We study algorithmic applications of a natural discretization for the hard-sphere model and the Widom-Rowlinson model in a region $\mathbb{V}\subset\mathbb{R}^d$. These models are used in statistical physics to describe mixtures of one or multiple particle types subjected to hard-core interactions. For each type, particles follow a Poisson point process with a type specific activity parameter (fugacity). The Gibbs distribution is characterized by the mixture of these point processes conditioned that no two particles are closer than a type-dependent distance threshold. A key part in better understanding the Gibbs distribution is its normalizing constant, called partition function. We give sufficient conditions that the partition function of a discrete hard-core model on a geometric graph based on a point set $X \subset \mathbb{V}$ closely approximates those of such continuous models. Previously, this was only shown for the hard-sphere model on cubic regions $\mathbb{V}=[0, \ell)^d$ when $X$ is exponential in the volume of the region $\nu(\mathbb{V})$, limiting algorithmic applications. In the same setting, our refined analysis only requires a quadratic number of points, which we argue to be tight. We use our improved discretization results to approximate the partition functions of the hard-sphere model and the Widom-Rowlinson efficiently in $\nu(\mathbb{V})$. For the hard-sphere model, we obtain the first quasi-polynomial deterministic approximation algorithm for the entire fugacity regime for which, so far, only randomized approximations are known. Furthermore, we simplify a recently introduced fully polynomial randomized approximation algorithm. Similarly, we obtain the best known deterministic and randomized approximation bounds for the Widom-Rowlinson model. Moreover, we obtain approximate sampling algorithms for the respective spin systems within the same fugacity regimes.


翻译:我们研究对硬球模型和Widom-Rowlinson模型的自然离散应用。 这些模型在统计物理中用于描述受硬核心相互作用影响的一个或多个粒子类型的混合物。 对于每种类型, 粒子都遵循Poisson点进程, 并带有特定类型活动参数( 气态 ) 。 Gibs 分布的特征是, 这些点过程的混合条件是, 没有两个粒子接近于依赖型号的距离阈值。 更好地了解 Gibs分布的关键部分是正常化的常数, 称为分割函数。 我们给出了足够的条件, 一个离心的硬核模型的分区模型的分区功能, 以一个点设定 $X\ subbbbb{V} 美元, 接近于这种连续的模型。 之前, 这只显示在立方 $\ mathb{V_V_ 的硬面值 。 当基数在基数的模型量中, 需要我们精确化的精确化的模型 。

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