解説を行う．実は AFI は SI の考え方を大いに参考にしている．調和振動子を例題として説明する．第 ２章では，散逸のある調和振動子を例題として，SI の考え方で数値積分スキームを構 成する．第３章では，散逸項（空気抵抗）のある調和振動子モデルに対して SI の考え 方で数値積分スキームを構成する．第４章では TDGL 方程式を意識した簡単なモデル を例題として AFI のエッセンスを示す．第５章では，ベクトルポテンシャルを導入す る．ゲージ場を含む方程式（TDGL 方程式，回転系の TDGP 方程式）に対する AFI の 適用につながる基本的考え方が示される．第６章では，Lie-Trotter-Suzuki（LTS）分 解に関する簡単な解説を行う．実は，最近発表された「最適化された LTS 分解」に関 する論文のおかげで AFI の 4 次のオーダーのスキームを Runge-Kutta（4 次）に対し て「完全勝利」する形で組むことができたことを解説する．第７章では AFI に関して いくつかの補足説明を行う． 1
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2020 Ver.3
1 TDGL Affine Integrator (AFI) AFITetsuya Matsuno, Edmund Soji Otabe, and Yasunori Mawatari “Explicit Integrators Based on a Bipartite Lattice and a Pair of Affine Transforma-
tions to Solve Quantum Equations with Gauge Fields,” J. Phys. Soc. Jpn. 89, 054006
(2020)
https://journals.jps.jp/doi/abs/10.7566/JPSJ.89.054006
AFI SI SI SI TDGL AFI TDGLTDGPAFI Lie-Trotter-SuzukiLTS LTS AFI 4Runge-Kutta4 AFI
1
dq
∂p (4)
exp(τ(Q + P )) Lie-Trotter-Suzuki LTS [1]exp(τQ) exp(τ P )LTS τ
exp(τ(Q+ P )) = exp(τQ) exp(τ P ) +O(τ 2) (5)
exp(τ(Q+ P )) = exp((τ/2)Q) exp(τ P ) exp((τ/2)Q) +O(τ 3) (6)
Symplectic Integrator(SI)
exp
( τp
(4)∂/∂q p∂/∂p q separable
2
exp
( τp
E = p2
2 + K
3 SI
dq
3
exp
( τp
)( q
p
) (21)
exp(τ(Q+ P )) = exp(τQ) exp(τ P ) +O(τ 2) (23)
exp(τ(Q+ P )) = exp((τ/2)Q) exp(τ P ) exp((τ/2)Q) +O(τ 3) (24)
SI exponential integrator[2] EI ζ −→ 0 SISI
4 Affine Integrator(AFI)
AFITime-Dependent
dp
(26)
4
dq
dp
(27)
−β|q|2q −→ −β|p|2q, −β|p|2p −→ −β|q|2p (28)
(27)
∂p
)( q
p
) (29)
ζq = Kq + α + β|p|2, ζp = Kp + α + β|q|2 (30)
(28)
exp
)( q
p
) (31)
exp
)( q
p
) (32)
2. q p q p
SI AFI
5
du1 dt
du3 dt
du2 dt
du4 dt
(33)
u1 = (w12u2 + w14u4)/2,
u3 = (w32u2 + w34u4)/2,
u2 = (w21u1 + w23u3)/2,
u4 = (w41u1 + w43u3)/2
(33)wij −2 2 1 7.4
ui 7.5 ui ui
ζi = ni + αi + βi|ui|2, i = 1, · · · , N (34)
ni = 2, i = 1, · · · , N ; N = 4 (33)
dui dt
6
d
dt
(36)
q p ζQ ζP
q =
)( q
p
) (39)
W † W T (39)
d
dt
( q
p
∂
exp(τQ)
( q
p
) (43)
7
ai = exp(−ζiτ), bi = (1− ai)/ζi, i = 1, · · · , N (44)
(41) (42) Q P (q,p)T 4 AFI
1 2 2 z 3 3 3YouTube
https://www.youtube.com/user/pftetsuyaGPU/videos
8
exp(τ(Q+ P )) (45)
Lie-Trotter-Suzuki(LTS) Q P Q P
exp(τ(Q+ P )) = exp(τQ) exp(τ P ) +O(τ 2) (46)
τ nAFI 2
exp(τ(Q+ P )) = exp((1/2)τQ) exp(τ P ) exp((1/2)τQ) +O(τ 3) (47)
2 LTS [3] 1
γ ∂ψ
γ ∂ψ
α = β = 0AFI LTS LTS α = 0 β = 0AFI
LTS
exp(τ(A+B)) = exp((1/2)τA) exp(τB) exp((1/2)τA) +O(τ 3) (50)
[1]2 [3]
exp(τ(A+B)) = exp(a1τA) exp(b1τB) exp(a2τA) exp(b1τB) exp(a1τA) +O(τ 3),
a1 = 1
6 (3−
1
n
n
2 + (α + β|ψmax(t)|2)h2 ≥ 0, for all t (53)
|ψmax| t (52) (53)AFI (52) (53) 2LTSLTS
exp(τ(A+B)) = exp(a1τA) exp(b1τB) exp(a2τA) exp(b2τB) exp(a3τA) exp(b3τB)× exp(a3τA) exp(b2τB) exp(a2τA) exp(b1τB) exp(a1τA) +O(τ 5),
a1 = 0.095848502741203681182,
a2 = 0.078111158921637922695,
a3 = 1
b2 = 0.12039526945509726545, b3 = 1− 2(b1 + b2)
42 1 AFI-4 CFL(Courant-Friedrichs-Lewy)τ = h2 5 4Runge-Kutta 2 4AFIAFI44Runge-KuttaRK4 AFI AFIRK 2 AFI4 1RK4 2
10
ER R
RK stable AFI-4 stable
2: L = 10, N = 100, h = 0.1, γ = 1, T = 10 τERRh,τ
Affine Integrator (AFI): τ ( h = 0.1)
τ 10-4 10-3 10-2 10-1
3: LTS [3] LTS
6.3 LTSLTS LTS [3] LTS 3 LTS AFIRunge-Kutta(RK) LTSLTS RKDuFort-Frankel(DF)DF 2AFI-4-opt DFCFLAFI4-opt
11
Total Energy: AFI
Total Prob: AFI
5AFI LTS 4 LTS LTS 3 6 SI
LTSLTS
5: AFI
6: Symplectic integrator (SI) SILTS
7.3
7: 2 E. Babaev
13
ψi+1 = ψ(x+ h), ψi−1 = ψ(x− h) (55)
wi x = exp
(58)
dx (x) +
x ψi−1 − 2ψi)/h 2 +O(h) (62)
(62)
=
ψi = 1
2 (wi
ψi (59) (63)
exp
( −ihAx
( x+
h
2
2 (wi
ψi ψi h2
15
7.6 AFI d q q′ 1
q′ = Aq + b (68)
A 1 d× db d (68) d 1 d + 1 d d+ 1 1 8(a) 2d1 8(a) AFI qp 8(b) d 2d 1 8(c) qp
bq = Bqp, bp = Bpq (69)
Bq Bp
q' A q b= +
(c)
8: (a): 1(b): AFI (c): AFI
16
P
Q
WPQ
Q
R
WPR
WQP
WRP
WQR
WRQ
[1] M. Suzuki, “Fractal decomposition of exponential operators with applications to
many-body theories and Monte Carlo simulations,” Phys. Lett. 146 (1990) 319.
[2] S. M. Cox and P. C. Matthews, “Exponential Time Differencing for Stiff Systems,”
J. Compt. Phys. 176 (2002) 430.
[3] T. Barthel and Y. Zhang, “Optimized Lie-Trotter-Suzuki decompositions for two
and three non-commuting terms, ” Annals of Physics 418 (2020) 168165.
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1 TDGL Affine Integrator (AFI) AFITetsuya Matsuno, Edmund Soji Otabe, and Yasunori Mawatari “Explicit Integrators Based on a Bipartite Lattice and a Pair of Affine Transforma-
tions to Solve Quantum Equations with Gauge Fields,” J. Phys. Soc. Jpn. 89, 054006
(2020)
https://journals.jps.jp/doi/abs/10.7566/JPSJ.89.054006
AFI SI SI SI TDGL AFI TDGLTDGPAFI Lie-Trotter-SuzukiLTS LTS AFI 4Runge-Kutta4 AFI
1
dq
∂p (4)
exp(τ(Q + P )) Lie-Trotter-Suzuki LTS [1]exp(τQ) exp(τ P )LTS τ
exp(τ(Q+ P )) = exp(τQ) exp(τ P ) +O(τ 2) (5)
exp(τ(Q+ P )) = exp((τ/2)Q) exp(τ P ) exp((τ/2)Q) +O(τ 3) (6)
Symplectic Integrator(SI)
exp
( τp
(4)∂/∂q p∂/∂p q separable
2
exp
( τp
E = p2
2 + K
3 SI
dq
3
exp
( τp
)( q
p
) (21)
exp(τ(Q+ P )) = exp(τQ) exp(τ P ) +O(τ 2) (23)
exp(τ(Q+ P )) = exp((τ/2)Q) exp(τ P ) exp((τ/2)Q) +O(τ 3) (24)
SI exponential integrator[2] EI ζ −→ 0 SISI
4 Affine Integrator(AFI)
AFITime-Dependent
dp
(26)
4
dq
dp
(27)
−β|q|2q −→ −β|p|2q, −β|p|2p −→ −β|q|2p (28)
(27)
∂p
)( q
p
) (29)
ζq = Kq + α + β|p|2, ζp = Kp + α + β|q|2 (30)
(28)
exp
)( q
p
) (31)
exp
)( q
p
) (32)
2. q p q p
SI AFI
5
du1 dt
du3 dt
du2 dt
du4 dt
(33)
u1 = (w12u2 + w14u4)/2,
u3 = (w32u2 + w34u4)/2,
u2 = (w21u1 + w23u3)/2,
u4 = (w41u1 + w43u3)/2
(33)wij −2 2 1 7.4
ui 7.5 ui ui
ζi = ni + αi + βi|ui|2, i = 1, · · · , N (34)
ni = 2, i = 1, · · · , N ; N = 4 (33)
dui dt
6
d
dt
(36)
q p ζQ ζP
q =
)( q
p
) (39)
W † W T (39)
d
dt
( q
p
∂
exp(τQ)
( q
p
) (43)
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ai = exp(−ζiτ), bi = (1− ai)/ζi, i = 1, · · · , N (44)
(41) (42) Q P (q,p)T 4 AFI
1 2 2 z 3 3 3YouTube
https://www.youtube.com/user/pftetsuyaGPU/videos
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exp(τ(Q+ P )) (45)
Lie-Trotter-Suzuki(LTS) Q P Q P
exp(τ(Q+ P )) = exp(τQ) exp(τ P ) +O(τ 2) (46)
τ nAFI 2
exp(τ(Q+ P )) = exp((1/2)τQ) exp(τ P ) exp((1/2)τQ) +O(τ 3) (47)
2 LTS [3] 1
γ ∂ψ
γ ∂ψ
α = β = 0AFI LTS LTS α = 0 β = 0AFI
LTS
exp(τ(A+B)) = exp((1/2)τA) exp(τB) exp((1/2)τA) +O(τ 3) (50)
[1]2 [3]
exp(τ(A+B)) = exp(a1τA) exp(b1τB) exp(a2τA) exp(b1τB) exp(a1τA) +O(τ 3),
a1 = 1
6 (3−
1
n
n
2 + (α + β|ψmax(t)|2)h2 ≥ 0, for all t (53)
|ψmax| t (52) (53)AFI (52) (53) 2LTSLTS
exp(τ(A+B)) = exp(a1τA) exp(b1τB) exp(a2τA) exp(b2τB) exp(a3τA) exp(b3τB)× exp(a3τA) exp(b2τB) exp(a2τA) exp(b1τB) exp(a1τA) +O(τ 5),
a1 = 0.095848502741203681182,
a2 = 0.078111158921637922695,
a3 = 1
b2 = 0.12039526945509726545, b3 = 1− 2(b1 + b2)
42 1 AFI-4 CFL(Courant-Friedrichs-Lewy)τ = h2 5 4Runge-Kutta 2 4AFIAFI44Runge-KuttaRK4 AFI AFIRK 2 AFI4 1RK4 2
10
ER R
RK stable AFI-4 stable
2: L = 10, N = 100, h = 0.1, γ = 1, T = 10 τERRh,τ
Affine Integrator (AFI): τ ( h = 0.1)
τ 10-4 10-3 10-2 10-1
3: LTS [3] LTS
6.3 LTSLTS LTS [3] LTS 3 LTS AFIRunge-Kutta(RK) LTSLTS RKDuFort-Frankel(DF)DF 2AFI-4-opt DFCFLAFI4-opt
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Total Energy: AFI
Total Prob: AFI
5AFI LTS 4 LTS LTS 3 6 SI
LTSLTS
5: AFI
6: Symplectic integrator (SI) SILTS
7.3
7: 2 E. Babaev
13
ψi+1 = ψ(x+ h), ψi−1 = ψ(x− h) (55)
wi x = exp
(58)
dx (x) +
x ψi−1 − 2ψi)/h 2 +O(h) (62)
(62)
=
ψi = 1
2 (wi
ψi (59) (63)
exp
( −ihAx
( x+
h
2
2 (wi
ψi ψi h2
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7.6 AFI d q q′ 1
q′ = Aq + b (68)
A 1 d× db d (68) d 1 d + 1 d d+ 1 1 8(a) 2d1 8(a) AFI qp 8(b) d 2d 1 8(c) qp
bq = Bqp, bp = Bpq (69)
Bq Bp
q' A q b= +
(c)
8: (a): 1(b): AFI (c): AFI
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P
Q
WPQ
Q
R
WPR
WQP
WRP
WQR
WRQ
[1] M. Suzuki, “Fractal decomposition of exponential operators with applications to
many-body theories and Monte Carlo simulations,” Phys. Lett. 146 (1990) 319.
[2] S. M. Cox and P. C. Matthews, “Exponential Time Differencing for Stiff Systems,”
J. Compt. Phys. 176 (2002) 430.
[3] T. Barthel and Y. Zhang, “Optimized Lie-Trotter-Suzuki decompositions for two
and three non-commuting terms, ” Annals of Physics 418 (2020) 168165.
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