Οι πολλαπλές σε κοινά χρησιμοποιούμενα ατομικά δακτυλικά αποτυπώματα οδηγούν σε αποτυχία στις αλληλεπιδράσεις τεσσάρων σωμάτων μηχανικής μάθησης


Οι πολλαπλές σε κοινά χρησιμοποιούμενα ατομικά δακτυλικά αποτυπώματα οδηγούν σε αποτυχία στις αλληλεπιδράσεις τεσσάρων σωμάτων μηχανικής μάθησης

Στο Σχήμα 1, ο κεντρικός πίνακας δείχνει τροχιές μιας κίνησης περιστροφής και χωρίς μετάφραση του μορίου μεθανίου σε μια πολλαπλότητα σχεδόν σταθερού δακτυλικού αποτυπώματος SOAP. Τα μπλε σημεία στο δεξιό πλαίσιο δείχνουν τις αποστάσεις δακτυλικών αποτυπωμάτων για διαμορφώσεις σε αυτήν την πολλαπλή. Το γεγονός ότι είναι σχεδόν μηδενικά δείχνει ότι το δακτυλικό αποτύπωμα SOAP είναι σχεδόν σταθερό. Ένα εναλλακτικό δακτυλικό αποτύπωμα Overlap Matrix (OM) αναγνωρίζει ωστόσο τις δομικές διαφορές. Τα κόκκινα σημεία δείχνουν τις πολύ μεγαλύτερες αποστάσεις δακτυλικών αποτυπωμάτων SOAP για άλλες κινήσεις με μικρότερες ή παρόμοιες ατομικές μετατοπίσεις. Το αριστερό πλαίσιο δείχνει τις δυνατότητες μηχανικής εκμάθησης για μια στρεπτική ενέργεια. Οι γωνίες στρέψης αλλάζουν στην πολλαπλή, αλλά επειδή το δακτυλικό αποτύπωμα είναι σχεδόν σταθερό, οι ενέργειες στρέψης στην πολλαπλή είναι επίσης σχεδόν σταθερές (μπλε σημεία) και επομένως δεν καταγράφουν τη σωστή διακύμανση της ενέργειας στρέψης. Για τα σημεία εκτός της πολλαπλής, που φαίνονται με πράσινο/κίτρινο, η διακύμανση της στρεπτικής ενέργειας μπορεί ωστόσο να παρακολουθηθεί καλά. Πίστωση: @UniBasel Stefan Goedecker

Τα δακτυλικά αποτυπώματα ατομικού περιβάλλοντος ή δομικοί περιγραφείς χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν το χημικό περιβάλλον γύρω από ένα άτομο αναφοράς. Κωδικοποιώντας πληροφορίες όπως μήκη δεσμών σε γειτονικά άτομα ή αριθμούς συντονισμού, αυτά τα δακτυλικά αποτυπώματα χρησιμοποιούνται, για παράδειγμα, ως είσοδοι σε προσεγγίσεις μηχανικής μάθησης ή για εξάλειψη περιττών δομών σε δομικές αναζητήσεις


Για να εξυπηρετήσουν καλά τον σκοπό τους, τέτοια δακτυλικά αποτυπώματα θα πρέπει να είναι αμετάβλητα υπό ομοιόμορφες μεταφράσεις, περιστροφές και μετάθεση πανομοιότυπων μέσα στο σύστημα. Θα πρέπει επίσης να είναι μοναδικά με την έννοια ότι δύο περιβάλλοντα είναι απαραίτητα πανομοιότυπα εάν τα δακτυλικά τους αποτυπώματα είναι πανομοιότυπα. Εάν δεν συμβαίνει αυτό, σε δύο διαφορετικές μη εκφυλισμένες δομές θα εκχωρηθεί η ίδια ενέργεια σε οποιοδήποτε σχήμα μηχανικής μάθησης που χρησιμοποιεί ένα τέτοιο δακτυλικό αποτύπωμα ως είσοδο. Αριθμητικά, και για χρήση σε σχήματα ML, η διαφορά στο δακτυλικό αποτύπωμα μεταξύ δύο ατόμων πρέπει να συσχετίζεται με την ποσότητα της ανομοιότητας μεταξύ των περιβαλλόντων: δύο δομές των οποίων η διαφορά δακτυλικών αποτυπωμάτων είναι πολύ μικρή θα πρέπει να είναι πολύ παρόμοιες.

Στην εργασία “Πολλαπλοί οιονεί σταθεροί δακτυλικοί αποτυπώματα SOAP και ACSF και η προκύπτουσα αποτυχία στη μηχανική εκμάθηση τεσσάρων αλληλεπιδράσεων σώματος”, που δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο The Journal of Chemical Physics, οι ερευνητές Stefan Goedecker και Behnam Parsaeifard από το Πανεπιστήμιο της Βασιλείας έδειξαν ότι αυτές οι συνθήκες δεν πληρούνται πάντα σε δύο κοινά χρησιμοποιούμενα δακτυλικά αποτυπώματα, τις λεγόμενες συναρτήσεις συμμετρίας με επίκεντρο το άτομο (ACSF) και την ομαλή επικάλυψη ατομικών θέσεων (SOAP).

Το ACSF και το SOAP είναι δύο δακτυλικά αποτυπώματα που χρησιμοποιούνται συνήθως στη μηχανική εκμάθηση της δυνητικής ενεργειακής επιφάνειας. Τα ACSF αποτελούνται από συναρτήσεις ακτινικής συμμετρίας που είναι αθροίσματα όρων δύο σωμάτων και περιγράφουν την ακτινική ενός ατόμου και συναρτήσεις γωνιακής συμμετρίας που περιέχουν το άθροισμα όρων τριών σωμάτων και περιγράφουν το γωνιακό περιβάλλον ενός ατόμου.

Στο δακτυλικό αποτύπωμα SOAP, ένα Gaussian είναι κεντραρισμένο σε κάθε άτομο σε απόσταση αποκοπής γύρω από το άτομο αναφοράς. Η προκύπτουσα πυκνότητα των ατόμων πολλαπλασιασμένη με μια συνάρτηση αποκοπής, η οποία πηγαίνει ομαλά στο μηδέν σε μια ακτίνα αποκοπής σε κάποιο χαρακτηριστικό πλάτος, επεκτείνεται στη συνέχεια ως προς τις ορθογώνιες ακτινικές συναρτήσεις και τις σφαιρικές αρμονικές.

Στη μελέτη, οι ερευνητές εισήγαγαν μια μήτρα ευαισθησίας για τη μελέτη της συμπεριφοράς των ατομικών δακτυλικών αποτυπωμάτων κάτω από απειροελάχιστες αλλαγές στις ατομικές συντεταγμένες. Στη συνέχεια εφάρμοσαν το πλαίσιο σε τρεις , H2O, NH3 και CH4, για να μελετηθούν, αντίστοιχα, σενάρια όπου ένα κεντρικό άτομο έχει περιβάλλοντα που περιέχουν 2, 3 ή 4 γειτονικά άτομα.

Η έρευνά τους αποκάλυψε ότι τα δακτυλικά αποτυπώματα SOAP και ACSF δεν είναι ευαίσθητα σε ορισμένες κινήσεις, πράγμα που σημαίνει ότι οι ερευνητές μπόρεσαν να κατασκευάσουν πολλαπλές οιονεί σταθερές δαχτυλικές αποτυπώσεις, δηλαδή δακτυλικά αποτυπώματα με παραλλαγές τόσο μικρές που συμπεριφέρονται αριθμητικά σαν σταθερά δακτυλικά αποτυπώματα, για τα NH3 και CH4. Αυτό οδηγεί στο ότι τα δακτυλικά αποτυπώματα θεωρούν ότι οι διαφορετικές διαμορφώσεις με διαφορετικές στρεπτικές ενέργειες είναι σχεδόν πανομοιότυπες, αποτρέποντας, με τη σειρά της, τη μηχανική εκμάθηση αυτών των στρεπτικών ενεργειών. Οι στρεπτικές ενέργειες αυτής της τάξης είναι υπεύθυνες για την αναδίπλωση των πρωτεϊνών και άλλων βιομορίων και ως εκ τούτου αυτές οι αλληλεπιδράσεις τεσσάρων σωμάτων θεωρούνται ουσιαστικό μέρος σε όλα τα κλασικά πεδία δύναμης. Οι περιορισμοί αυτών σημαίνει ότι μπορούν να αναπαραχθούν μόνο με περιορισμένη ακρίβεια σε οποιοδήποτε σχήμα ML που τα χρησιμοποιεί. Σε αντίθεση με την ευρέως διαδεδομένη πεποίθηση, το δακτυλικό αποτύπωμα SOAP δεν ήταν καλύτερο από το ACSF στην επίλυση τέτοιων όρων τεσσάρων σωμάτων, είπαν οι ερευνητές.

Οι επιστήμονες δεν μπόρεσαν να βρουν καμία τέτοια πολλαπλότητα για κανένα από τα μόρια ή τις διαμορφώσεις που μελετήθηκαν με τη λεγόμενη προσέγγιση δακτυλικών αποτυπωμάτων Overlap Matrix (OM). Αυτό το δακτυλικό αποτύπωμα, που βασίζεται σε μια διαγωνοποίηση στην οποία ένα ελάχιστο βασικό σύνολο τροχιακών Gauss τοποθετείται σε όλα τα άτομα εντός μιας ακτίνας αποκοπής πριν υπολογιστεί ο πίνακας επικάλυψης μεταξύ όλων των τροχιακών, αναγνωρίζει πάντα δομικές διαφορές, είπαν, καθιστώντας το μια ελκυστική επιλογή για επίλυση δομικές διαφορές με υψηλή πιστότητα καθώς και για χρήση σε διάφορες άλλες εφαρμογές.


Τα δακτυλικά αποτυπώματα ενισχύουν την αίσθηση της αφής μας


Περισσότερες πληροφορίες:
Behnam Parsaeifard et al, Πολλαπλές δαχτυλικών αποτυπωμάτων quasi-constant SOAP και ACSF και η προκύπτουσα αποτυχία στη μηχανική εκμάθηση τεσσάρων αλληλεπιδράσεων σώματος, The Journal of Chemical Physics (2021). DOI: 10.1063/5.0070488

Παρέχεται από το Εθνικό Κέντρο Ικανότητας στην Έρευνα (NCCR) MARVEL

Παραπομπή: Οι πολλαπλές σε κοινά χρησιμοποιούμενα ατομικά δακτυλικά αποτυπώματα οδηγούν σε αποτυχία στις αλληλεπιδράσεις τεσσάρων σωμάτων μηχανικής μάθησης (2022, 10 Ιανουαρίου) που ανακτήθηκε στις 11 Ιανουαρίου 2022 από τη https://phys.org/news/2022-01-manifolds-commonly-atomic-fingerprints -failure.html

Αυτό το έγγραφο υπόκειται σε πνευματικά δικαιώματα. Εκτός από κάθε δίκαιη συναλλαγή για σκοπούς ιδιωτικής μελέτης ή έρευνας, κανένα μέρος δεν επιτρέπεται να αναπαραχθεί χωρίς τη γραπτή άδεια. Το περιεχόμενο παρέχεται μόνο για ενημερωτικούς σκοπούς.



Source link

By koutsobolis

koutsobolis.com

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *