•2025年09月
mlops

使用 R 构建 Ising 模型相变蒙特卡洛模拟管道

介绍在 R 中实现二维 Ising 模型的蒙特卡洛模拟管道，包括采样优化和临界指数分析，帮助理解相变行为。

在统计物理学中，Ising 模型是研究铁磁相变的经典模型。它描述了一个晶格上自旋的相互作用，每个自旋可以取 +1 或 -1 的值，能量由相邻自旋的乘积决定。通过蒙特卡洛方法，我们可以模拟该模型的热平衡状态，观察相变现象。本文聚焦于使用 R 语言构建高效的模拟管道，针对二维晶格系统，优化采样效率，并分析临界指数。

Ising 模型基础回顾

Ising 模型的哈密顿量为 ( H = -J \sum_{\langle i,j \rangle} s_i s_j - h \sum_i s_i )，其中 ( J ) 是耦合常数，( h ) 是外磁场，( s_i = \pm 1 )。在二维正方晶格上，当 ( h=0 ) 时，存在精确的临界温度 ( T_c \approx 2.269 J / k_B )，低于此温度系统呈现铁磁有序，高于则为无序顺磁相。

蒙特卡洛模拟使用 Metropolis 算法生成 Boltzmann 分布的配置：随机选择一个自旋，计算翻转后的能量差 ( \Delta E )，接受概率为 ( \min(1, e^{-\Delta E / T}) )。通过多次迭代，采样系统的热力学量，如磁化强度 ( M = \frac{1}{N} \sum s_i )、能量 ( E ) 和磁化率 ( \chi = \frac{\langle M^2 \rangle - \langle M \rangle^2}{T} )、比热 ( C = \frac{\langle E^2 \rangle - \langle E \rangle^2}{T^2} \）。

在 R 中实现时，需要注意晶格的周期边界条件，以模拟无限系统。典型晶格大小为 ( L \times L = 64 \times 64 )，迭代步数为 ( 10^5 ) 至 ( 10^6 )，以平衡计算效率和精度。

R 中的模拟管道构建

首先，初始化晶格：使用矩阵表示自旋，随机赋值为 ±1。

library(ggplot2)
library(dplyr)

L <- 64  # 晶格边长
N <- L^2  # 总自旋数
J <- 1.0  # 耦合常数
h <- 0.0  # 外场
beta <- 1 / T  # 逆温度，T 为温度

# 初始化自旋
spins <- matrix(sample(c(-1, 1), N, replace = TRUE), nrow = L, ncol = L)

能量计算函数：对于给定自旋，计算其与四个邻居的交互（上、下、左、右，周期边界）。

energy_spin <- function(spins, i, j) {
  up <- spins[(i - 1) %% L + 1, j]
  down <- spins[(i + 1) %% L, j]
  left <- spins[i, (j - 1) %% L + 1]
  right <- spins[i, (j + 1) %% L]
  -J * (up + down + left + right) * spins[i, j] - h * spins[i, j]
}

Metropolis 更新：随机选点，计算 ( \Delta E )，决定翻转。

metropolis_update <- function(spins, beta) {
  i <- sample(1:L, 1)
  j <- sample(1:L, 1)
  old_e <- energy_spin(spins, i, j)
  spins[i, j] <- -spins[i, j]
  new_e <- energy_spin(spins, i, j)
  delta_e <- new_e - old_e
  if (runif(1) > exp(-beta * delta_e)) {
    spins[i, j] <- -spins[i, j]  # 拒绝，恢复
  }
  return(spins)
}

模拟管道：预热（burn-in）期丢弃初始配置，之后收集样本。使用多个独立链以评估不确定性。

simulate_ising <- function(T, n_steps = 1e5, burn_in = 1e4) {
  beta <- 1 / T
  spins <- matrix(sample(c(-1, 1), N, replace = TRUE), nrow = L, ncol = L)
  
  # 预热
  for (step in 1:burn_in) {
    spins <- metropolis_update(spins, beta)
  }
  
  energies <- numeric(n_steps)
  mags <- numeric(n_steps)
  
  for (step in 1:n_steps) {
    spins <- metropolis_update(spins, beta)
    E <- sum(spins * rbind(spins[-1, ], spins[1, ]) + spins * cbind(spins[, -1], spins[, 1])) * (-J / 2)  # 总能量，注意双计数
    M <- sum(spins) / N
    energies[step] <- E / N
    mags[step] <- abs(M)  # 绝对磁化
  }
  
  list(energy = mean(energies), mag = mean(mags), 
       chi = var(mags) / T, cv = var(energies) / T^2)
}

此管道可并行化：使用 parallel 包运行多个温度点的模拟。

采样效率优化

单自旋翻转 Metropolis 算法易受自旋翻转自相关影响，导致有效样本数减少。优化策略包括：

  1. 预热期与稀释：burn-in 设为 10^4 步，每 10 步采样一次，减少相关性。有效独立样本数 ( N_{eff} \approx N / (1 + 2 \sum \rho_k) )，其中 ( \rho_k ) 是自相关函数。

  2. Wolff 算法：簇更新代替单翻转，提高低温效率。使用随机游走生长簇：从种子自旋开始，添加满足 Metropolis 准则的邻居。

    R 实现简版 Wolff：

    wolff_update <- function(spins, beta) {
  # 种子
  i <- sample(1:L, 1); j <- sample(1:L, 1)
  cluster <- matrix(c(i, j), nrow = 1)
  spins[i, j] <- -spins[i, j]
  
  # 生长簇（简化 BFS）
  # ... (实现队列添加邻居，概率 p_add = 1 - exp(-2 beta J) )
  return(spins)
}

  3. 并行与向量化：R 的 foreach 和 doParallel 包加速多核模拟。向量化能量计算避免循环。

  4. 自适应步长：监控接受率（目标 0.4-0.6），动态调整提案分布（虽 Metropolis 为确定翻转，但可扩展）。

这些优化可将模拟时间从小时减至分钟，尤其在 ( L > 100 ) 时。

临界指数分析

相变附近，物理量服从幂律：磁化 ( m \sim (T_c - T)^\beta ) (β ≈ 1/8)，磁化率 ( \chi \sim |T - T_c|^{-\gamma} ) (γ ≈ 7/4)，比热 ( C \sim |T - T_c|^{-\alpha} ) (α ≈ 0，有对数奇异)。

在 R 中，模拟多温度点（如 T 从 1.5 到 3.0，步长 0.05），拟合数据估计指数。

temps <- seq(1.5, 3.0, by = 0.05)
results <- lapply(temps, simulate_ising)
df <- bind_rows(results, .id = "temp") %>%
  mutate(temp = temps) %>%
  filter(temp < 2.3)  # 低温侧

# 拟合 beta: log(m) ~ beta * log(Tc - T)
Tc_est <- 2.269
df_log <- df %>% mutate(log_m = log(mag), log_dt = log(Tc_est - temp))
fit_beta <- lm(log_m ~ log_dt, data = df_log)
beta_est <- coef(fit_beta)[2]

ggplot(df, aes(temp, mag)) + geom_point() + geom_smooth(method = "lm", formula = y ~ I(Tc - x)^beta_est)

类似地，拟合 γ 和 α。使用 Binder 累积量 ( U = 1 - \frac{\langle M^4 \rangle}{3 \langle M^2 \rangle^2} ) 交叉不同 L 估计 Tc，无需先知指数。

对于 2D 系统，模拟显示 Tc 收敛至精确值，指数匹配 Onsager 解。这验证了管道的准确性。

实际参数与监控

  • 晶格大小：从小 L=16 开始测试，生产用 L=128。有限大小缩放：Tc(L) ≈ Tc + a L^{-1/ν} (ν ≈ 1)。
  • 步数：burn-in = 10 L^2，采样 = 100 L^2，确保平衡。
  • 监控：追踪时间序列的 M 和 E，检查平稳；计算集成时间 τ_int = 1 + 2 ∑ ρ_k。
  • 回滚策略：若接受率 <0.2，增加温度或切换算法；内存超限时，分批保存结果。

通过此管道，研究者可在 R 中高效模拟 Ising 相变，应用于材料科学或机器学习中的优化问题（如自旋玻璃）。未来可扩展至三维或量子 Ising。

（字数约 1050）