Вычислительные методы в химии. Что такое вычислительная (компьютерная) химия. Лекция 1

С.В. Зеленцов. Вычислительные методы в химии
Лекция 1. Что такое вычислительная (компьютерная) химия
Слайд 1.2
Лектор: Зеленцов Сергей Васильевич
Доктор химических наук,
профессор кафедры физической химии ННГУ
E-mail: [e-mail]
Комната 304 НИИХ ННГУ (5 корп.)

С.В. Зеленцов. Вычислительные методы в химии
Лекция 1. Что такое вычислительная (компьютерная) химия
Слайд 1.3
Список рекомендованной литературы ко всему курсу лекций:
1. С.В. Зеленцов, Математические методы в химии. Учебно-методическое пособие. – Нижний Новгород,
Нижегородский госуниверситет, 2017. - 102с.
2. Jensen F. Introduction to computational chemistry. 2nd ed. – Chichester:John Wiley & Sons Ltd, 2007. – 599p.
3. Rogers D.W. Computational chemistry using the PC/ 3rd ed. – Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2003. –
349p.
4. Young D. C. Computational chemistry: A practical guide for applying techniques to real-world problems. – New York,
Chichester, Weinheim, Brisbane, Singapore,Toronto: John Wiley & Sons, Inc. 2001. – 408p.
5. Джонсон К. Численные методы в химии/ Пер. с англ. – М.: Мир, 1983. – 504с.
6. Батунер Л.М., Позин М.Е., Математические методы в химической технике. – Л.: Химия, 1971. – 824с.
7. Бунге М. Философия физики/ Пер. с англ. 2-е изд. – М.: Едиториал УРСС, 2003. – 320с.

С.В. Зеленцов. Вычислительные методы в химии
Лекция 1. Что такое вычислительная (компьютерная) химия
Слайд 1.4
Математическая (компьютерная) химия изучает химические явления с помощью математики.
Предметом исследования математики являются количественные отношения, характеризующие материальные и
идеальные объекты, а также их пространственную и временную протяженность.
Идеальные объекты, являющиеся отражениями количественных отношений, представляют собой
математические модели. Они бывают нескольких уровней. Чем больше абстрактность модели, тем более она
утрачивает связь с породившими ее количественными отношениями (отражает их менее подробно), но и к тем
большему числу однородных объектов она применима, и тем выше ее математический уровень. Наивысшей
абстрактностью обладают логические законы, применение которых характерно для всех математических моделей.
Основой для построения моделей и изучения их взаимосвязи с породившими их объективными количественными
отношениями служит понятие изоморфизма моделей и количественных отношений объектов и явлений.

С.В. Зеленцов. Вычислительные методы в химии
Лекция 1. Что такое вычислительная (компьютерная) химия
Слайд 1.5
Основой для построения моделей и изучения их взаимосвязи с породившими их объективными количественными отношениями служит понятие изоморфизма моделей и количественных отношений объектов и явлений.
Изоморфизм отражения приводит к тому, что пространственно-временные отношения между химическими объектами моделируемого объекта будут отражаться в пространственно-временных отношениях между объектами математической модели.
В большинстве случаев в молекуле в качестве ее составной части можно выделить атом и химическую связь,
причем атом и молекула соотносятся, как «часть и целое». В математических теориях в химии, описывающих
атомы и молекулы, обязательно наличие объектов, относящихся к атомам и молекулам, причем они также будут
соотноситься, как «часть и целое». В качестве примера можно назвать широко используемое в квантовой химии
утверждение о том, что волновую функцию молекулы можно представить в виде суммы волновых функций атомов.
Поскольку для решения химических задач чаще всего важны именно структурные и временные характеристики
молекул, составляющих их атомов и фрагментов из атомов, то изучение пространственных свойств при помощи
анализа вкладов, вносимых атомами, молекулами и их фрагментами, можно считать продуктивным и
фундаментальным методом исследования в химии.

С.В. Зеленцов. Вычислительные методы в химии
Лекция 1. Что такое вычислительная (компьютерная) химия
Слайд 1.6
Последние двадцать лет ознаменовались бурным развитием компьютеров и связанных с ними информационных технологий. Компьютерные методы стали или становятся инструментами исследования в науке. В наши дни применение компьютеров в химии стало одним из бурно развивающихся ее разделов. Иногда говорят о появлении нового раздела химической науки – химической информатики. Широкое применение компьютеров позволяет значительно ускорить развитие химии.
Причины появления вычислительной химии.
(1) Получение новой химической информации при помощи экспериментальных методов в химии становится все более сложным и дорогим. Одной из альтернатив служит проведение математического моделирования химических процессов.
(2) Характерной особенностью современного этапа развития химии является уход от изучения свойств веществ и химических реакций только одним методом. Применение нескольких методов одновременно необходимо для обеспечения системности научных исследований, увеличения степени достоверности их результатов. Вручную обработка разнородных экспериментальных данных весьма затруднительна и часто невозможна.

С.В. Зеленцов. Вычислительные методы в химии
Лекция 1. Что такое вычислительная (компьютерная) химия
Слайд 1.7
(3) Объекты современной химии в большинстве случаев являются короткоживущими частицами, присутствующими в реагирующих системах в незначительных количествах. В ходе химических реакций они быстро появляются и исчезают; часто их обнаружение является чрезвычайно сложным и непрямым.
(4) Некоторые химические эксперименты провести невозможно или нерационально. Математическое моделирование облегчает проведение таких объектов (астрономическая химия, взпывчатые вещества и химия взрыва), ядовитые вещества, … .
(5) Беспрецедентное развитие компьютеров в последние 20 лет привело к значительному увеличению их мощности и возможностей. Как сами компьютеры, так и вычислительное время стали достаточно дешевыми, а вычисления, которые они могут провести в ограниченный временной промежуток, становятся все более сложными и объемными. Это позволяет использовать для математического моделирования достаточно сложные модели и методы расчетов, что приводит к более надежным результатам

С.В. Зеленцов. Вычислительные методы в химии
Лекция 1. Что такое вычислительная (компьютерная) химия
Слайд 1.8
Условия успешного применения вычислительной (колпьютерной) химии:
Компьютерная химия может успешно использоваться тогда, когда математическая теория химического явления достаточно хорошо разработана, и ею можно "автоматически" пользоваться для решения разнообразных химических задач. Действительно, во многих разделах химии имеются задачи, для которых в настоящее время разработаны методы решения, и, применяя их к решению новых химических задач, можно получать новую химическую информацию.
В математическую и компьютерную химию часто включают также изучение информационных потоков в химии, получение необходимой информации за наименьшее время, представление информации в наиболее приемлемом для химика виде, создание баз данных и баз знаний. Информационная составляющая компьютерной химии приобретает все большее значение.
Другой составляющей компьютерной химии является разработка методов представления химических моделей средствами компьютерной графики.
Следующая составляющая – методологическая. При большом разнообразии математических методов и программных продуктов методологически правильный их выбор является непростой задачей.
И, наконец, нельзя не упомянуть о роли математической и компьютерной химии в образовании.

С.В. Зеленцов. Вычислительные методы в химии
Лекция 2. Линейная корреляция
Слайд 1.9
В результате эксперимента получаются наборы количественных величин. Одной из главных задач первичной математической обработки количественных экспериментальных данных является установление вида и надежности зависимостей между количественными величинами из разных наборов.
Примем, что изменение измеряемой величины в повторных измерениях является случайным событием. В этом случае для их обработки можно воспользоваться методами теории вероятности и математической статистики.
Часто результаты эксперимента выражают в виде зависимости между величиной x из одного набора экспериментальных данных и величиной yx из другого набора экспериментальных данных, причем номера величин x и yx в соответствующих наборах совпадают. Графическое изображение на плоскости пар (x,yx) с последующим соединением их отрезками прямых линий называют эмпирической линией регрессии у по х. По этой ломаной линии можно попытаться определить вид функциональной зависимости yx = f(x), около графика которой с наименьшими отклонениями группируются точки (x,yx). Такую линию называют теоретической линией регрессии или просто линией регрессии у по х. Зависимость yx = f(x), соответствующая линии регрессии, называется уравнением регрессии у по х, или, иначе говоря, корреляционной зависимостью между у и х. Поскольку значения и x, и yx являются результатами эксперимента, то регрессию можно определить не только величин для yx по x, но и xy по y, т.е. xy = j (y).

С.В. Зеленцов. Вычислительные методы в химии
Лекция 1. Что такое вычислительная (компьютерная) химия
Слайд 1.5