We propose local space-time approximation spaces for parabolic problems that are optimal in the sense of Kolmogorov and may be employed in multiscale and domain decomposition methods. The diffusion coefficient can be arbitrarily rough in space and time. To construct local approximation spaces we consider a compact transfer operator that acts on the space of local solutions and covers the full time dimension. The optimal local spaces are then given by the left singular vectors of the transfer operator. To proof compactness of the latter we combine a suitable parabolic Caccioppoli inequality with the compactness theorem of Aubin-Lions. In contrast to the elliptic setting [I. Babu\v{s}ka and R. Lipton, Multiscale Model. Simul., 9 (2011), pp. 373-406] we need an additional regularity result to combine the two results. Furthermore, we employ the generalized finite element method to couple local spaces and construct an approximation of the global solution. Since our approach yields reduced space-time bases, the computation of the global approximation does not require a time stepping method and is thus computationally efficient. Moreover, we derive rigorous local and global a priori error bounds. In detail, we bound the global approximation error in a graph norm by the local errors in the $L^2(H^1)$-norm, noting that the space the transfer operator maps to is equipped with this norm. Numerical experiments demonstrate an exponential decay of the singular values of the transfer operator and the local and global approximation errors for problems with high contrast or multiscale structure regarding space and time.


翻译:我们为抛物线问题建议当地空间-时间近似空间,这些空间在科尔莫戈洛夫意义上是最佳的,并可用于多尺度和域分解方法。 扩散系数在空间和时间上可能是任意的粗糙的。 要构建本地近距离空间, 我们考虑的是在本地解决方案空间上运行并覆盖全时维度的压缩操作员。 然后, 由转移操作员的左单向矢量提供最佳的本地空间空间空间。 为了证明后者的紧凑性, 我们把适当的抛物线卡西奥波洛波利不平等与Aubin-Lion的紧凑性定理错误结合起来。 与椭圆形设置[I. Babu\v{s]ka和R. Lipton, 多尺度模型。 Simul., 9(2011), pp. 373- 406] 相比, 我们需要更多的常规转移操作员来结合两种结果。 此外, 我们使用通用的限定要素方法来将本地空间时间基调基调基础和全球轨道的精确度错误。 我们用一个精确的本地和全球标准级的精确度模型来显示全球轨道的精确度, 。

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