Daniel Gillespie - Daniel Gillespie
Daniel Thomas Gillespie | |
---|---|
narozený | 15. srpna 1938 |
Zemřel | 19. dubna 2017 | (ve věku 78)
Národnost | americký |
Alma mater | Rice University Univerzita Johna Hopkinse |
Známý jako | Gillespieho algoritmus |
Vědecká kariéra | |
Pole | Fyzika a Stochastické procesy |
Instituce | University of Maryland, College Park NAWC China Lake |
Doktorský poradce | Aihud Pevsner |
Ostatní akademičtí poradci | Jan Sengers |
Daniel Thomas Gillespie (15. srpna 1938-19. Dubna 2017) byl a fyzik který je nejlépe známý svým původem v roce 1976 stochastický simulační algoritmus (SSA), nazývaný také Gillespieho algoritmus.[1][2][3] SSA je postup pro numerickou simulaci časového vývoje molekulárních populací v chemicky reagujícím systému způsobem, který bere v úvahu skutečnost, že molekuly reagují v celých počtech a do značné míry náhodně. Od konce 90. let se SSA široce používá k simulaci chemických reakcí uvnitř živých buněk, kde malé molekulární populace některých reaktivních druhů často znehodnocují diferenciální rovnice tradiční deterministické chemické kinetiky.
Gillespieho původní odvození SSA[2] začal zvážením toho, jak k chemickým reakcím skutečně dochází v a dobře promíchaný zředěný plyn. Uvažování z fyziky (a nikoli heuristickou extrapolací deterministických reakčních rychlostí na stochastický kontext) ukázal, že pravděpodobnost že ke specifické reakci dojde v nejbližší velmi krátké době dt lze zapsat jako explicitní funkci současných populací druhů vynásobenou dt. Z tohoto výsledku odvodil pomocí pouze zákonů pravděpodobnosti přesný vzorec pro funkci hustoty společné pravděpodobnosti str(τ, j) času τ na další reakční událost} a {index j této reakce}. SSA se skládá z prvního generování náhodných hodnot pro τ a j podle str(τ, j) a poté podle toho aktualizovat další reakci. Krok generování SSA lze provést pomocí kterékoli z několika různých metod a Gillespieho původního dokumentu[2] představil dva: „přímou metodu“, která vyplývá z přímého použití známé metody inverze Monte Carlo pro generování náhodných čísel; a „metoda první reakce“, která je méně přímá, ale matematicky ekvivalentní. Pozdější pracovníci odvodili další metody pro generování náhodných čísel podle Gillespieho funkce str(τ, j), které nabízejí výpočetní výhody v různých konkrétních situacích. Gillespieho původní odvození SSA[2][3][4] aplikovat pouze na dobře promíchané ředidlo plyn. Široce se předpokládalo / doufalo, že SSA bude platit také tehdy, když jsou molekulami reaktantů molekuly rozpuštěné látky v dobře promíchaném zředěném řešení, případ vhodnější pro buněčnou chemii. Ve skutečnosti ano, ale to bylo definitivně stanoveno až v roce 2009.[5] SSA je jednou ze složek stochastické chemické kinetiky, oblasti, kterou Gillespie hrál významnou roli při vývoji a objasňování prostřednictvím svých pozdějších publikací.[4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15]
SSA je fyzicky přesný pouze pro systémy, které jsou oba zředit a dobře promíchané v molekulách reaktantu (rozpuštěné látky).[15] Rozšíření SSA, jehož cílem je obejít globálně dobře promíchaný požadavek, je reakčně-difúzní SSA (RD-SSA). Rozděluje objem systému na kubické dílčí objemy nebo „voxely“, které jsou dostatečně malé, aby bylo možné každý z nich považovat za dobře promíchaný. Chemické reakce se pak považují za probíhající uvnitř jednotlivých voxelů a jsou modelovány pomocí SSA. Difúze molekul reaktantů do sousedních voxelů je modelována speciálními reakcemi „voxel-hopping“, které přesně simulují difuzní rovnici za předpokladu, že voxely jsou opět dostatečně malý. Ale modelování bimolekulární reakce uvnitř voxelu pomocí pravděpodobnosti reakce SSA bude fyzicky platné pouze tehdy, pokud jsou molekuly reaktantů uvnitř voxelu zředěné, a to vyžaduje, aby voxely byly hodně větší než molekuly reaktantu.[15] Tyto protichůdné požadavky (menší vs. větší) na velikost voxelů pro RD-SSA často nelze současně splnit. V takových případech bude nutné přijmout mnohem méně omezující simulační strategii, která pečlivě sleduje umístění každé molekuly reaktantu v systému. Algoritmus tohoto druhu vymysleli v roce 2014 Gillespie a spolupracovníci.[16] Volal algoritmus sledování malých voxelů (SVTA) rozděluje objem systému na voxely, které jsou menší než molekuly reaktantů, a proto hodně menší než voxely použité v RD-SSA. Difúze je proto v SVTA modelována mnohem přesněji než v RD-SSA. Ale uvnitř tak malých voxelů již nebude pravděpodobnost bimolekulární reakce SSA fyzicky platná. Takže SVTA místo toho modeluje bimolekulární reakce pomocí a nové rozšíření pravidla pro difúzní voxel-hopping. Toto rozšíření opravuje fyzickou nesprávnost standardní difúzní rovnice na malých časoprostorových stupnicích, kde dochází ke kolizím vyvolaným reakcím. SVTA tak eliminuje požadavky na ředění a promíchání systému, a to způsobem, který má teoretickou podporu v molekulární fyzice. Cena za tento velký nárůst robustnosti a přesnosti je simulační procedura, která je výpočetně náročnější. Podrobnosti o SVTA a její zdůvodnění ve fyzikální teorii jsou uvedeny v původním článku;[16] tento dokument však nevyvíjí široce použitelnou a uživatelsky přívětivou softwarovou implementaci SVTA.
Gillespieho širší výzkum přinesl články o cloudové fyzice,[17][18] teorie náhodných proměnných,[19] Brownův pohyb,[20][21] Markovova teorie procesů,[22][23] elektrický šum,[24][25][26] rozptyl světla v aerosolech,[27][28] a kvantová mechanika.[29][30]
Vzdělávání
Gillespie se narodil v Missouri a vyrůstal v Oklahomě, kde v roce 1956 absolvoval střední školu v Shawnee. V roce 1960 získal titul B.A. (magna cum laude a Phi Beta Kappa ) se zaměřením na fyziku z Rice University.
Gillespie získal titul Ph.D. z Univerzita Johna Hopkinse v roce 1968 disertační prací z experimentální fyziky elementárních částic pod Aihud Pevsner. Součástí jeho disertační práce byly postupy pro stochastickou simulaci vysokoenergetických reakcí elementárních částic pomocí digitálních počítačů a Metodika Monte Carlo bude hrát v jeho pozdější práci hlavní roli. Během postgraduálního studia na JHU byl také instruktorem Jr. (1960–63) a instruktorem (1966–68) ve druhém ročníku kurzu obecné fyziky.
Kariéra
Od roku 1968 do roku 1971 byl Gillespie vědeckým spolupracovníkem fakulty v University of Maryland College Park's Ústav pro molekulární fyziku. S Janem Sengersem dělal výzkum v klasické teorii dopravy. V roce 1971 působil také jako instruktor na katedře fyziky univerzity.
Od roku 1971 do roku 2001 byl Gillespie civilním vědcem v Centrum námořních zbraní v China Lake v Kalifornii. Zpočátku působil jako výzkumný fyzik v divizi Země a planetárních věd. Tam jeho výzkum fyziky mraků vedl k postupu simulace růstu dešťových kapek v oblacích,[17] a to podnítilo jeho referát o SSA.[2] V roce 1981 se stal vedoucím výzkumné skupiny pro aplikovanou matematiku výzkumného oddělení a v roce 1994 byl jmenován vedoucím vědeckého oddělení ve výzkumném oddělení. V roce 2001 odešel z China Lake.
Od roku 2001 do roku 2015 byl Gillespie soukromým konzultantem v oblasti výpočetní biochemie, pracoval na základě smlouvy na různá období s Kalifornský technologický institut, Ústav molekulárních věd (v Berkeley), Beckman Institute na Caltech a University of California, Santa Barbara. Většina z toho byla ve spolupráci s Linda Petzold výzkumná skupina v oddělení počítačových věd UCSB.
Knihy od Gillespie
- Gillespie, Daniel T. (1970). Primer kvantové mechaniky. International Textbook Co. str.137. ISBN 0700222901. Byl v tisku od roku 1970 do roku 1986 společnostmi International Textbook Co., International Textbook Co. Ltd, Halstead Press a Editorial Reverte (španělský překlad).
- Gillespie, Daniel T. (1992). Markovovy procesy: Úvod do fyzikálních vědců. Akademický tisk. str. 565. ISBN 0122839552.
- Gillespie, Dan (2004). Bob & Ray a Tom. BearManor Media. str. 56. ISBN 1593930097. Krátký životopis spisovatele rozhlasových a televizních komedií Tom Koch, se zaměřením hlavně na svou práci pro Bob a Ray.
- Gillespie, Daniel T .; Seitaridou, Effrosyni (2012). Simple Brownian Diffusion: An Introduction to the Standard Theories. Oxford University Press. str. 273. ISBN 9780199664504. Seznam Errata pro tuto knihu, včetně silně revidovaného Sec. 5.6, lze stáhnout zdarma z webové stránky knihy na webu vydavatele.
Reference
- ^ „Nekrolog DANIEL GILLESPIE na Oklahoman“. Oklahoman. Citováno 2017-11-25.
- ^ A b C d E Gillespie, D. T. (1976). "Obecná metoda pro numerickou simulaci stochastického vývoje času spojených chemických reakcí". Journal of Computational Physics. 22 (4): 403–434. Bibcode:1976JCoPh..22..403G. doi:10.1016/0021-9991(76)90041-3.
- ^ A b Gillespie, D. T. (1977). "Přesná stochastická simulace spojených chemických reakcí". Journal of Physical Chemistry. 81 (25): 2340–2361. doi:10.1021 / j100540a008.
- ^ A b Gillespie, D. T. (1992). "Důsledná derivace hlavní chemické rovnice". Physica A. 188 (1–3): 404–425. Bibcode:1992PhyA..188..404G. doi:10.1016 / 0378-4371 (92) 90283-V.
- ^ A b Gillespie, D. T. (2009). „Funkce difúzní bimolekulární náchylnosti“. Journal of Chemical Physics. 131 (16): 164109. Bibcode:2009JChPh.131p4109G. doi:10.1063/1.3253798. PMC 2780463. PMID 19894929.
- ^ Gillespie, D. T. (2000). „Chemická Langevinova rovnice“. Journal of Chemical Physics. 113 (1): 297–306. Bibcode:2000JChPh.113..297G. doi:10.1063/1.481811.
- ^ Cao, Y .; Gillespie, D. T .; Petzold, L. R. (2005). „Pomalý stochastický simulační algoritmus“ (PDF). Journal of Chemical Physics. 122: 014116. Bibcode:2005JChPh.122a4116C. doi:10.1063/1.1824902. PMID 15638651.
- ^ Cao, Y .; Gillespie, D. T .; Petzold, L. R. (2006). "Efektivní výběr velikosti pro metodu simulace tau-leaping". Journal of Chemical Physics. 124 (4): 044109. Bibcode:2006JChPh.124d4109C. doi:10.1063/1.2159468. PMID 16460151.
- ^ Gillespie, D. T. (2007). "Stochastická simulace chemické kinetiky". Roční přehled fyzikální chemie. 58: 35–55. Bibcode:2007ARPC ... 58 ... 35G. doi:10.1146 / annurev.physchem.58.032806.104637. PMID 17037977.
- ^ Gillespie, D. T. (2008), Bernardo, M .; Degano, P .; Zavattaro, G. (eds.), Simulační metody v biologii systémů, Formální metody pro biologii výpočetních systémů, Springer, str. 125–167, ISBN 978-3-540-68892-1
- ^ Gillespie, D. T. (2009). „Deterministický limit stochastické chemické kinetiky“. Journal of Physical Chemistry B. 113 (6): 1640–1644. doi:10.1021 / jp806431b. PMC 2651820. PMID 19159264.
- ^ Gillespie, D. T .; Cao, Y .; Sanft, K. R .; Petzold, L. R. (2009). „Subtilní podnikání redukce modelu pro stochastickou chemickou kinetiku“. Journal of Chemical Physics. 130 (6): 064103. Bibcode:2009JChPh.130f4103G. doi:10.1063/1.3072704. PMC 2675560. PMID 19222263.
- ^ Roh, M. K .; Daigle Jr, B. J .; Gillespie, D. T .; Petzold, L. R. (2011). "Státně závislý dvojnásobně vážený stochastický simulační algoritmus pro automatickou charakterizaci stochastických biochemických vzácných událostí". Journal of Chemical Physics. 135 (23): 234108. Bibcode:2011JChPh.135w4108R. doi:10.1063/1.3668100. PMC 3264419. PMID 22191865.
- ^ Gillespie, D. T .; Hellander, A .; Petzold, L. R. (2013). „Perspektiva: Stochastické algoritmy pro chemickou kinetiku“. Journal of Chemical Physics. 138 (17): 170901. Bibcode:2013JChPh.138p0901G. doi:10.1063/1.4801941. PMC 3656953. PMID 23656106.
- ^ A b C Gillespie, D. T .; Petzold, L. R .; Seitaridou, E. (2014). „Podmínky platnosti pro stochastickou chemickou kinetiku v systémech s omezenou difúzí“. Journal of Chemical Physics. 140 (5): 054111. Bibcode:2014JChPh.140e4111G. doi:10.1063/1.4863990. PMC 3977787. PMID 24511926.
- ^ A b Gillespie, D. T .; Seitaridou, E .; Gillespie, C. A. (2014). „Algoritmus sledování malých voxelů pro simulaci chemických reakcí mezi rozptylujícími molekulami“. Journal of Chemical Physics. 141 (23): 234115. Bibcode:2014JChPh.141w4115G. doi:10.1063/1.4903962. PMC 4272384. PMID 25527927.
- ^ A b Gillespie, D. T. (1975). „Přesná metoda numerické simulace procesu stochastické koalescence v oblaku“. Journal of the Atmospheric Sciences. 32 (10): 1977–1989. Bibcode:1975JAtS ... 32.1977G. doi:10.1175 / 1520-0469 (1975) 032 <1977: AEMFNS> 2.0.CO; 2.
- ^ Gillespie, D. T. (1981). „Stochastická analýza homogenní nukleace kondenzace par“. Journal of Chemical Physics. 74 (1): 661–678. Bibcode:1981JChPh..74..661G. doi:10.1063/1.440825.
- ^ Gillespie, D. T. (1983). "Věta pro fyziky v teorii náhodných proměnných". American Journal of Physics. 51 (6): 520–533. Bibcode:1983AmJPh..51..520G. doi:10.1119/1.13221.
- ^ Gillespie, D. T. (1993). "Kolísání a rozptyl v Brownově pohybu". American Journal of Physics. 61 (12): 1077–1083. Bibcode:1993AmJPh..61.1077G. doi:10.1119/1.17354.
- ^ Gillespie, D. T. (1996). „Matematika Brownova pohybu a Johnsonova hluku“. American Journal of Physics. 64 (3): 225–240. Bibcode:1996AmJPh..64..225G. doi:10.1119/1.18210.
- ^ Gillespie, D. T. (1996). „Přesná numerická simulace procesu Ornstein-Uhlenbeck a jeho integrálu“. Fyzický přehled E. 54 (2): 2084–2091. Bibcode:1996PhRvE..54.2084G. doi:10.1103 / PhysRevE.54.2084. PMID 9965289.
- ^ Gillespie, D. T. (1996). „Vícerozměrné Langevinovy a Fokker-Planckovy rovnice“. American Journal of Physics. 64 (10): 1246–1257. Bibcode:1996AmJPh..64,1246G. doi:10.1119/1.18387.
- ^ Gillespie, D. T. (1997). „Markovianovo modelování klasického tepelného šumu ve dvou indukčně vázaných drátových smyčkách“. Fyzický přehled E. 55 (3): 2588–2605. Bibcode:1997PhRvE..55.2588G. doi:10.1103 / PhysRevE.55.2588.
- ^ Gillespie, D. T. (1998). "Teorie elektrického šumu indukovaného v drátové smyčce tepelnými pohyby iontů v roztoku". Journal of Applied Physics. 83 (6): 3118–3128. Bibcode:1998JAP .... 83,3118G. doi:10.1063/1.367068.
- ^ Gillespie, D. T. (2000). „Matematické srovnání jednoduchých modelů Johnsonova šumu a hluku výstřelů“. Journal of Physics: Condensed Matter. 12 (18): 4195–4205. Bibcode:2000JPCM ... 12.4195G. doi:10.1088/0953-8984/12/18/305.
- ^ Gillespie, D. T. (1985). „Stochasticko-analytický přístup k výpočtu vícenásobně rozptýlených výnosů lidaru“. Journal of the Optical Society of America A. 2 (8): 1307. Bibcode:1985JOSAA ... 2.1307G. doi:10.1364 / JOSAA.2.001307.
- ^ Gillespie, D. T. (1990). "Výpočet jednotlivých rozptylových efektů v idealizovaném bistatickém lidaru". Journal of Modern Optics. 37 (10): 1603–1616. Bibcode:1990JMOp ... 37,1603G. doi:10.1080/09500349014551771.
- ^ Gillespie, D. T. (1986). "Neodstranitelnost jednoduchých souborových interpretací kvantové mechaniky". American Journal of Physics. 54 (10): 889. Bibcode:1986AmJPh..54..889G. doi:10.1119/1.14784.
- ^ Gillespie, D. T. (1989). „Je kvantová mechanika šílená?“. American Journal of Physics. 57 (12): 1065–1066. Bibcode:1989AmJPh..57.1065G. doi:10.1119/1.15790.
externí odkazy
- Ústav pro fyziku a technologii
- Jan V. Sengers
- UCSB Computational Science and Engineering Research Group
- „Šestnáct vyhrává vyznamenání NWC Fellows“ (PDF), NWC RocketeerCentrum námořních zbraní, China Lake, CA, XLVI (21), s. 1, 6. června 1991