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我正在尝试在 Barabasi-Albert 网络中模拟 Ising 相变,并尝试复制一些可观察量的结果,例如在 Ising 网格模拟中观察到的磁化和能量。但是,我在解释我的结果时遇到了麻烦:不确定物理是错误的还是实现中存在错误。这是一个最小的工作示例:

import numpy as np 
import networkx as nx
import random
import math

## sim params

# coupling constant
J = 1.0 # ferromagnetic

# temperature range, in units of J/kT
t0 = 1.0
tn = 10.0
nt = 10.
T = np.linspace(t0, tn, nt)

# mc steps
steps = 1000

# generate BA network, 200 nodes with preferential attachment to 3rd node
G = nx.barabasi_albert_graph(200, 3)

# convert csr matrix to adjacency matrix, a_{ij}
adj_matrix = nx.adjacency_matrix(G)
top = adj_matrix.todense()
N = len(top)

# initialize spins in the network, ferromagnetic
def init(N):
    return np.ones(N)

# calculate net magnetization
def netmag(state):
    return np.sum(state)

# calculate net energy, E = \sum J *a_{ij} *s_i *s_j
def netenergy(N, state):
    en = 0.
    for i in range(N):
        for j in range(N):
            en += (-J)* top[i,j]*state[i]*state[j] 
    return en

# random sampling, metropolis local update
def montecarlo(state, N, beta, top):

    # initialize difference in energy between E_{old} and E_{new}
    delE = []

    # pick a random source node
    rsnode = np.random.randint(0,N)

    # get the spin of this node
    s2 = state[rsnode]

    # calculate energy by summing up its interaction and append to delE
    for tnode in range(N):
        s1 = state[tnode]
        delE.append(J * top[tnode, rsnode] *state[tnode]* state[rsnode])

    # calculate probability of a flip
    prob = math.exp(-np.sum(delE)*beta)

    # if this probability is greater than rand[0,1] drawn from an uniform distribution, accept it
    # else retain current state
    if prob> random.random():
        s2 *= -1
    state[rsnode] = s2

    return state

def simulate(N, top):

    # initialize arrays for observables
    magnetization = []
    energy = []
    specificheat = []
    susceptibility = []

    for count, t in enumerate(T):


        # some temporary variables
        e0 = m0 = e1 = m1 = 0.

        print 't=', t

        # initialize spin vector
        state = init(N)

        for i in range(steps):

            montecarlo(state, N, 1/t, top)

            mag = netmag(state)
            ene = netenergy(N, state)

            e0 = e0 + ene
            m0 = m0 + mag
            e1 = e0 + ene * ene
            m1 = m0 + mag * mag

        # calculate thermodynamic variables and append to initialized arrays
        energy.append(e0/( steps * N))
        magnetization.append( m0 / ( steps * N)) 
        specificheat.append( e1/steps - e0*e0/(steps*steps) /(N* t * t))
        susceptibility.append( m1/steps - m0*m0/(steps*steps) /(N* t *t))

        print energy, magnetization, specificheat, susceptibility

        plt.figure(1)
        plt.plot(T, np.abs(magnetization), '-ko' )
        plt.xlabel('Temperature (kT)')
        plt.ylabel('Average Magnetization per spin')

        plt.figure(2)
        plt.plot(T, energy, '-ko' )
        plt.xlabel('Temperature (kT)')
        plt.ylabel('Average energy')

        plt.figure(3)
        plt.plot(T, specificheat, '-ko' )
        plt.xlabel('Temperature (kT)')
        plt.ylabel('Specific Heat')

        plt.figure(4)
        plt.plot(T, susceptibility, '-ko' )
        plt.xlabel('Temperature (kT)')
        plt.ylabel('Susceptibility')

simulate(N, top)

观察结果

  1. 作为温度函数的磁化趋势
  2. 比热

我已经尝试对代码进行大量注释,以防我忽略了某些内容,请询问。

问题

  1. 磁化趋势是否正确?磁化强度随温度升高而降低,但不能确定相变的临界温度。
  2. 随着温度的升高,能量接近于零,这似乎与在伊辛网格中观察到的一致。为什么我得到负比热值?
  3. 如何选择蒙特卡罗步数?这仅仅是基于网络节点数量的命中和试验吗?

编辑:02.06::反铁磁配置的模拟崩溃反铁磁配置的模拟分解

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1 回答 1

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首先,由于这是一个编程网站,我们来分析一下程序。您的计算效率非常低,这使得探索更大的图变得不切实际。在您的情况下,邻接矩阵是 200x200 (40000) 元素,只有大约 3% 非零。montecarlo将其转换为密集矩阵意味着在评估例程中的能量差异和中的净能量时需要更多的计算netenergy。以下代码在我的系统上的执行速度提高了 5 倍,并且在使用更大的图表时预期速度更快:

# keep the topology as a sparse matrix
top = nx.adjacency_matrix(G)

def netenergy(N, state):
    en = 0.
    for i in range(N):
        ss = np.sum(state[top[i].nonzero()[1]])
        en += state[i] * ss
    return -0.5 * J * en

请注意因子中的 0.5 - 由于邻接矩阵是对称的,因此每对自旋都会计算两次!

def montecarlo(state, N, beta, top):
    # pick a random source node
    rsnode = np.random.randint(0, N)
    # get the spin of this node
    s = state[rsnode]
    # sum of all neighbouring spins
    ss = np.sum(state[top[rsnode].nonzero()[1]])
    # transition energy
    delE = 2.0 * J * ss * s
    # calculate transition probability
    prob = math.exp(-delE * beta)
    # conditionally accept the transition
    if prob > random.random():
        s = -s
    state[rsnode] = s

    return state

请注意转换能量中的因子 2.0 - 您的代码中缺少它!

这里有一些numpy索引魔法。top[i]是节点i的稀疏邻接行向量,并且top[i].nonzero()[1]是非零元素的列索引(top[i].nonzero()[0]是行索引,因为它是行向量,所以它们都等于 0)。因此是节点istate[top[i].nonzero()[1]]的相邻节点的值。

现在到物理。热力学性质是错误的,因为:

e1 = e0 + ene * ene
m1 = m0 + mag * mag

真的应该是:

e1 = e1 + ene * ene
m1 = m1 + mag * mag

和:

specificheat.append( e1/steps - e0*e0/(steps*steps) /(N* t * t))
susceptibility.append( m1/steps - m0*m0/(steps*steps) /(N* t *t))

应该:

specificheat.append((e1/steps/N - e0*e0/(steps*steps*N*N)) / (t * t))
susceptibility.append((m1/steps/N - m0*m0/(steps*steps*N*N)) / t)

(你最好尽早平均能量和磁化强度)

这给正值的土地带来了热容量和磁化率。请注意分母中的单项t敏感性。

现在程序(希望)是正确的,让我们谈谈物理学。对于每个温度,您都从一个完整的自旋状态开始,然后让它一次演变一个自旋。显然,除非温度为零,否则该初始状态远离热平衡,因此系统将开始向与给定温度对应的状态空间部分漂移。这个过程被称为热化,在此期间收集静态信息是没有意义的。您必须始终将给定温度下的模拟分为两部分 - 热化和实际显着运行。需要多少次迭代才能达到平衡?很难说 - 使用能量的移动平均值并监控它何时变得(相对)稳定。

其次,更新算法每次迭代都会改变一次自旋,这意味着程序将非常缓慢地探索状态空间,并且您将需要大量迭代才能获得分区函数的良好近似值。对于 200 次旋转,1000 次迭代可能就足够了。

其余的问题确实不属于这里。

于 2017-04-07T15:17:56.173 回答