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详解Gillespie算法：使用Python构建分子化学模拟及其在随机多智能体动力学中的应用

news 2026/2/8 18:55:15

第一部分：Gillespie算法简介

Gillespie算法是一种利用蒙特卡洛抽样模拟化学体系随机动力学行为的方法[3]。它是由Joseph L. Doob提出的，用于生成具有已知反应速率的随机方程组的统计上正确的轨迹（可能的解）[5]。在本文中，我们将详细介绍Gillespie算法的原理，并使用Python实现一个简单的分子化学模拟。此外，我们还将探讨Gillespie算法在随机多智能体动力学中的应用[4]。

Gillespie算法的大致步骤如下[3]：

  1. 将所有体系中的化学反应拆分为基元反应。
  2. 计算每个基元反应的速率常数。
  3. 使用蒙特卡洛抽样方法模拟随机动力学行为。

接下来，我们将使用Python实现一个简单的Gillespie算法，并模拟mRNA翻译蛋白质的过程[2]。

第二部分：使用Python实现Gillespie算法

首先，我们需要定义一个函数来计算每个基元反应的速率常数。这里，我们将使用一个简化的模型，其中mRNA翻译蛋白质的过程只包括两个基元反应：翻译和降解。翻译的速率常数为k_translation，降解的速率常数为k_degradation。

def calculate_reaction_rates(mRNA, k_translation, k_degradation):translation_rate = k_translation * mRNAdegradation_rate = k_degradation * mRNAreturn translation_rate, degradation_rate

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