In this paper, we present a multiscale framework for solving the Helmholtz equation in heterogeneous media without scale separation and in the high frequency regime where the wavenumber $k$ can be large. The main innovation is that our methods achieve a nearly exponential rate of convergence with respect to the computational degrees of freedom, using a coarse grid of mesh size $O(1/k)$ without suffering from the well-known pollution effect. The key idea is a non-overlapped domain decomposition and its associated coarse-fine scale decomposition of the solution space that adapts to the media property and wavenumber; this decomposition is inspired by the multiscale finite element method (MsFEM). We show that the coarse part is of \textit{low complexity} in the sense that it can be approximated with a nearly exponential rate of convergence via local basis functions, due to the compactness of a restriction operator that maps Helmholtz-harmonic functions to their interpolation residues on edges, while the fine part is \textit{local} such that it can be computed efficiently using the local information of the right hand side. The combination of the two parts yields the overall nearly exponential rate of convergence of our multiscale method. Our method draws many connections to multiscale methods in the literature, which we will comment in detail. We demonstrate the effectiveness of our methods theoretically and numerically; an exponential rate of convergence is consistently observed and confirmed. In addition, we observe the robustness of our methods regarding the high contrast in the media numerically. We specifically focus on 2D problems in our exposition since the geometry of non-overlapped domain decomposition is simplest to explain in such cases; generalizations to 3D will be outlined at the end.


翻译:在本文中, 我们提出一个多尺度框架, 在不进行比例分离的情况下, 在多种媒体中解决 Helmholtz 等式, 在不进行比例分解的情况下, 在高频系统中, 使波数为$k$ 可以是大。 主要的创新是, 我们的方法在计算自由度方面达到接近指数的趋同率, 使用粗略的网状网格, 不受众所周知的污染效应影响 $O( 1/k) 。 关键的想法是, 一个将Helmholtz- 调和功能映射到边缘的内脏残渣上的限制操作器的缩缩缩缩性, 而它的粗略比例和波数的变异性; 这种变异性是由多尺度的量元素法( MMMSFEM ) 所启发的。 我们显示的粗略部分是粗略的, 我们的内脏的内脏精度( ), 我们的直径直径的直径直径的直径直线和直径直径的直径直线, 我们的直径直径直径直到直径直的直径直径直径直径直径直线的直的直的直线 。

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