跳到主要内容
Sandbox Physics
自由能与稀有事件

L3 · 第 5 章

误差条为什么会漏掉最严重的错误

误差条描述的是一套采样条件下重复计算会波动多少。若每次都漏掉同一座谷,答案可以稳定地偏向一边。可靠的自由能结果需要同时检查权重是否集中、轨迹是否相关,以及独立重复能否找到同一个平衡分布。

先看答案由多少张照片承担

归一化目标权重为 WnW_n,其总和为一。若十张照片各承担十分之一,信息分布较均匀;若一张承担九成,估计就十分脆弱。权重有效样本数 Neff,wN_{\mathrm{eff},w} 用权重平方和衡量这种集中程度。

例题:一百张照片中,一张权重为 0.50.5,其余九十九张均分另一半。平方和为 0.25+99(0.5/99)2=25/990.25+99(0.5/99)^2=25/99,权重有效样本数只有 3.963.96。一百张照片的结果可能主要取决于那一张。

这个数没有看照片的先后顺序,也没有看隐藏谷。把同一张照片复制一千遍,会让表面上的权重数目增加,却不会增加独立信息。时间相关与权重集中需要分别检查。

Neff,w=1∑nWn2N_{\mathrm{eff},w}=\frac{1}{\sum_n W_n^2}
这是权重集中度诊断,不是所有观测量通用的独立样本数。相关轨迹还需要分块或其他相关性处理。

重抽样时保留一小段完整运动

普通 bootstrap 把每一帧当作独立抽签。对慢慢游走的小珠,这会打散原来的时间相关,通常把误差压得太小。分块 bootstrap 改为抽取连续轨迹块,让每块里的运动顺序保留。

每个窗口分别抽块,保持该窗口的总样本量,再重新求解整套 MBAR 方程。重复许多次,比较目标谷占据或自由能差的分布。不能只固定原来权重,再随机打乱最后一张图:窗口归一化本身也有不确定度。

块长要足以覆盖相关衰减,并且仍留有多个近似独立块。逐步加长块,观察误差是否趋于稳定;同时保存块长与重复次数。若一段轨迹只有一个长驻留期,bootstrap 无法从中创造缺失的换谷。

来源:PLUMED Masterclass 21.2 · Michael R. Shirts and John D. Chodera

用另一种计算方式建立参考

二维教学模型可以直接对 e−βUe^{-\beta U} 求积。把网格加密,检查谷占据和投影自由能变化是否足够小;再检验对称性。默认倾斜为零时,势能在 (x,y)↦(−x,−y)(x,y)\mapsto(-x,-y) 下不变,因此按横坐标分开的左右区域概率相同。

参考积分不读取随机轨迹,正好能发现采样遗漏。它自己的误差来自有限网格、投影分箱和边界近似。把参考网格误差与采样误差分开记录,才知道两条曲线接近到什么程度。

来源:PLUMED Masterclass 21.2

把一块区域留给真正的检验

设计窗口时,先指定一个检验区域,例如两个谷之间的一段区间。固定设计和分析方法后,再用新种子评估该区域的概率,与独立积分比较。检验区域不是要求粒子永远不能进去;它的参考答案和新种子结果不能被用来反复调整同一次报告的方法。

若根据检验结果改了窗口,就把原检验转成开发记录,再保留新的种子或区域。否则,图看上去每次都越来越准,只说明调参过程记住了答案。

误差可以分成几个具体来源:步长近似、有限采样、相关处理、分箱与未平衡。重复种子主要揭示随机波动;改变步长检查积分器;改变初态和隐藏坐标检查平衡。没有一个单独数字能替代这些问题。

把推理带进实验

给同一个自由能差写出误差说明

  1. 固定模型与窗口,保存默认种子的重建、样本权重与分块设置。
  2. 用新种子重复。比较重复结果的散布与分块误差,再检查隐藏坐标是否交换。
  3. 选择一段事先指定的检验区间,比较重加权概率和二维积分。若窗口链断开,解释为什么不应给出跨缺口的精确误差条。

练习与解释性答案

  1. 一千个相同权重的连续帧,权重有效样本数为一千。能据此宣称有一千个独立样本吗?

    展开解释

    不能。这个诊断只看权重集中程度。若相邻帧高度相关,均值的独立信息会少得多;若都困在同一个谷,目标分布还可能有偏。应检查时间相关、块长和不同初态。

  2. 一个结果的分块误差很小,却与高精度积分明显不符。下一步应先做什么?

    展开解释

    先检查系统偏差:不同隐藏谷启动是否给同一分布,窗口是否真正重叠,步长减半是否改变结果,以及密度是否除以箱宽。继续增加 bootstrap 次数只能更准确地描述现有数据的波动。

来源与复算范围

例题与示意图是原创教学材料。数值切片在自建二维模型上复算指定估计方程,并与独立积分、PyMBAR 比较。最后一章阅读 MBAR 论文图 1,同时列明本次计算没有包含的实验材料。

模型定义、脚本与数值记录

  1. PLUMED Masterclass 21.2, Statistical errors in MD (documentation v2.9)

    核读 Background 与练习 2、7–9:边缘概率、相关样本、分块和 bootstrap。原教程说明练习使用 PLUMED 2.7.0;本课程另行定义二维模型。

  2. Michael R. Shirts and John D. Chodera, Statistically optimal analysis of samples from multiple equilibrium states, J. Chem. Phys. 129, 124105 (2008)

    冻结 arXiv v3。核读第二至四节、式 (9)、(11)–(14)、第五节图 1 与附录 A–C。复算范围是自建模型上的平衡估计方程;图 1 用于读图教学,未复现 DNA 发夹轨迹或图中数值。

反馈这个页面有错误、看不明白,或者缺了什么?告诉我们
反馈类型

提交时会附带本页地址、Lab ID、网站语言和设备类型。请不要填写个人信息。反馈最多保存 12 个月。隐私政策