src/gromacs/gmxana/gmx_dielectric.c

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
   5  * Copyright (c) 2001-2004, The GROMACS development team.
   6  * Copyright (c) 2013,2014,2015, by the GROMACS development team, led by
   7  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   8  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   9  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
  10  *
  11  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  12  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  13  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  14  * of the License, or (at your option) any later version.
  15  *
  16  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  17  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  18  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  19  * Lesser General Public License for more details.
  20  *
  21  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  22  * License along with GROMACS; if not, see
  23  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  24  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  25  *
  26  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  27  * consider that scientific software is very special. Version
  28  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  29  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  30  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  31  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  32  * official version at http://www.gromacs.org.
  33  *
  34  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  35  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  36  */
  37 #include "gmxpre.h"
  38
  39 #include <math.h>
  40 #include <stdio.h>
  41 #include <stdlib.h>
  42 #include <string.h>
  43
  44 #include "gromacs/correlationfunctions/expfit.h"
  45 #include "gromacs/correlationfunctions/integrate.h"
  46 #include "gromacs/fft/fft.h"
  47 #include "gromacs/fileio/xvgr.h"
  48 #include "gromacs/gmxana/gmx_ana.h"
  49 #include "gromacs/gmxana/gstat.h"
  50 #include "gromacs/legacyheaders/copyrite.h"
  51 #include "gromacs/legacyheaders/macros.h"
  52 #include "gromacs/legacyheaders/typedefs.h"
  53 #include "gromacs/legacyheaders/viewit.h"
  54 #include "gromacs/math/gmxcomplex.h"
  55 #include "gromacs/math/utilities.h"
  56 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
  57 #include "gromacs/utility/futil.h"
  58 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  59 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
  60 #include "gromacs/math/gmxcomplex.h"
  61 #include "gromacs/math/utilities.h"
  62 #include "gmx_ana.h"
  63
  64 /* Determines at which point in the array the fit should start */
  65 int calc_nbegin(int nx, real x[], real tbegin)
  66 {
  67     int  nbegin;
  68     real dt, dtt;
  69
  70     /* Assume input x is sorted */
  71     for (nbegin = 0; (nbegin < nx) && (x[nbegin] <= tbegin); nbegin++)
  72     {
  73         ;
  74     }
  75     if ((nbegin == nx) || (nbegin == 0))
  76     {
  77         gmx_fatal(FARGS, "Begin time %f not in x-domain [%f through %f]\n",
  78                   tbegin, x[0], x[nx-1]);
  79     }
  80
  81     /* Take the one closest to tbegin */
  82     if (fabs(x[nbegin]-tbegin) > fabs(x[nbegin-1]-tbegin))
  83     {
  84         nbegin--;
  85     }
  86
  87     printf("nbegin = %d, x[nbegin] = %g, tbegin = %g\n",
  88            nbegin, x[nbegin], tbegin);
  89
  90     return nbegin;
  91 }
  92
  93 real numerical_deriv(int nx, real x[], real y[], real fity[], real combined[], real dy[],
  94                      real tendInt, int nsmooth)
  95 {
  96     FILE *tmpfp;
  97     int   i, nbegin, i0, i1;
  98     real  fac, fx, fy, integralSmth;
  99
 100     nbegin = calc_nbegin(nx, x, tendInt);
 101     if (nsmooth == 0)
 102     {
 103         for (i = 0; (i < nbegin); i++)
 104         {
 105             combined[i] = y[i];
 106         }
 107         fac = y[nbegin]/fity[nbegin];
 108         printf("scaling fitted curve by %g\n", fac);
 109         for (i = nbegin; (i < nx); i++)
 110         {
 111             combined[i] = fity[i]*fac;
 112         }
 113     }
 114     else
 115     {
 116         i0 = max(0, nbegin);
 117         i1 = min(nx-1, nbegin+nsmooth);
 118         printf("Making smooth transition from %d through %d\n", i0, i1);
 119         for (i = 0; (i < i0); i++)
 120         {
 121             combined[i] = y[i];
 122         }
 123         for (i = i0; (i <= i1); i++)
 124         {
 125             fx = (i1-i)/(real)(i1-i0);
 126             fy = (i-i0)/(real)(i1-i0);
 127             if (debug)
 128             {
 129                 fprintf(debug, "x: %g factors for smoothing: %10g %10g\n", x[i], fx, fy);
 130             }
 131             combined[i] = fx*y[i] + fy*fity[i];
 132         }
 133         for (i = i1+1; (i < nx); i++)
 134         {
 135             combined[i] = fity[i];
 136         }
 137     }
 138
 139     tmpfp        = gmx_ffopen("integral_smth.xvg", "w");
 140     integralSmth = print_and_integrate(tmpfp, nx, x[1]-x[0], combined, NULL, 1);
 141     printf("SMOOTH integral = %10.5e\n", integralSmth);
 142
 143     dy[0] = (combined[1]-combined[0])/(x[1]-x[0]);
 144     for (i = 1; (i < nx-1); i++)
 145     {
 146         dy[i] = (combined[i+1]-combined[i-1])/(x[i+1]-x[i-1]);
 147     }
 148     dy[nx-1] = (combined[nx-1]-combined[nx-2])/(x[nx-1]-x[nx-2]);
 149
 150     for (i = 0; (i < nx); i++)
 151     {
 152         dy[i] *= -1;
 153     }
 154
 155     return integralSmth;
 156 }
 157
 158 void do_four(const char *fn, const char *cn, int nx, real x[], real dy[],
 159              real eps0, real epsRF, const output_env_t oenv)
 160 {
 161     FILE      *fp, *cp;
 162     t_complex *tmp, gw, hw, kw;
 163     int        i, nnx, nxsav;
 164     real       fac, nu, dt, *ptr, maxeps, numax;
 165     gmx_fft_t  fft;
 166     int        fftcode;
 167
 168     nxsav = nx;
 169     /*while ((dy[nx-1] == 0.0) && (nx > 0))
 170        nx--;*/
 171     if (nx == 0)
 172     {
 173         gmx_fatal(FARGS, "Empty dataset in %s, line %d!", __FILE__, __LINE__);
 174     }
 175
 176     nnx = 1;
 177     while (nnx < 2*nx)
 178     {
 179         nnx *= 2;
 180     }
 181
 182     snew(tmp, 2*nnx);
 183     printf("Doing FFT of %d points\n", nnx);
 184     for (i = 0; (i < nx); i++)
 185     {
 186         tmp[i].re = dy[i];
 187     }
 188     if ((fftcode = gmx_fft_init_1d_real(&fft, nnx,
 189                                         GMX_FFT_FLAG_NONE)) != 0)
 190     {
 191         gmx_fatal(FARGS, "gmx_fft_init_1d_real returned %d", fftcode);
 192     }
 193     if ((fftcode = gmx_fft_1d_real(fft, GMX_FFT_COMPLEX_TO_REAL,
 194                                    (void *)tmp, (void *)tmp)) != 0)
 195     {
 196         gmx_fatal(FARGS, "gmx_fft_1d_real returned %d", fftcode);
 197     }
 198     gmx_fft_destroy(fft);
 199     dt = x[1]-x[0];
 200     if (epsRF == 0)
 201     {
 202         fac = (eps0-1)/tmp[0].re;
 203     }
 204     else
 205     {
 206         fac = ((eps0-1)/(2*epsRF+eps0))/tmp[0].re;
 207     }
 208     fp     = xvgropen(fn, "Epsilon(\\8w\\4)", "Freq. (GHz)", "eps", oenv);
 209     cp     = xvgropen(cn, "Cole-Cole plot", "Eps'", "Eps''", oenv);
 210     maxeps = 0;
 211     numax  = 0;
 212     for (i = 0; (i < nxsav); i++)
 213     {
 214         if (epsRF == 0)
 215         {
 216             kw.re = 1+fac*tmp[i].re;
 217             kw.im = 1+fac*tmp[i].im;
 218         }
 219         else
 220         {
 221             gw     = rcmul(fac, tmp[i]);
 222             hw     = rcmul(2*epsRF, gw);
 223             hw.re += 1.0;
 224             gw.re  = 1.0 - gw.re;
 225             gw.im  = -gw.im;
 226             kw     = cdiv(hw, gw);
 227         }
 228         kw.im *= -1;
 229
 230         nu     = (i+1)*1000.0/(nnx*dt);
 231         if (kw.im > maxeps)
 232         {
 233             maxeps = kw.im;
 234             numax  = nu;
 235         }
 236
 237         fprintf(fp, "%10.5e  %10.5e  %10.5e\n", nu, kw.re, kw.im);
 238         fprintf(cp, "%10.5e  %10.5e\n", kw.re, kw.im);
 239     }
 240     printf("MAXEPS = %10.5e at frequency %10.5e GHz (tauD = %8.1f ps)\n",
 241            maxeps, numax, 1000/(2*M_PI*numax));
 242     xvgrclose(fp);
 243     xvgrclose(cp);
 244     sfree(tmp);
 245 }
 246
 247 int gmx_dielectric(int argc, char *argv[])
 248 {
 249     const char  *desc[] = {
 250         "[THISMODULE] calculates frequency dependent dielectric constants",
 251         "from the autocorrelation function of the total dipole moment in",
 252         "your simulation. This ACF can be generated by [gmx-dipoles].",
 253         "The functional forms of the available functions are:[PAR]",
 254         "One parameter:    y = [EXP]-a[SUB]1[sub] x[exp],[BR]",
 255         "Two parameters:   y = a[SUB]2[sub] [EXP]-a[SUB]1[sub] x[exp],[BR]",
 256         "Three parameters: y = a[SUB]2[sub] [EXP]-a[SUB]1[sub] x[exp] + (1 - a[SUB]2[sub]) [EXP]-a[SUB]3[sub] x[exp].[BR]",
 257         "Start values for the fit procedure can be given on the command line.",
 258         "It is also possible to fix parameters at their start value, use [TT]-fix[tt]",
 259         "with the number of the parameter you want to fix.",
 260         "[PAR]",
 261         "Three output files are generated, the first contains the ACF,",
 262         "an exponential fit to it with 1, 2 or 3 parameters, and the",
 263         "numerical derivative of the combination data/fit.",
 264         "The second file contains the real and imaginary parts of the",
 265         "frequency-dependent dielectric constant, the last gives a plot",
 266         "known as the Cole-Cole plot, in which the imaginary",
 267         "component is plotted as a function of the real component.",
 268         "For a pure exponential relaxation (Debye relaxation) the latter",
 269         "plot should be one half of a circle."
 270     };
 271     t_filenm     fnm[] = {
 272         { efXVG, "-f", "dipcorr", ffREAD  },
 273         { efXVG, "-d", "deriv",  ffWRITE },
 274         { efXVG, "-o", "epsw",   ffWRITE },
 275         { efXVG, "-c", "cole",   ffWRITE }
 276     };
 277 #define NFILE asize(fnm)
 278     output_env_t oenv;
 279     int          i, j, nx, ny, nxtail, eFitFn, nfitparm;
 280     real         dt, integral, fitintegral, fac, rffac;
 281     double      *fitparms;
 282     double     **yd;
 283     real       **y;
 284     const char  *legend[] = { "Correlation", "Std. Dev.", "Fit", "Combined", "Derivative" };
 285     static int   fix      = 0, bX = 1, nsmooth = 3;
 286     static real  tendInt  = 5.0, tbegin = 5.0, tend = 500.0;
 287     static real  A        = 0.5, tau1 = 10.0, tau2 = 1.0, eps0 = 80, epsRF = 78.5, tail = 500.0;
 288     real         lambda;
 289     t_pargs      pa[] = {
 290         { "-x1",  FALSE, etBOOL, {&bX},
 291           "use first column as [IT]x[it]-axis rather than first data set" },
 292         { "-eint", FALSE, etREAL, {&tendInt},
 293           "Time to end the integration of the data and start to use the fit"},
 294         { "-bfit", FALSE, etREAL, {&tbegin},
 295           "Begin time of fit" },
 296         { "-efit", FALSE, etREAL, {&tend},
 297           "End time of fit" },
 298         { "-tail", FALSE, etREAL, {&tail},
 299           "Length of function including data and tail from fit" },
 300         { "-A", FALSE, etREAL, {&A},
 301           "Start value for fit parameter A" },
 302         { "-tau1", FALSE, etREAL, {&tau1},
 303           "Start value for fit parameter [GRK]tau[grk]1" },
 304         { "-tau2", FALSE, etREAL, {&tau2},
 305           "Start value for fit parameter [GRK]tau[grk]2" },
 306         { "-eps0", FALSE, etREAL, {&eps0},
 307           "[GRK]epsilon[grk]0 of your liquid" },
 308         { "-epsRF", FALSE, etREAL, {&epsRF},
 309           "[GRK]epsilon[grk] of the reaction field used in your simulation. A value of 0 means infinity." },
 310         { "-fix", FALSE, etINT,  {&fix},
 311           "Fix parameters at their start values, A (2), tau1 (1), or tau2 (4)" },
 312         { "-ffn",    FALSE, etENUM, {s_ffn},
 313           "Fit function" },
 314         { "-nsmooth", FALSE, etINT, {&nsmooth},
 315           "Number of points for smoothing" }
 316     };
 317
 318     if (!parse_common_args(&argc, argv, PCA_CAN_TIME | PCA_CAN_VIEW,
 319                            NFILE, fnm, asize(pa), pa, asize(desc), desc, 0, NULL, &oenv))
 320     {
 321         return 0;
 322     }
 323     please_cite(stdout, "Spoel98a");
 324     printf("WARNING: non-polarizable models can never yield an infinite\n"
 325            "dielectric constant that is different from 1. This is incorrect\n"
 326            "in the reference given above (Spoel98a).\n\n");
 327
 328
 329     nx     = read_xvg(opt2fn("-f", NFILE, fnm), &yd, &ny);
 330     dt     = yd[0][1] - yd[0][0];
 331     nxtail = min(tail/dt, nx);
 332
 333     printf("Read data set containing %d colums and %d rows\n", ny, nx);
 334     printf("Assuming (from data) that timestep is %g, nxtail = %d\n",
 335            dt, nxtail);
 336     snew(y, 6);
 337     for (i = 0; (i < ny); i++)
 338     {
 339         snew(y[i], max(nx, nxtail));
 340     }
 341     for (i = 0; (i < nx); i++)
 342     {
 343         y[0][i] = yd[0][i];
 344         for (j = 1; (j < ny); j++)
 345         {
 346             y[j][i] = yd[j][i];
 347         }
 348     }
 349     if (nxtail > nx)
 350     {
 351         for (i = nx; (i < nxtail); i++)
 352         {
 353             y[0][i] = dt*i+y[0][0];
 354             for (j = 1; (j < ny); j++)
 355             {
 356                 y[j][i] = 0.0;
 357             }
 358         }
 359         nx = nxtail;
 360     }
 361
 362
 363     /* We have read a file WITHOUT standard deviations, so we make our own... */
 364     if (ny == 2)
 365     {
 366         printf("Creating standard deviation numbers ...\n");
 367         srenew(y, 3);
 368         snew(y[2], nx);
 369
 370         fac = 1.0/((real)nx);
 371         for (i = 0; (i < nx); i++)
 372         {
 373             y[2][i] = fac;
 374         }
 375     }
 376
 377     eFitFn   = sffn2effn(s_ffn);
 378     nfitparm = effnNparams(eFitFn);
 379     snew(fitparms, 4);
 380     fitparms[0] = tau1;
 381     if (nfitparm > 1)
 382     {
 383         fitparms[1] = A;
 384     }
 385     if (nfitparm > 2)
 386     {
 387         fitparms[2] = tau2;
 388     }
 389
 390
 391     snew(y[3], nx);
 392     snew(y[4], nx);
 393     snew(y[5], nx);
 394
 395     integral = print_and_integrate(NULL, calc_nbegin(nx, y[0], tbegin),
 396                                    dt, y[1], NULL, 1);
 397     integral += do_lmfit(nx, y[1], y[2], dt, y[0], tbegin, tend,
 398                          oenv, TRUE, eFitFn, fitparms, fix);
 399     for (i = 0; i < nx; i++)
 400     {
 401         y[3][i] = fit_function(eFitFn, fitparms, y[0][i]);
 402     }
 403
 404     if (epsRF == 0)
 405     {
 406         /* This means infinity! */
 407         lambda = 0;
 408         rffac  = 1;
 409     }
 410     else
 411     {
 412         lambda = (eps0 - 1.0)/(2*epsRF - 1.0);
 413         rffac  = (2*epsRF+eps0)/(2*epsRF+1);
 414     }
 415     printf("DATA INTEGRAL: %5.1f, tauD(old) = %5.1f ps, "
 416            "tau_slope = %5.1f, tau_slope,D = %5.1f ps\n",
 417            integral, integral*rffac, fitparms[0], fitparms[0]*rffac);
 418
 419     printf("tau_D from tau1 = %8.3g , eps(Infty) = %8.3f\n",
 420            fitparms[0]*(1 + fitparms[1]*lambda),
 421            1 + ((1 - fitparms[1])*(eps0 - 1))/(1 + fitparms[1]*lambda));
 422
 423     fitintegral = numerical_deriv(nx, y[0], y[1], y[3], y[4], y[5], tendInt, nsmooth);
 424     printf("FIT INTEGRAL (tau_M): %5.1f, tau_D = %5.1f\n",
 425            fitintegral, fitintegral*rffac);
 426
 427     /* Now we have the negative gradient of <Phi(0) Phi(t)> */
 428     write_xvg(opt2fn("-d", NFILE, fnm), "Data", nx-1, 6, y, legend, oenv);
 429
 430     /* Do FFT and analysis */
 431     do_four(opt2fn("-o", NFILE, fnm), opt2fn("-c", NFILE, fnm),
 432             nx-1, y[0], y[5], eps0, epsRF, oenv);
 433
 434     do_view(oenv, opt2fn("-o", NFILE, fnm), "-nxy");
 435     do_view(oenv, opt2fn("-c", NFILE, fnm), NULL);
 436     do_view(oenv, opt2fn("-d", NFILE, fnm), "-nxy");
 437
 438     return 0;
 439 }