Я пишу симуляцию модели Изинга в 2D. Модель ведет себя так, как и предполагалось, за исключением одного: критическая температура составляет примерно 3,5, в то время как она должна быть около 2/ln(2 + sqrt (2)).
Проект представляет собой программу на C++, которая генерирует данные, и сценарий оболочки, который выполняет эту программу. Полный код можно найти здесь. Также вот lattice.cpp
#include <iostream>
#include "include/lattice.h"
using namespace std;
/*
Copy assignment operator, too long to include in the header.
*/
lattice &lattice::operator=(const lattice &other) {
size_ = other.size_;
spins_ = other.spins_;
J_ = other.J_;
H_ = other.H_;
delete spins_;
return *this;
}
void lattice::print() {
unsigned int area = size_ * size_;
for (unsigned int i = 0; i < area; i++) {
cout << to_symbol(spins_->at(i));
if (i % size_ == size_ - 1)
cout << endl;
}
cout << endl;
}
/*
Computes the energy associated with a spin at the given point.
It is explicitly float as that would allow the compiler to make use of multiple
registers instead of keeping track of unneeded precision. (typically J, H ~ 1).
*/
float lattice::compute_point_energy(int row, int col) {
int accumulator = get(row + 1, col) + get(row - 1, col) + get(row, col - 1) +
get(row, col + 1);
return -get(row, col) * (accumulator * J_ + H_);
}
/*
Computes total magnetisation in O(n^2). Thread safe
*/
int lattice::total_magnetisation() {
int sum = 0;
#pragma omp parallel for reduction(+ : sum)
for (unsigned int i = 0; i < size_ * size_; i++) {
sum += spins_->at(i);
}
return sum;
}
int inline to_periodic(int row, int col, int size) {
if (row < 0 || row >= size)
row = abs(size - abs(row));
if (col < 0 || col >= size)
col = abs(size - abs(col));
return row * size + col;
}
с решетка.h
#ifndef lattice_h
#define lattice_h
#include <cmath>
#include <vector>
/* Converts spin up/down to easily printable symbols. */
char inline to_symbol(int in) { return in == -1 ? '-' : '+'; }
/* Converts given pair of indices to those with periodic boundary conditions. */
int inline to_periodic(int row, int col, int size) {
if (row < 0 || row >= size)
row = abs(size - abs(row));
if (col < 0 || col >= size)
col = abs(size - abs(col));
return row * size + col;
}
class lattice {
private:
unsigned int size_;
// vector<bool> would be more space efficient, but it would not allow
// multithreading
std::vector<short> *spins_;
float J_;
float H_;
public:
lattice() noexcept : size_(0), spins_(NULL), J_(1.0), H_(0.0) {}
lattice(int new_size, double new_J, double new_H) noexcept
: size_(new_size), spins_(new std::vector<short>(size_ * size_, 1)),
J_(new_J), H_(new_H) {}
lattice(const lattice &other) noexcept
: lattice(other.size_, other.J_, other.H_) {
#pragma omp parallel for
for (unsigned int i = 0; i < size_ * size_; i++)
spins_->at(i) = other.spins_->at(i);
}
lattice &operator=(const lattice &);
~lattice() { delete spins_; }
void print();
short get(int row, int col) {
return spins_->at(to_periodic(row, col, size_));
}
unsigned int get_size() { return size_; }
void flip(int row, int col) { spins_->at(to_periodic(row, col, size_)) *= -1; }
int total_magnetisation();
float compute_point_energy(int row, int col);
};
#endif
и simulation.cpp
#include <iostream>
#include <math.h>
#include "include/simulation.h"
using namespace std;
/*
Advances the simulation a given number of steps, and updates/prints the statistics
into the given file pointer.
Defaults to stdout.
The number of time_steps is explcitly unsigned, so that linters/IDEs remind
the end user of the file that extra care needs to be taken, as well as to allow
advancing the simulation a larger number of times.
*/
void simulation::advance(unsigned int time_steps, FILE *output) {
unsigned int area = spin_lattice_.get_size() * spin_lattice_.get_size();
for (unsigned int i = 0; i < time_steps; i++) {
// If we don't update mean_energy_ every time, we might get incorrect
// thermodynamic behaviour.
total_energy_ = compute_energy(spin_lattice_);
double temperature_delta = total_energy_/area - mean_energy_;
if (abs(temperature_delta) < 1/area){
cerr<<temperature_delta<<"! Reached equilibrium "<<endl;
}
temperature_ += temperature_delta;
mean_energy_ = total_energy_ / area;
if (time_ % print_interval_ == 0) {
total_magnetisation_ = spin_lattice_.total_magnetisation();
mean_magnetisation_ = total_magnetisation_ / area;
print_status(output);
}
advance();
}
}
/*
Advances the simulation a single step.
DOES NOT KEEP TRACK OF STATISTICS. Hence private.
*/
void simulation::advance() {
#pragma omp parallel for collapse(2)
for (unsigned int row = 0; row < spin_lattice_.get_size(); row++) {
for (unsigned int col = 0; col < spin_lattice_.get_size(); col++) {
double dE = compute_dE(row, col);
double p = r_.random_uniform();
float rnd = rand() / (RAND_MAX + 1.);
if (exp(-dE / temperature_) > rnd) {
spin_lattice_.flip(row, col);
}
}
}
time_++;
}
/*
Computes change in energy due to flipping one single spin.
The function returns a single-precision floating-point number, as data cannot under
most circumstances make use of greater precision than that (save J is set to a
non-machine-representable value).
The code modifies the spin lattice, as an alternative (copying the neighborhood
of a given point), would make the code run slower by a factor of 2.25
*/
float simulation::compute_dE(int row, int col) {
float e_0 = spin_lattice_.compute_point_energy(row, col);
return -4*e_0;
}
/*
Computes the total energy associated with spins in the spin_lattice_.
I originally used this function to test the code that tracked energy as the lattice
itself was modified, but that code turned out to be only marginally faster, and
not thread-safe. This is due to a race condition: when one thread uses a neighborhood
of a point, while another thread was computing the energy of one such point in
the neighborhood of (row, col).
*/
double simulation::compute_energy(lattice &other) {
double energy_sum = 0;
unsigned int max = other.get_size();
#pragma omp parallel for reduction(+ : energy_sum)
for (unsigned int i = 0; i < max; i++) {
for (unsigned int j = 0; j < max; j++) {
energy_sum += other.compute_point_energy(i, j);
}
}
return energy_sum;
}
void simulation::set_to_chequerboard(int step){
if (time_ !=0){
return;
}else{
for (unsigned int i=0; i< spin_lattice_.get_size(); ++i){
for (unsigned int j=0; j<spin_lattice_.get_size(); ++j){
if ((i/step)%2-(j/step)%2==0){
spin_lattice_.flip(i, j);
}
}
}
}
}
с simulation.h
#ifndef simulation_h
#define simulation_h
#include "lattice.h"
#include "rng.h"
#include <gsl/gsl_rng.h>
/*
The logic of the entire simulation of the Ising model of magnetism.
This simulation will run and print statistics at a given time interval.
A simulation can be advanced a single time step, or many at a time,
*/
class simulation {
private:
unsigned int time_ = 0; // Current time of the simulation.
rng r_ = rng();
lattice spin_lattice_;
double temperature_;
double mean_magnetisation_ = 1;
double mean_energy_;
double total_magnetisation_;
double total_energy_;
unsigned int print_interval_ = 1;
void advance();
public:
void set_print_interval(unsigned int new_print_interval) { print_interval_ = new_print_interval; }
simulation(int new_size, double new_temp, double new_J, double new_H)
: time_(0), spin_lattice_(lattice(new_size, new_J, new_H)), temperature_(new_temp),
mean_energy_(new_J * (-4)), total_magnetisation_(new_size * new_size),
total_energy_(compute_energy(spin_lattice_)) {}
void print_status(FILE *f) {
f = f==NULL? stdout : f;
fprintf(f, "%4d\t%e \t%e\t%e\n", time_, mean_magnetisation_,
mean_energy_, temperature_);
}
void advance(unsigned int time_steps, FILE *output);
double compute_energy(lattice &other);
float compute_dE(int row, int col);
void set_to_chequerboard(int step);
void print_lattice(){
spin_lattice_.print();
};
// void load_custom(const lattice& custom);
};
#endif
Результат сейчас выглядит примерно так:
в то время как он должен быть ниже 2,26





Я обнаружил в вашем коде несколько проблем:
Метод compute_dE возвращает неверную энергию, так как множителя 2 быть не должно. Гамильтониан системы Изинга равен
Пока вы эффективно используете
Метод compute_energy возвращает неверную энергию. Метод должен повторять каждую пару спинов только один раз. Что-то вроде этого должно помочь:
for (unsigned int i = 0; i < max; i++) {
for (unsigned int j = i + 1; j < max; j++) {
energy_sum += other.compute_point_energy(i, j);
}
}
Вы используете температуру, которая обновляется на лету, вместо целевой температуры. Я не совсем понимаю цель этого.
Я не думаю, что это проблема. Во-первых, ответ не сдвигается в два раза, а во всяком случае сдвигается менее чем на 50% (то есть на 1 единицу Дж). Во-вторых, когда я заменяю один из compute dE на его половину, система перестает сходиться. Он не меняется, как я хотел, а полностью меняет поведение. Не могли бы вы объяснить больше?
Обновление: вы были правы. Не совсем, но ты подтолкнул меня в правильном направлении. compute_dE отключен в 3/2, а не в 2. Энергия точки вдвое больше из-за переворота спина, но также потому, что мы меняем энергию взаимодействия для четырех окружающих спинов, другую точечную энергию (а не две из-за двойной счет.)
На самом деле настоящая проблема в том, что вы не используете входную температуру, но по какой-то причине вы обновляете температуру на протяжении всего моделирования и используете ее в качестве приемлемого коэффициента. Это не правильно. Я отредактирую ответ соответственно
Я не уверен насчет энергетической обратной связи. Я предполагал, что система изолирована, и поэтому энергия, выделяющаяся при выравнивании спинов, нагревает систему. Если это не так, я бы хотел обновить код ...
Что ж, вы используете правило приемлемости, связанное с системами с постоянной температурой, что означает, что вы неявно связываете систему с термостатом. Я подозреваю, что, если температура будет изменяться в ходе моделирования, вам придется использовать другое правило приемлемости.
Вы должны добавить к своему вопросу заголовки
lattice.hиsimulation.h.