This work proposes a fast iterative method for local steric Poisson--Boltzmann (PB) theories, in which the electrostatic potential is governed by the Poisson's equation and ionic concentrations satisfy equilibrium conditions. To present the method, we focus on a local steric PB theory derived from a lattice-gas model, as an example. The advantages of the proposed method in efficiency are achieved by treating ionic concentrations as scalar implicit functions of the electrostatic potential, though such functions are only numerically achievable. The existence, uniqueness, boundness, and smoothness of such functions are rigorously established. A Newton iteration method with truncation is proposed to solve a nonlinear system discretized from the generalized PB equations. The existence and uniqueness of the solution to the discretized nonlinear system are established by showing that it is a unique minimizer of a constructed convex energy. Thanks to the boundness of ionic concentrations, truncation bounds for the potential are obtained by using the extremum principle. The truncation step in iterations is shown to be energy and error decreasing. To further speed-up computations, we propose a novel precomputing-interpolation strategy, which is applicable to other local steric PB theories and makes the proposed methods for solving steric PB theories as efficient as for solving the classical PB theory. Analysis on the Newton iteration method with truncation shows local quadratic convergence for the proposed numerical methods. Applications to realistic biomolecular solvation systems reveal that counterions with steric hindrance stratify in an order prescribed by the parameter of ionic valence-to-volume ratio. Finally, we remark that the proposed iterative methods for local steric PB theories can be readily incorporated in well-known classical PB solvers.


翻译:本文提出了一种快速迭代方法来解决局部受限斯特林泊松-玻尔兹曼(PB)理论,其中静电势受泊松方程控制,离子浓度满足平衡条件。为了展示该方法,我们以一个晶格气模型导出的局部受限PB理论为例。该方法的效率优势通过将离子浓度视为隐式函数的标量形式来实现,尽管这样的函数只能通过数值实现。本文严格证明了这样的函数的存在性、唯一性、有界性和平滑性。由广义PB方程离散得到的非线性方程组的解的存在性和唯一性是通过证明其是构造的凸能量的唯一极小值来建立的。由于离子浓度的有限制性,可以通过利用极值原理获得电势的截断界限。迭代中的截断步骤被证明是能量和误差减少的。为了进一步加快计算速度,我们提出了一种新颖的预计算插值策略,它适用于其他局部受限PB理论,并使用于解决PB理论的建议方法与解决经典PB理论一样有效。对带有限制的Nonlocal Steric PB方程组的Newton迭代方法的分析显示,该方法具有局部二次收敛性。在现实生物分子溶解系统的应用中,障碍的离子以离子价/体积比的参数指定的顺序分层。最后,我们指出,局部受限PB理论的所提出的迭代方法可以轻松地融入已知的经典PB求解器中。

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