We introduce a fast direct solver for variable-coefficient elliptic partial differential equations on surfaces based on the hierarchical Poincar\'e-Steklov method. The method takes as input an unstructured, high-order quadrilateral mesh of a surface and discretizes surface differential operators on each element using a high-order spectral collocation scheme. Elemental solution operators and Dirichlet-to-Neumann maps tangent to the surface are precomputed and merged in a pairwise fashion to yield a hierarchy of solution operators that may be applied in $\mathcal{O}(N \log N)$ operations for a mesh with $N$ elements. The resulting fast direct solver may be used to accelerate high-order implicit time-stepping schemes, as the precomputed operators can be reused for fast elliptic solves on surfaces. On a standard laptop, precomputation for a 12th-order surface mesh with over 1 million degrees of freedom takes 17 seconds, while subsequent solves take only 0.25 seconds. We apply the method to a range of problems on both smooth surfaces and surfaces with sharp corners and edges, including the static Laplace-Beltrami problem, the Hodge decomposition of a tangential vector field, and some time-dependent nonlinear reaction-diffusion systems.
翻译:我们根据Poincar\'e-Steklov等级法,为表面的可变、高效的椭圆部分方程引入快速直接解析器。 这种方法将表面的无结构、 高阶四边网块作为输入, 并使用高阶光谱共移方案, 将每个元素的地表差异操作器分解为分解。 元素溶剂操作器和Drichlet至Neumann地图向表面的正切值是预置的, 并组合成对称方式, 以生成一个在$\mathcal{O}( N\log N) 中可以用于以$N$为单位的网格溶解运算器。 由此产生的快速直接解析器可以用来加速每个元素的高序隐含时间计划, 因为前置操作器可以被再利用用于表面的快速流体溶解。 在标准笔笔电脑上, 12级地表层依赖100万度的海面网路图的预算需要17秒, 而随后的解算只需要0.25秒。 我们对平面和平面的地面和地面的地面的平面的平面的平面和直位应用方法,,, 包括平面和地面的平面的平面的平面的平面的平面的平面的平面和层, 我们对着, 将一个平流的平的平面的平面的平面的平面的平面的平面和层, 。