In this paper, we propose a new spectral decomposition method to simulate waves propagating in complicated waveguides. For the numerical solutions of waveguide scattering problems, an important task is to approximate the Dirichlet-to-Neumann map efficiently. From previous results, the physical solution can be decomposed into a family of generalized eigenfunctions, thus we can write the Dirichlet-to-Neumann map explicitly by these functions. From the exponential decay of the generalized eigenfunctions, we approximate the Dirichlet-to-Neumann (DtN) map by a finite truncation and the approximation is proved to converge exponentially. With the help of the truncated DtN map, the unbounded domain is truncated into a bounded one, and a variational formulation for the problem is set up in this bounded domain. The truncated problem is then solved by a finite element method. The error estimation is also provided for the numerical algorithm and numerical examples are shown to illustrate the efficiency of the algorithm.


翻译:在本文中, 我们提出一种新的光谱分解方法来模拟波浪在复杂的波导中传播。 对于波导散射问题的数字解决方案, 一项重要任务是高效地近似 Dirichlet 至 Neumann 地图 。 从先前的结果, 物理解决方案可以分解成一个通用的脑功能的组合, 这样我们就可以用这些函数来明确写入 Dirichlet- to- Neumann 地图 。 从普通的元件的指数衰减中, 我们通过有限的脱线和近似来接近 Drichlet- to- Neumann 地图( DtN), 并证明它会以指数化的方式趋近。 在短的 DtN 地图的帮助下, 未划定的域被分割成一个被捆绑的域, 这个问题的变式配方被设置在这个封闭的域中。 然后通过一个有限的元素方法来解决疏漏的问题。 我们还提供了对数字算法的错误估计, 并展示数字示例以说明算法的效率 。

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