Electrostatic interactions in solvents play a major role in biophysical systems. There is a consensus in the literature that the dielectric response of aqueous solutions is nonlocal: polarization depends on the electric field not only at a given point but in the vicinity of that point as well. This is typically modeled via a convolution of the electric field with an appropriate integral kernel. A primary problem with nonlocal models is high computational cost. A secondary problem is restriction of convolution integrals to the solvent, as opposed to their evaluation over the whole space. The paper develops a computational tool alleviating the "curse of nonlocality" and helping to handle the integration correctly. This tool is Trefftz approximations, which tend to furnish much higher accuracy than traditional polynomial ones. In the paper, Trefftz approximations are developed for problems of nonlocal electrostatics, with the goal of numerically "localizing" the original nonlocal problem. This approach can be extended to nonlocal problems in other areas of computational mathematics, physics and engineering.


翻译:溶剂中的静电相互作用在生物物理系统中起着重要作用。文献中有一项共识,即水溶液的电离反应是非局部性的:两极分化不仅取决于电场,而且取决于电场的附近。这通常通过电场的组合和适当的整体内核来建模。非本地模型的主要问题是高计算成本。次要问题是溶剂的分解构件受限制,而不是对整个空间的评估。本文开发了一个计算工具来减轻“非局部性的诅咒”并帮助正确处理集成。这个工具是Trefftz近似,其精度往往远高于传统的多分子。在论文中,Trefftz近似是针对非本地电动问题而开发的,目标是将原非本地问题数字化为本地化。这个方法可以扩大到计算数学、物理和工程等其他领域的非本地问题。

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