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 lies on a key idea that ionic concentrations as scalar implicit functions of the electrostatic potential, i.e, generalized Boltzmann distributions, are numerically available. The existence, uniqueness, boundness, and smoothness of such distributions 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, residual, 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:这项工作提出了一个快速迭接方法, 用于本地静态Poisson- Boltzmann (PB) 理论, 其中电静态潜力受Poisson的方程式和离子浓度的平衡条件制约。 为了展示该方法, 我们侧重于从一个 lattice- gas 模型中分离出来的本地静态 PB 理论。 拟议的方法在效率方面的好处在于一个关键理念, 即, 离子浓度作为电静态潜力( 即, 通用的 Boltzrmann 分布) 的卡路里隐含功能, 数量上是可以找到的。 这种分布的存在、 独特性、 约束性和平稳性由Poisson的等离子方方程式来调节。 牛顿递增方法, 与通用 PB 等离子分子的离子色化理论 相比, 显示离子离子电离子的解异性 Palentralental- 方法。

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