First Principle——第一性原理

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什么是第一性原理_

什么是第一性原理_

实质“第一性原理”这个词儿被吹得神乎其神,似乎是威力无穷。

大家都知道了伊龙马斯克(Elon Musk)把这个原理用得好,可以把火箭发射成本降低到原先的几十甚至上百分之一。

可是它到底是什么?自从听见这个词儿,我也只是人云亦云,竟然从来也没有认真考察过。

直到今天,品着茶,读老喻的文章。

才看到了马斯克这段话的完整译文:我在想存在一种好的思维框架。

那是物理学的东西,你知道,有点儿像第一原理推理(first principles reasoning)。

总体来讲,我认为存在将事情缩减至其根本实质……你必须能够把那些问题“煮沸”才能从里面找出那些最基本的东西。

看完了我一口水差点儿喷出来。

这令人膜拜的“第一性原理”,不就是“解耦合”(decoupling)吗?协作要搞清楚这个概念,咱们得先看看现代社会的大规模协作方式。

假设你是一名程序员,希望改进一款开源软件产品的功能。

该怎么做?你会打开一个新的空白源代码文件,从头开始,一行行写代码吗?基本上不会。

你该怎么做呢?你会读现有软件的源代码,把新的功能实现补充或更新到对应的位置,提交合并(merge)请求。

注意在这个过程中,你是把前人做的东西,当成基础层。

而你自己,是在这个层次之上,去叠加新的内容。

为了更形象化一点,我拿来个计算机体系结构层级示意图。

许多人弄不明白,既然搞IT的平时都鼓捣个计算机,为什么还得分成搞硬件的、搞架构的、搞通讯的、搞操作系统的、搞软件的、搞算法的、搞应用的?不都是一回事儿吗?因为这种“不理解”,才经常会有人找计算机系的研究生帮着修电脑,觉得这才算是学有所用。

这种分层的架构,使整个儿IT行业从业者,都只需要管好自己这一层的功能,并且为上层提供功能接口。

需要的时候,他会调用下层已经准备好的功能,而不需要去重新发明轮子。

说得通俗一些——铁路警察,各管一段儿。

想想看,为什么现在数据科学那么火? Python、R 和机器学习框架们为何这么受到欢迎?以至于许多非 IT 类人士,都在乐此不疲渴望学习、应用它们?因为许许多多的开发者,已经为你写好了实现数据科学工作的各项基础功能。

第一性原理

第一性原理

第二章 第一性原理计算方法与软件介绍19世纪末,科学家们发现经典力学和经典电动力学在描述物质的微观系统时存在明显不足,对实验中的许多现象不能做出真正合理的解释。

鉴于此,20世纪初物理学家们在旧量子论的基础上建立了量子力学,主要研究原子、分子、凝聚态物质等内部微观粒子的结构、运动规律等性质,目前已广泛应用于物理、化学、材料等学科领域。

随着量子力学理论的不断完善,并结合日趋成熟的计算机技术,量子计算模拟成为了现代科学中必不可少的研究手段之一。

第一性原理计算(First -principles calculation),亦称为从头算(Ab -initio calculation)。

该计算方法可根据量子力学基本原理,基于密度泛函理论对材料微观体系的状态和性质进行理论上的预测,且计算过程中不需要使用任何经验参数,只需要一些基本物理量(电子电荷质量e 、电子静止质量m 0、光速c 、普朗克常数h 、波尔兹曼常数k B )。

本工作所选用的计算程序为Materials Studio 软件中的CASTEP 量子力学模块,该模块是基于密度泛函理论的从头算量子力学程序。

本章节将简要的介绍密度泛函理论和CASTEP 计算模块。

2.1密度泛函理论概述第一性原理主要的研究对象是多原子体系。

它依据量子力学原理,且在无任何实验参数引入的情况下,将多原子体系当作由自由电子和原子核组成的多粒子体系进行处理。

然而,关于量子力学中多粒子体系处理的出发点则为著名的薛定谔方程(Schrödinger Equation)。

Schrödinger 方程是量子力学的一个基本方程,也是第一性原理计算方法的核心,它是由奥地利物理学家薛定谔(Schrödinger)于1926年提出的。

该方程可用于描述微观粒子的运动规律,故亦被称为薛定谔波动方程(Schrödinger Wave Equation),其定态方程描述如下:22[()]()(,)2V r r,t i r t t ψψμ∂-∇+=∂(2-1) 式中ħ为约化普朗克(Plank)常数;μ和V(r)分别表示粒子质量和势场;r 和t 则为体系中所有电子与原子核的位置坐标;Ψ(r,t)是系统波函数,即运动的微观粒子在V(r)势场下的波函数。

马斯克常说的“第一性原理”究竟是什么?

马斯克常说的“第一性原理”究竟是什么?

马斯克常说的“第一性原理”究竟是什么?曾经有一个清华毕业的前领导,上任第一天,和我们公司全员开会的第一课就是《为什么考90分比60分更容易?》。

我当时第一反应是,清华的果然装逼。

后面他讲完,我深入一想,觉得确实有道理,比如数学,把课本上的公式理论搞懂搞透,考试只是万变不离其宗,学的很轻松。

我英语不好,花很多时间做习题,依然是及格线,学得身心疲惫。

后面我也逐渐感悟到:抓住本质,理清底层逻辑,能大大提高生活和工作的效率。

所以,在讲品牌和营销之前,我们先花一篇文章来分享和探讨这种思维方式,也可以称之为“第一性原理”。

因为《T oB营销30讲》系列,主要目的就是理清ToB品牌营销的底层逻辑,搭建知识体系。

一、什么是第一性原理讲第一性原理(First principle thinking),最出名的就是马斯克。

李想说马斯克在关键点从未做错过选择,就是用的第一性原理思维方式。

我们知道,马斯克不仅是特斯拉的老板,还是发射火箭的SpaceX、太阳能SolarCity、脑机接口Neuralink等很多前沿科技公司的老板,成就确实牛逼,也带热了“第一性原理”。

简单来说,第一性原理就是本质思维。

“以目标为核心,把一切事物都归结于基本本质,并由此开始推理,而不是采用类比推理,最终找到解决问题的方法。

”严格来说,“第一性原理”是亚里士多德提炼出概念:每个系统中存在一个最基本的命题,它不能被违背或删除。

马斯克在商业维度进行普及。

我们常见的生活方式,是通过类比进行推理。

类比推理的举例:比如:“成功人士都是很谦虚的,所以你要谦虚”。

比如“谁谁谁都结婚生孩子了,很幸福,所以你也应该结婚生孩子会很幸福”。

举例:见过的天鹅里面都是白的结论:所有天鹅都是白的(实际上,也存在黑天鹅,所以结论是错的。

)很显然,这种类比推理,逻辑非常的不严密,经不起推敲,容易得出不同的结论和错误的结论。

通过第一原则,把事情浓缩到最基本的事实,然后从这里进行推理。

第一性原理知识分享

第一性原理知识分享

第一性原理第一性原理的理解及其应用第一性原理,英文First Principle,是一个计算物理或计算化学专业名词,广义的第一性原理计算指的是一切基于量子力学原理的计算。

我们知道物质由分子组成,分子由原子组成,原子由原子核和电子组成。

量子力学计算就是根据原子核和电子的相互作用原理去计算分子结构和分子能量(或离子),然后就能计算物质的各种性质。

从头算(ab initio)是狭义的第一性原理计算,它是指不使用经验参数,只用电子质量,光速,质子中子质量等少数实验数据去做量子计算。

但是这个计算很慢,所以就加入一些经验参数,可以大大加快计算速度,当然也会不可避免的牺牲计算结果精度。

根据原子核和电子互相作用的原理及其基本运动规律,运用量子力学原理,从具体要求出发,经过一些近似处理后直接求解薛定谔方程的算法,习惯上称为第一性原理[1]。

广义的第一原理包括两大类,以Hartree-Fork自洽场计算为基础的ab initio 从头算,和密度泛函理论(DFT)计算。

也有人主张,ab initio专指从头算,而第一性原理和所谓量子化学计算特指密度泛函理论计算。

第一性原理通常是跟计算联系在一起的,是指在进行计算的时候除了告诉程序你所使用的原子和他们的位置外,没有其他的实验的,经验的或者半经验的参量,且具有很好的移植性。

作为评价事物的依据,第一性原理和经验参数是两个极端。

第一性原理是某些硬性规定或推演得出的结论,而经验参数则是通过大量实例得出的规律性的数据,这些数据可以来自第一性原理(称为理论统计数据),也可以来自实验(称为实验统计数据)。

但是就某个特定的问题,第一性原理和经验参数没有明显的界限,必须特别界定。

如果某些原理或数据来源于第一性原理,但推演过程中加入了一些假设(这些假设当然是很有说服力的),那么这些原理或数据就称为“半经验的”。

那为什么使用“第一性原理”这个字眼呢?据说这是来源于“第一推动力”这个宗教词汇。

浅述第一性原理内容及应用

浅述第一性原理内容及应用

浅述第一性原理内容及应用 计算材料学,是材料科学与计算机科学的交叉学科,是一门正在快速发展的新兴学科,是利用计算对材料的组成、结构、性能以及服役性能进行计算机模拟与设计的学科。它涉及材料、物理、计算机、数学、化学等多门学科。计算材料学主要包括两个方面的内容:一方面是计算模拟,即从实验数据出发,通过建立数学模型及数值计算,模拟实际过程;另一方面是材料的计算机设计,即直接通过理论模型和计算,预测或设计材料结构与性能。前者使材料研究不仅仅停留在实验结果和定性的讨论上,而是使特定材料体系的实验结果上升为一般的、定量的理论;后者则使材料的研究与开发更具方向性、前瞻性,有助于原始性创新,可以大大提高研究效率。因此,计算材料学是连接材料学理论与实验的桥梁。 1. 第一原理的发展背景 材料的组成、结构、性能、服役性能是材料研究的四大要素。传统的材料研究以实验室研 究为主,是一门实验科学。但是,随着对材料性能的要求不断提高,材料学研究对象的空间尺度在不断变小,只对微米级的显微结构进行研究已经不能揭示材料性能的本质,纳米结构、原子像已成为材料研究的内容,对功能材料甚至需要研究到电子层次。因此,材料研究越来越依赖于高端的测试技术,研究难度和成本也越来越高。另外,服役性能在材料研究中越来越受到重视,服役性能就是要研究材料与服役环境的相互作用及其对材料性能的影响。随着材料应用环境的日益复杂化,材料服役性能的实验室研究也变得越来越困难。总之,仅仅依靠实验室的实验来进行材料研究已经难以满足现代新材料研究和发展的要求。然而计算机模拟技术可以根据有关的基本理论,在计算机虚拟环境下从纳观、微观、介观和宏观的不同尺度对材料进行多层次研究,也可以模拟超高温、超高压等极端环境下的材料服役性能,模拟材料在服役条件下的性能演变规律、失效机理,进而实现材料服役性能的改善和材料设计。因此,在现代材料学领域中,计算机“实验”已成为与实验室实验同样重要的研究手段,而且随着计算材料学的不断发展,第一原理的作用会越来越大。 __第一性原理,英文First Principle,是一个计算物理或计算化学专业名词,广义的第一性原理计算指的是一切基于量子力学原理的计算。

第一性原理是什么意思包括两个方面

第一性原理是什么意思包括两个方面

第一性原理是什么意思1. 简介第一性原理(First Principles)是科学研究的基础。

它指的是通过分析和理解系统的最基本原理来推导其他的现象和规律。

第一性原理是一种从根本上解决问题的方法,它能够帮助科学家和研究人员在没有任何已有经验或假设的情况下,从最基本的原理出发,推导出一系列的结论和规律。

第一性原理可以应用于各个领域,例如物理学、化学、工程学、经济学等等。

通过应用第一性原理,我们可以深入理解事物的本质,并从中推导出新的解决方案和创新。

本文将从两个方面来介绍第一性原理的含义和应用。

首先,我们将探讨第一性原理的概念和基本原则。

然后,我们将介绍第一性原理在科学研究和创新中的重要性和应用案例。

2. 第一性原理的概念第一性原理的概念可以追溯到古希腊哲学家亚里士多德的思想。

他认为,探索问题的最基本原则是通过分析和理解事物的本质和基本属性。

这种思维方法被称为“分析思维”。

在现代科学研究中,第一性原理的概念得到了进一步发展。

它强调了通过分析和理解事物的基本元素和相互关系,来推导其他现象和规律。

换句话说,第一性原理是一种从首要元素出发的推理方法,它基于逻辑和推理,而不是依赖于经验或假设。

3. 第一性原理的基本原则第一性原理的应用需要遵循一些基本的原则:(1)避免传统思维模式的束缚第一性原理要求摒弃传统思维模式的束缚,不盲从于以往的经验和假设。

它鼓励科学家和研究人员去探索系统的本质和基本原理,而不是局限于已有的认知框架。

(2)分解问题为最基本的元素第一性原理要求将复杂的问题分解为最基本的元素。

通过分析和理解这些基本元素,我们可以深入研究问题的本质,并从中推导出新的知识和规律。

(3)基于逻辑和推理进行推导第一性原理强调基于逻辑和推理进行推导和证明。

通过严谨的思维和推理过程,我们可以得出准确和可靠的结论,并进行进一步的推导和应用。

4. 第一性原理在科学研究中的应用第一性原理在科学研究中具有广泛的应用价值,下面将介绍几个常见的应用案例:(1)物理学中的第一性原理在物理学中,第一性原理被广泛应用于研究基本粒子、能量传递、量子力学等领域。

第一性原理方法介绍-讲座1

第一性原理方法介绍-讲座1

3
1 引言 除了氢和氦较轻的元素外,原子核的量子性在许多场合
并不是很重要的.即可以将原子核作为带电荷的质点进行经
典的考虑:然而.关于围绕原子核运动的电子.其量子性却 是极其重要的.
如果忽略电子的量子性而用经典力学的思想处理.则电
子由于不断的辐射光子而导致“原子坍塌”。这样一来.世 界上就不会有稳定的原子存在. 事实上并非如此.原子是由电子和原子核组成的稳定体 系。对此.量子力学已给出完满的解释
29
4 分子轨道理论
4、在不违背泡利不相容原理的前提下,分子中的电子将经可 能占据能量最低的轨道,而服从能量最低原理。
5、计算中要给出被研究体系所有电子的分子轨道,因此体系 中的电子数(原子数)不能太多否则计算工作量很大,因此 量子化学的第一性原理只能用来研究小体系的基态。
30
4
分子轨道理论 Hartree-Fock分子轨道理论的应用限制
Gaussian的核心思想:50年代的时候,使用类氢离子波 函数为基函数,后来使用Slater函数(STO)为基函数,后来 又采用Gauss函数拟合STO。
18
6.3
第一性原理的计算思路


90年代,以密度泛函理论为基础的DFT方法迅速发展起来。 最大的特点:轨道波函数为基->密度函数为基。由此引 申出的方法有局域密度近似(LDA)广义梯度近似(GGA)、 密度泛函与分子轨道的杂化方法(B3LYP)。 各种方法的主要区别就是采用的第二套基函数的不同。 那么基函数到底是个什么概念呢?与薛定谔方程有什么联系 呢?
j
23
4
分子轨道理论
基函数的选择
常用的基函数为Slater型函数(简称STO),或者高斯函
数(简称GTO)。 当基组取得足够大(完备基组)时,HFR方程的解即逼 近HF的解。 基函数如下:

第一原理:迄今为止,对我影响最大的一个思维方式

第一原理:迄今为止,对我影响最大的一个思维方式

第一原理:迄今为止,对我影响最大的一个思维方式我经常喜欢向牛人请教一些问题。

其中一个问题是「迄今为止,对你影响最大的思维方式有哪些」。

如果你拿这个问题来问我,我会毫不犹豫地告诉你:“迄今为止,对我影响最大的一个思维方式是「第一原理思维」。

”.什么是第一原理第一原理,有的人又叫它「第一性原理」。

可能很多人之前没有接触过这个概念,或者只是听说「它来自哲学和科学」。

所以对「第一原理」有种畏惧感和排斥感——听起来那么神秘,有没有人能够讲清楚它到底是什么?我们普通人真的能够掌握这种思维方式吗?其实叫什么并不重要,如果你觉得「第一原理」听起来难以理解,你可以把它叫做「一」或者「一思维」。

早在亚里士多德之前,西方就有很多哲学家在用这种思维方式思考问题,比如赫拉克利特、巴门尼德等等哲学家,他们将其称之为「一」。

一切产生于一,而一产生于一切。

——罗素《西方哲学史》唯一真实的存在就是“一”,一是无限的、不可分的。

——罗素《西方哲学史》很多哲学家开始探究物质的起源、宇宙的起源。

比如,泰勒斯认为万物是由“水”构成的;阿那克西美尼认为万物是由“气”构成的;赫拉克利特认为万物是由“火”构成的;恩培多克勒认为万物是由“土、气、火、水”构成的。

这种「探究物质的组成、物质的起源、宇宙的本质、宇宙的起源,认为万物由水、火、气、土所组成」的思维方式,实际上就是一种第一原理的思维方式。

在东方,这种思维方式也在同步进行着。

老子也认为,一切产生于一,他《道德经》中提到「道生一,一生二,二生三,三生万物」。

除此之外,中国古代的先贤们还有人把物质的起源归结为“阴阳”,这种思维在《易经》里面得到了深度的体现;另外,中国古代还有“金木水火土”之说,他们认为物质由金木水火土五种元素所组成。

这些都是“第一原理”的思维方式。

只不过之前没有人对这种思维方式进行总结,后来古希腊哲学家亚里士多德把这种思维方式总结出来了,他将其称之为「first principle」,翻译成中文就是「第一原理」。

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Introduction to Computer Simulation: Edinburgh, May 2010
Set up the problem
Let’s start defining various quantities Assume that the nuclei (Mass Mi) are at: R1, R2, …, RN Assume that the electrons (mass me) are at: r1, r2, …, rm Now let’s put some details in the SE
ˆ R , R ,..., R ,r ,r ,...,r E R , R ,..., R ,r ,r ,...,r H 1 2 N 1 2 m 1 2 N 1 2 m
Introduction to Computer Simulation: Edinburgh, May 2010
Quantum Mechanics: Density Functional Theory and Practical Application to Alloys
Stewart Clark Condensed Matter Section Department of Physics University of Durham
Introduction to Computer Simulation: Edinburgh, May 2010
From first principles
The equipment
Application
Scientific problemsolving “Base Theory” (DFT) Implementation (the algorithms and program)
• The electronic charge density is given by
n(r )
* ... r1,r2 ,...,rn r1,r2 ,...,rn dr2dr3 ...drn
• so integrate over n-1 of the dimensions gives the probability, n(r), of finding an electron at r • This is (clearly!) a unique functional of the external potential, V • That is, fix V, solve SE (somehow) for and then get n(r).
Introduction to Computer Simulation: Edinburgh, May 2010
Property Prediction
•Property calculation of alloys provided link with experimental measurements:
ˆ H N ,e N ,e
R ,r r R
I i N ,e i N ,e I
• Nuclear problem is separable (and, as we know, the nucleus is merely a point charge!)
Summary of problem to solve
ˆ H N ,e N ,e
R ,r
I i
EN ,e N ,e
R ,r
I i
Where
ˆ T ˆ T ˆ V ˆ ˆ V ˆ H V N ,e N e N N N e ee
Introduction to Computer Simulation: Edinburgh, May 2010
Introduction to Computer Simulation: Edinburgh, May 2010
Density functional theory
• Let’s write the Hamiltonian operator in the following way:
– T is the kinetic energy terms – V is the potential terms external to the electrons – U is the electron-electron term


Supercells Periodic boundaries Bloch functions
Slab for surfaces
Introduction to Computer Simulation: Edinburgh, May 2010
First simplification
• The electron mass is much smaller than the nuclear mass • Electrons remain in a stationary state of the Hamiltonian wrt nuclear motion
•Why is this a hard problem? •Equation is not separable: genuine many-body problem •Interactions are all strong – perturbation won’t work •Must be Accurate --- Computation
Introduction to Computer Simulation: Edinburgh, May 2010
Electrons are difficult!
• The mathematical difficulty of solving the Schrodinger equation increases rapidly with N • It is an exponentially difficult problem • The number of computations scales as eN • With modern supercomputers we can solve this directly for a very small number of electrons (maybe 4 or 5 electrons) • Materials contain of the order of 1026 electrons
Introduction to Computer Simulation: Edinburgh, May 2010
The starting point
ˆ H E
As you can see, quantum mechanics is “simply” an eigenvalue problem
Introduction to Computer Simulation: Edinburgh, May 2010
What would we like to achieve?
• Computers get cheaper and more powerful every year.
• Experiments tend to get more expensive each year. • IF computer simulation offers acceptable accuracy then at some point it should become cheaper than experiment. • This has already occurred in many branches of science and engineering. • Possible to achieve this for properties of alloys?
Outline
• Aim: To simulate real materials and experimental measurements • Method: Density functional theory and high performance computing • Results: Brief summary of capabilities and performing calculations
The full problem
h2 2 2 I i M m 2 I I e i e2 ZI e2 1 ZI ZJ e2 1 1 4 2 r r r R 2 R R I I J I J 0 i j i j i,I i R1, R2,...,RN , r1, r2 ,...,rm ER1, R2 ,...,RN , r1, r2,...,rm
For analysis For scientific/technological interest
•To enable interpretation of experimental results •To predict properties over and above that of experimental measurements
ˆ T ˆV ˆU ˆ H
• so we’ve just classified it into different ‘physical’ terms
Introduction to Computer Simulation: Edinburgh, May 2010
The electron density
Setup model, run the code
Reses Theory”
Introduction to Computer Simulation: Edinburgh, May 2010
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