In this paper we develop finite difference schemes for elliptic problems with piecewise continuous coefficients that have (possibly huge) jumps across fixed internal interfaces. In contrast with such problems involving one smooth non-intersecting interface, that have been extensively studied, there are very few papers addressing elliptic interface problems with intersecting interfaces of coefficient jumps. It is well known that if the values of the permeability in the four subregions around a point of intersection of two such internal interfaces are all different, the solution has a point singularity that significantly affects the accuracy of the approximation in the vicinity of the intersection point. In the present paper we propose a fourth-order $9$-point finite difference scheme on uniform Cartesian meshes for an elliptic problem whose coefficient is piecewise constant in four rectangular subdomains of the overall two-dimensional rectangular domain. Moreover, for the special case when the intersecting point of the two lines of coefficient jumps is a grid point, such a compact scheme, involving relatively simple formulas for computation of the stencil coefficients, can even reach sixth order of accuracy. Furthermore, we show that the resulting linear system for the special case has an $M$-matrix, and prove the theoretical sixth order convergence rate using the discrete maximum principle. Our numerical experiments demonstrate the fourth (for the general case) and sixth (for the special case) accuracy orders of the proposed schemes. In the general case, we derive a compact third-order finite difference scheme, also yielding a linear system with an $M$-matrix. In addition, using the discrete maximum principle, we prove the third order convergence rate of the scheme for the general elliptic cross-interface problem.


翻译:在本文中,我们开发了固定内部界面上跳跃(可能巨大)的细小连续系数的椭圆问题定值差异方案。与已经广泛研究的涉及一个平滑的非交叉界面的问题相比,很少有文件涉及系数跳动的交叉界面的椭圆界面问题。众所周知,如果四个次区域在两个内部界面交汇点周围的渗透性值不同,解决方案有一个点数异性,大大影响交叉点附近近似值的准确性。在本文中,我们提议在统一的Cartesian 中间界面上采用一个第4级9美元点的定值差异方案,用于处理一个在总体两维矩形矩形域的4个矩形次界间界面中,其系数在四个次区域的渗透性值值值是不同的,那么当两个系数跳动线的交叉点是一个网格点时,这种紧凑凑凑合的公式,涉及我们计算三分系数的相对简单的公式,甚至可以达到第6级CLI原则的9美元定值。此外,我们用一个特别的直径直值的公式来证明一个特别的直径直径直径直率率率率。

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