Solutions of the Helmholtz equation are known to be well approximated by superpositions of propagative plane waves. This observation is the foundation of successful Trefftz methods. However, when too many plane waves are used, the computation of the expansion is known to be numerically unstable. We explain how this effect is due to the presence of exponentially large coefficients in the expansion and can drastically limit the efficiency of the approach. In this work, we show that the Helmholtz solutions on a disk can be exactly represented by a continuous superposition of evanescent plane waves, generalizing the standard Herglotz representation. Here, by evanescent plane waves, we mean exponential plane waves with complex-valued propagation vector, whose absolute value decays exponentially in one direction. In addition, the density in this representation is proved to be uniformly bounded in a suitable weighted Lebesgue norm, hence overcoming the instability observed with propagative plane waves and paving the way for stable discrete expansions. In view of practical implementations, discretization strategies are investigated. We construct suitable finite-dimensional sets of evanescent plane waves using sampling strategies in a parametric domain. Provided one uses sufficient oversampling and regularization, the resulting approximations are shown to be both controllably accurate and numerically stable, as supported by numerical evidence.


翻译:Helmholtz 方程式的解决方案已知非常接近于传播性平面波的叠加。 观测是成功使用 Trefftz 方法的基础。 但是, 当使用过多的平面波时, 计算扩张的数值是不稳定的。 我们解释这种效果是如何由于扩张过程中存在指数性大系数而导致的, 从而可以极大地限制方法的效率的。 在这项工作中, 我们显示磁盘上的赫尔mholtz 方块解决方案可以精确地以连续的双向双向双向双向双向双向双向双向双向双向叠加, 概括标准 Herglotz 代表。 在这里, 我们用电子双向双向双向的双向双向移动, 并使用精确的正统化策略, 并使用一个稳定的平面的平面图像控制, 从而支持一个稳定的平面平面平面平面平面平面平面平面平面平面平面平面平面平面平面平面平面平面平面平面平面。

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