INTEGRACIÓN CUASIMONTECARLO EN QUÍMICA CUÁNTICA M. FERNÁNDEZ NÚÑEZ Dto. de Química-Física, Universidad de Cádiz 11510 PUERTO REAL (CÁDIZ), España R. RODRÍGUEZ HUERTAS Dto. de Matemáticas, Universidad de Cádiz y R. INFANTE MACÍAS Dto. de Estadística e I.O, Universidad de Sevilla Resumen En el presente trabajo se analizan varios métodos de Integración Cuasimontecarlo desde el punto de vista de su utilidad en los cálculos químicocuánticos. Tras describir brevemente la naturaleza de estos procedimientos, se presentan algunos resultados de su empleo en el cálculo de energías atómicas. Se concluye que cualquiera de los métodos cuasimontecarlo ensayados es mucho más eficiente que el de Montecarlo. El método de Hammersley es el más adecuado si no se emplea una gran cantidad de puntos. Cuando el numero de puntos empleados es mayor, se obtienen mejores resultados usando nuestra versión del procedimiento de Korobov. Abstract In the present work we analyze several Quasi-Monte Carlo integration methods in terms of its usefulness in the quantum chemical calculations. After describing briefly the nature of these procedures, we study their results when they are employed in atomic energies calculations. We conclude that Quasi-Monte Carlo integration methods are much more efficient than that of Montecarlo. The most adequate Quasi-Monte Carlo method seems to be that of Hammersley when we do not employ a whole slew of points, and a version of Korobov’s method when the quantity of integration points is very large. 1 1. INTRODUCCIÓN La integración Montecarlo puede usarse, como ya se ha puesto de manifiesto en un trabajo precedente [1] , para obtener orbitales por el método Roothaan, con la ventaja de que permite usar funciones de base más generales que las habituales. No obstante, en el trabajo citado se comprobó que los problemas de eficiencia de este método limitaban muy drásticamente el tamaño de las bases utilizables. Por una parte el tiempo de cálculo consumido por las integraciones Montecarlo es muy largo, pues depende del cuadrado de la precisión deseada, y ésta no puede ser pequeña si lo que se pretende es calcular orbitales atómicos o moleculares. Además, la precisión necesaria para obtener un resultado final aceptable es muy probable que aumente con el número de funciones de base utilizadas, ya que la energía es una combinación lineal de las integrales. A pesar de estos problemas, en [1] logramos alcanzar resultados útiles, gracias al empleo de una función de peso adaptada a cada una de las integrales. No obstante, también se comprobó que a efectos prácticos, y a causa del tiempo requerido por las integraciones, el número de funciones de base que era posible utilizar (para cálculos con ordenadores de tipo PC), no pasaba de cinco. En el presente trabajo hemos explorado la posibilidad de sustituir el método de integración Montecarlo por métodos Cuasimontecarlo, y hemos encontrado que la eficiencia de los cálculos resulta mucho mayor. En primer lugar, describimos los procedimientos Cuasimontecarlo, pues son todavía poco conocidos en el campo de la Química teórica. Se ha procurado resaltar los aspectos más relevantes desde el punto de vista práctico e incluir las citas adecuadas para quien esté interesado en los aspectos más matemáticos. En segundo lugar se hace una comparación de los métodos Montecarlo y Cuasimontecarlo en el caso del átomo de Helio, donde se ponen de manifiesto las ventajas alcanzadas por los diversos métodos Cuasimontecarlo ensayados. Por último, se comparan los resultados de su aplicación en algunos otros átomos. 2 2. MÉTODO DE INTEGRACIÓN CUASIMONTECARLO. GENERALIDADES El método de integración Cuasimontecarlo [2] tiene en común con el de Montecarlo que la integral se estima como el valor medio del integrando en un cierto conjunto de puntos, y se diferencia de aquel por la forma en que son elegidos estos puntos: En el método Montecarlo son elementos de una muestra con distribución aleatoria en el dominio de integración, obtenida a partir de alguna rutina de generación de números pseudoaleatorios. En el caso de los método Cuasimontecarlo los conjuntos de puntos no pretenden ser aleatorios, sino que son construidos explícitamente con el objetivo de obtener buenas estimaciones de la integral. Los conjuntos de puntos que se han usado en este trabajo, así como la forma en que pueden obtenerse, se indican mas adelante. En cuanto a las ventajas de los métodos de integración Cuasimontecarlo, respecto al de Montecarlo, pueden reseñarse las siguientes: a) El orden de convergencia supera al N-1/2 que catacteriza al método de s-1 Montecarlo: Pueden obtenerse cotas para el error del orden de (log N) /N para cualquier función integrable Riemann, siendo s el número de variables de integración. b) Las cotas de error son deterministas y no probabilistas como ocurre en el método Montecarlo. c) Las condiciones de regularidad del integrando pueden ser registradas en las cotas de error, es decir, que mejores condiciones de regularidad de la función que se integra implican unas mejores cotas para el error. 3. MÉTODOS CUASIMONTECARLO ANALIZADOS EN ESTE TRABAJO En este trabajo, tras hacer los cambios de variable necesarios para transformar todos los intervalos de integración en (0,1) y emplear las funciones de peso introducidas en [1], se han utilizado puntos procedentes de sucesiones de Halton, sucesiones de Korobov, y conjuntos de puntos de Hammersley. A continuación describimos brevemente las formas de obtener los puntos, así como algunas de sus propiedades. 3 Sucesiones de Halton [3] Definición.- Una sucesión de Halton es una sucesión de puntos P1, P2, .....Pn,... s de [0,1] cuyas coordenadas son: Pn = (Pb1 (n), Pb2 (n), ...., Pbs(n)) Los parámetros b1, b2, .....bs son números naturales primos entre si y las coordenadas Pbj(i) puede obtenerse de la forma siguiente: Sea bj ≥2 un entero. La coordenada j-ésima Pbj(n). del punto que ocupa el lugar n en la sucesión se obtiene expresando este número en el sistema de numeración de base bj : m n= ∑ a ib j i = i= 0 am am-1 .... a1 a0 (bj) (1) La coordenada Pbj(n) generada tiene cero por parte entera, y por parte decimal las cifras de (1) en orden inverso: m Pbj(i) = ∑ aib j −(i+1) = i= 0 0. a0 a1 .... am-1am (bj) (2) Se puede dar también una definición recursiva equivalente que tiene ventajas para la programación: a) Pb(1) = 1/b b) Si Pb(n) = 0.a0 a1 .... am-1am 000... (b) , y k es el menor número que cumple que ak < b-1, entonces Pb(n+1) = Pb(n) + b-k + b-k-1 -1. (se ha prescindido del índice j, para no complicar la notación) Una subrutina para generar sucesiones unidimensionales de Halton puede encontrarse en [4]. En este trabajo se han utilizado como valores para los parámetros b los primeros s números primos, pues corresponden a las menores cotas para el error [5]. Los N puntos utilizados en las integraciones son los N primeros términos de la sucesión de Halton. Las cotas de los errores obtenidos de esta forma son del orden de (log N)s/N . Es de resaltar que la sucesión debe emplearse empezando por su primer término, ya que cualquier otra elección aumenta el error. 4 Conjuntos de puntos de Hammersley [5] Son los definidos por: i Hi = , pb1 (i)....... p bs−1(i) , i=1,2,... N N (3) lo que significa que se emplea una división en intervalos iguales para una coordenada y el método de Halton en las restantes. En este caso el orden de convergencia es (log N)s-1/N Sucesiones de Korobov [5] y [6] Si 1, α1, α2, ..., αs, son números irracionales linealmente independientes sobre los racionales, y (nαi) = nαi - INT(nαi) , entonces: Pn=((nα1), (nα2), ..., (nαs)) n=1, 2, 3, ... (4) son los términos de una sucesión de Korobov . En el caso unidimensional se ha demostrado [5],[7] que si el integrando es una función periódica, contínua y con tres derivadas contínuas, el orden del error es 1/N y que si no se cumplen estas condiciones tan estrictas, el orden del error es (log N)-1/N. El teorema ha sido generalizado por Ritchmyer [8] para el caso s-dimensional. Este método, para las funciones que cumplen ciertas condiciones de regularidad es, según Ritchmyer, más eficiente a partir de dos dimensiones que la regla del trapecio y a partir de tres, más que las reglas de segundo orden. En cambio, el método Montecarlo supera a la primera regla para tres o más dimensiones y a la segunda a partir de cinco. En trabajos sobre integración múltiple se han usado diversos valores para los parámetros α [9], [10], [11], [12]. En nuestro caso, tras realizar una serie de cálculos comparativos preliminares, hemos escogido las raíces cuadradas de los primeros números primos. No conocemos expresiones para las cotas de error como las citadas para el método Halton o el de Hammersley, que sean validas para todo tipo de integrales s- dimensionales, pero más adelante se verá una forma de evaluar la eficiencia de este procedimiento, a partir de los valores de las energías atómicas calculadas con él. 5 4. COMPARACIÓN DE LOS METODOS: ÁTOMO DE HELIO. Con objeto de comparar su calidad, los distintos procedimientos de integración ensayados se han empleado en el cálculo de la energía de una serie de átomos. Comparar estas energías es mejor que comparar directamente las integrales: En primer lugar porque en Química Teórica las integrales son sólo un medio para obtener los observables atómicos o moleculares, que es lo que se busca en último término. Además, como las energías son combinaciones lineales de un número elevado de integrales, la obtención de buenos resultados para éstas significa que, o bien las integrales son suficientemente precisas, o se produce una compensación de errores que, a fin de cuentas, es tan importante como lo primero. En la tabla 1 se comparan las energías obtenidas para el átomo de helio con tres bases diferentes, empleando los procedimientos Montecarlo, Halton, Hammersley y Korobov, y usando siempre la misma semilla en la generación de los números. En ella puede apreciarse la superioridad de cualquiera de los métodos Cuasimontecarlo sobre el de Montecarlo. También se observa que el método de Halton es menos eficiente que los otros métodos Cuasimontecarlo. Por supuesto, los resultados obtenidos cuando se generan los números con otras semillas difieren algo de los indicados en la tabla, pero las conclusiones son las mismas: El método de Montecarlo es el peor, seguido por el de Halton. Mas adelante comprobaremos que para elegir entre Hammersley y Korobov debe tenerse en cuenta el número puntos empleados. Con objeto de manejar unas medidas concretas de la calidad de estos métodos hemos seguido un procedimiento basado en el hecho, bien conocido, de que las cotas de precisión del método Montecarlo se relacionan con el número de puntos empleados por medio de la expresión: ε ≅ εo. N -1/2 (5) en la que ε representa el error cometido y N el número de puntos empleados. Por consiguiente un ajuste del logaritmo del error frente al logaritmo de N debería dar una recta con pendiente próxima a -1/2 . En efecto, ajustando una recta por mínimos cuadrados a los puntos de la figura 1, que se han obtenido representando el logaritmo de los errores en la energía del átomo de helio (con 6 la base mas sencilla), frente al logaritmo del número de puntos empleados en las integraciones, se obtiene: log εMC = (0.3±0.3) - (0.53±.0.07) log N (6) Para los métodos Cuasimontecarlo la relación (5) no es necesariamente valida, pero hemos comprobado que se cumple una del mismo tipo, con un margen de error similar al obtenido con Montecarlo. En el caso del método de Halton obtenemos: log εHAL = (0.4±0.3) - (0.67±0.07) log N (7) log εHAM = (-0.4±0.3) - (0.57±0.07) log N (8) en el de Hammersley: Tabla 1. Comparación de energías obtenidas para el átomo de Helio usando los distintos métodos. En la primera columna se especifica el número Nb de funciones de base utilizadas, el número NI de integrales calculadas y el valor analítico de la energía (Ea) Analítico Nº de Montecarlo Halton Hammersley Korobov puntos Nb = 1 1000 2.9491 2.8801 2.8359 2.7694 NI = 3 10000 2.8250 2.8565 2.8427 2.8505 Ea = 2.8477 100000 2.8335 2.8491 2.8474 2.8490 1000000 2.8458 2.8482 2.8477 2.8479 Nb = 2 1000 2.9023 2.8960 2.8556 2.7946 NI = 12 10000 2.8142 2.8693 2.8577 2.8661 Ea = 2.8616 100000 2.8476 2.8629 2.8620 2.8627 1000000 2.8573 2.8620 2.8617 2.8618 Nb = 5 1000 No conv. 2.8959 2.8467 No conv. NI = 150 10000 2.8840 2.8704 2.8570 2.8665 Ea= 2.8616 100000 No conv. 2.8629 2.8627 2.8629 1000000 2.8590 2.8622 2.8617 2.8617 y para el de Korobov: log εKOR = (1.2±0.4) - (0.88±0.09) log N (9) 7 Estas cuatro rectas están representadas en la figura 2. En ella se observa que, ya que el mejor método debe ser el que suministre la recta mas baja, éste depende de cual sea el número de puntos empleados. Cuando se usan pocos, el mejor método es el de Hammersley, pero si se emplea un número suficiente de puntos (N>106) es preferible el procedimiento de Korobov, Estos resultados se repiten al emplear dos funciones de base (fig. 3), o al tratar otros átomos (figuras 4,5,6). 5. COMPARACIÓN DE LOS METODOS: OTROS ÁTOMOS Una vez concluÍdo el estudio del átomo de helio, se ha abordado el estudio de algunos otros átomos con objeto de confirmar las observaciones realizadas en el primero. En la tabla 2 se registran las pendientes de las rectas de regresión obtenidas para los cinco sistemas tratados. En la parte A de la tabla se tienen en cuenta, en cada caso, los mismos números de puntos que en la figura 1 (esto es, 16 datos en cada ajuste). En la parte B se ha prescindido de los puntos con un residuo mayor que dos veces la desviación estándar s de éstos (en la propia tabla se indica el número de puntos despreciados en cada caso). Los resultados B son los más adecuados, pues toman en cuenta la posibilidad de que algún valor sea más próximo al exacto de lo esperado, en cuyo caso el logaritmo del error resultaría anómalo: Considérese, por ejemplo, que si por casualidad se obtiene algún valor coincidente con el exacto, lo que no es improbable cuando se manejan un número limitado de cifras significativas, el logaritmo del error sería infinito. Precisamente, hemos observado que todos los puntos con error superior a 2s correspondían a valores mas próximos al exacto que la media. 8 L o g a r i t m o d e l e r r o r e n la e n e r g ía f r e n t e a l n ú m e ro d e p u n to s 2 1 0 -1 -2 lo g e r r o r -3 -4 -5 -6 -7 -8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 lo g N Fig. 1. Método de Montecarlo. Helio (SZ) L o g . d e l e r r o r e n la E n e r g ía fr e n te a l lo g . d e l n ú m e ro d e p u n to s 0 -1 -2 -3 -4 -5 M o n te c a rlo -6 H a m m e r s le y H a lt o n -7 K o ro b o v -8 0 1 2 3 4 5 lo g 6 7 8 9 1 0 N Fig. 2. Rectas de regresión de los cuatro métodos. Helio(SZ) 9 L o g . d e l e r r o r e n la E n e r g ía fr e n te a l lo g . d e l n ú m e r o d e p u n to s 0 -1 -2 -3 -4 -5 M o n te c a r lo -6 H a m m e rs le y -7 H a lto n K o ro b o v -8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Log N fig. 3. Rectas de Regresión de los cuatro métodos. Helio (DZ) L o g . d e l e r r o r e n la E n e r g ía fr e n te a l lo g . d e l n ú m e ro d e p u n to s 0 -1 -2 -3 M o n te c a r lo -4 -5 H a m m e rs le y -6 H a lto n -7 K o ro b o v -8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Lo g N Fig.4. Rectas de regresión de los cuatro métodos. Berilio (SZ) 10 L o g . d e l e rro r e n la E n e rg ía fre n te a l lo g .d e l n ú m e ro d e p u n to s 0 -1 -2 -3 M o n te c a rlo -4 H a lto n -5 H a m m e rs le y -6 -7 K o ro b o v -8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Log N Fig 5. Rectas de Regresión de los cuatro métodos. Carbono (triplete,SZ) L o g . d e l e rro r e n la E n e rg ía fre n te a l n ú m e ro d e p u n to s 0 -1 -2 -3 -4 M o n te c a rlo H a m m e rs le y -5 H a lto n -6 K o ro b o v -7 -8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Log N Fig 6. Rectas de regresión de los cuatro métodos. Carbono (Singlete,SZ) 11 Tabla 2. Pendientes de las rectas de regresion para los cinco sistemas estudiados. A: Con todos los datos. B: Eliminando los outliers (el número de éstos se indica como subíndice) ajustes “A”: (16 datos) ajustes “B”: (Sin datos que que se aparten de la media más de 2s ) Sistema Montecarlo He(SZ) -0.53 ± 0.07 -0.67 ± 0.07 -0.56 ± 0.07 -0.88 ± 0.09 He(DZ) -0.51 ± 0.09 -0.74 ± 0.07 -0.57 ± 0.10 -0.89 ± 0.08 Be(SZ) -0.53 ± 0.12 -0.69 ± 0.06 -0.58 ± 0.07 -0.88 ± 0.08 C tripl. -0.56 ± 0.09 -0.64 ± 0.07 -0.56 ± 0.13 -0.85 ± 0.08 C singl. -0.63 ± 0.16 -0.78 ± 0.09 -0.48 ± 0.08 -0.78 ± 0.08 He(SZ) -0.53 ± 0.07- -0.67 ± He(DZ) Be(SZ) C tripl. C singl. Halton Hammersley Korobov -0.56 ± -0.81 ± 0 0.070 0.070 0.041 -0.51 ± -0.74 ± -0.57 ± -0.89 ± 0.090 0.070 0.041 0.070 -0.44 ± -0.64 ± -0.57 ± -0.83 ± 0.111 0.031 0.031 0.041 -0.50 ± -0.65 ± -0.58 ± -0.85 ± 0.041 0.031 0.101 0.080 -0.54 ± -0.70 ± -0.54 ± -0.79 ± 0.071 0.042 0.031 0.041 Los resultados que hemos obtenido para las energías de un conjunto más amplio de átomos se exponen en la tabla 3. En ella se aprecia, para todos, un comportamiento análogo al observado para el Helio en la tabla 1, confirmándose la superioridad de cualquiera de los métodos Cuasimontecarlo ensayados respecto al de Montecarlo y la menor eficiencia del método de Halton con respecto a los otros cuasimontecarlos. 12 6. COMPARACION POR OTROS PROCEDIMIENTOS Para finalizar, resulta interesante comparar la calidad de los distintos métodos estudiados mediante gráficas como las de las fíguras 7, 8 y 9. En la primera de ellas se representan en escala logaritmica los errores absolutos de las energías obtenidas, con 104 puntos, para los átomos de las tablas 1 y 3. La fígura 8 es análoga a la 7, pero en este caso se representan los errores Tabla 3 Comparación de energías obtenidas para diversos átomos usando integraciones Montecarlo, Halton, Hammersley y Korobov. En la primera columna se especifica el átomo tratado, el número de funciones de la base utilizada (Nb), el número de integrales calculadas (NI) y el valor analítico de la energía (Na) Be Nb = 2 NI = 12 Na = 14.5567 Be Nb = 4 NI = 75 Na = 14.5723 Ne Nb = 5 NI = 150 Na =127.8121 Ne Nb =10 NI = 1650 Na = 128.5351 Mg Nb = 6 NI = 273 Na = 198.8577 Ar Nb = 9 NI = 1125 Na = 525.7652 Ca Nb =10 NI = 1650 Na = 675.6339 Sistema Montecarlo Halton Hammersley Korobov 1000 10000 100000 1000000 1000 10000 100000 1000000 1000 10000 100000 1000000 1000 10000 100000 1000000 1000 10000 100000 1000000 1000 10000 100000 1000000 1000 10000 100000 1000000 15.0984 14.3025 14.5410 14.5498 14.7670 14.6237 14.5468 14.5639 126.4545 126.2802 129.0706 127.7660 No converge 130.4399 128.2354 128.2354 202.0786 196.5535 198.0960 198.7921 514.0360 522.5134 524.4065 525.6289 659.9889 674.0350 674.0259 675.4765 14.6622 14.5839 14.5626 14.5582 14.6753 14.5972 14.5772 14.5730 128.6601 128.0675 127.8747 127.8241 129.3523 128.7272 128.5649 128.5434 200.0749 199.2287 198.9271 198.8719 528.6926 526.6279 525.8069 525.8218 679.2291 676.7409 675.7212 675.7239 14.5161 14.5468 14.5563 14.5569 14.5642 14.5643 14.5723 14.5722 127.2022 127.8115 127.7943 127.8139 128.4154 128.5206 128.5380 128.5332 198.3187 198.7997 198.8639 198.8709 524.7989 525.7479 525.8469 525.7766 674.0720 675.7149 675.7630 675.6675 14.3330 14.5656 14.5605 14.5576 14.4470 14.5780 14.5763 14.5731 126.0585 127.9005 127.8493 127.8227 126.8090 128.5999 128.5654 128.5392 196.5108 198.9780 198.9161 198.9181 519.6746 525.9468 525.8859 525.7900 668.6171 675.9969 675.8128 675.6573 13 relativos. En ambas se observan hechos bien concordantes con los comentados en los epígrafes precedentes. En gráficas como la de la figura 9, aparece bien clara la superioridad del método de Hammersley sobre el de Montecarlo: se observa que con 104 puntos se obtienen, por el método de Hammersley, errores similares a los que se obtienen con 106 puntos empleando el método de Montecarlo. Se deduce, por consiguiente, que la eficiencia del procedimiento de Hammersley es cien veces mayor que la del método Montecarlo. Otro tipo de conclusiones que pueden obtenerse de las gráficas 7,8 y 9 es el siguiente: Como es sabido, el número de integrales que es preciso evaluar para obtener la energía crece rápidamente con el número de funciones de base, ya que la expresión para ésta es: m m k k k k q r s ~ E = 2∑ ∑ ∑ cpi∗c qiHpq + ∑ ∑ ∑ ∑ ∑ ∑ cpi∗c qicrs∗c js [ 2(pqrs) − (pr qs)] i p q i j p Podrían temerse, por tanto, unos resultados substancialmente peores si se aumenta el número de funciones de base. Sin embargo, en la figura 7 se puede comprobar que no hay una dependencia clara de los errores absolutos con este número. Así mísmo, de la gráfica de la figura 8 se deduce que los errores relativos no aumentan, necesariamente, al aumentar el número de funciones de base, sino que a menudo disminuyen. 14 10 Montecarlo Halton 1 hammersley Korobov 0.1 0.01 1E-3 1E-4 He(1) He(2) He(5) Be(2) Be(4) Ne(5) Ne(10) Mg(6) Ar(9) Ca(10) Fig. 7 Errores absolutos (escala logarítmica) de la energía de los átomos de las tablas 1 y 3 que aparecen numerados en el eje horizontal en orden creciente de energía. El número de funciones de base empleadas en cada átomo aparece entre paréntisis. Valores obtenidos con 104 puntos. 15 0.03 Montecarlo Halton 0.025 Hammersley Korobov 0.02 0.015 0.01 5E-3 0 2 4 6 8 10 Fig. 8 Errores relativos de la energía de los átomos de las tablas 1y 3 que aparecen numerados en el eje horizontal en orden creciente de energía. Valores obtenidos con 104 puntos. 16 0. 0.03 Montecarlo 106 0.025 4 Montecarlo 10 Hammersley 104 0.02 0.015 0.01 5E-3 0 0 2 4 6 8 10 Gráfica 9 Errores relativos de la energía de los átomos de las tablas 1y 3 que aparecen numerados en el eje horizontal en orden creciente de energía. Valores obtenidos con 104 puntos.para Hammersley y para Montecarlo con 104 y 106 puntos 17 Referencias: [1] M. Fernández y R. Rodríguez. Integration Montecarlo en el metodo Roothaan. FCTL. Vol XX. pp.161-179 (1992) [2] Harald Neiderreiter. Random Number Generation and Quasi-Monte Carlo Methods..CBMS 63. Siam. 1992 [3] J.H. Halton. On the efficiency of certain quasi-random sequences of points in evaluating multidimensional integrals. Numer. Math., 2 (1960), pp.84-90; Berichtigung, ibid., 2 (1960),p.196 [4] M. Berblinger and C. Schlier. Monte Carlo integration with quasi-ramdom numbers:some experience. Comp. Phys. Com. 66.157-166. 1991 [5] Harald Neiderreiter. (Ibid, Cap. 3º) [6] Korobov.H.M. 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