In this paper, an important discovery has been found for nonconforming immersed finite element (IFE) methods using the integral values on edges as degrees of freedom for solving elliptic interface problems. We show that those IFE methods without penalties are not guaranteed to converge optimally if the tangential derivative of the exact solution and the jump of the coefficient are not zero on the interface. A nontrivial counter example is also provided to support our theoretical analysis. To recover the optimal convergence rates, we develop a new nonconforming IFE method with additional terms locally on interface edges. The new method is parameter-free which removes the limitation of the conventional partially penalized IFE method. We show the IFE basis functions are unisolvent on arbitrary triangles which is not considered in the literature. Furthermore, different from multipoint Taylor expansions, we derive the optimal approximation capabilities of both the Crouzeix-Raviart and the rotated-$Q_1$ IFE spaces via a unified approach which can handle the case of variable coefficients easily. Finally, optimal error estimates in both $H^1$- and $L^2$- norms are proved and confirmed with numerical experiments.


翻译:在本文中,发现了一个重要发现,即使用边缘整体值作为解决椭圆界面问题的自由度,使用边缘整体值作为解决椭圆界面问题的自由度的不兼容的有限元素(IFE)方法。我们表明,如果精确解决方案的相近衍生物和系数的跳跃在界面上不为零,则没有保证不加处罚的IFE方法能够最佳地趋同。还提供了一个非边际的反比例子,以支持我们的理论分析。为了恢复最佳趋同率,我们开发了一种新的不兼容IFE方法,在界面边缘增加了一些条件。新方法是无参数的,从而消除了常规部分处罚IFE方法的限制。我们展示了IFE基础功能在文献中未考虑的任意三角上的单线函数。此外,与多点Taylor扩展不同,我们从Crouzeix-Ravirat和旋转-$1美元IFE空间的最佳近差能力,通过一种能够轻易处理可变系数案例的统一方法。最后,证实了以$H1美元和$L%2标准进行的最佳误差估计。

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