Polynomial spectral methods provide fast, accurate, and flexible solvers for broad ranges of PDEs with one bounded dimension, where the incorporation of general boundary conditions is well understood. However, automating extensions to domains with multiple bounded dimensions is challenging because of difficulties in implementing boundary conditions and imposing compatibility conditions at shared edges and corners. Past work has included various workarounds, such as the anisotropic inclusion of partial boundary data at shared edges or approaches that only work for specific boundary conditions. Here we present a general system for imposing boundary and compatibility conditions for elliptic equations on hypercubes. We take an approach based on the generalized tau method, which allows for a wide range of boundary conditions for many types of spectral methods. The generalized tau method has the distinct advantage that the specified polynomial residual determines the exact algebraic solution; afterwards, any stable numerical scheme will find the same result. We can, therefore, provide one-to-one comparisons to traditional collocation and Galerkin methods within the tau framework. As an essential requirement, we add specific tau corrections to the boundary conditions in addition to the bulk PDE. We then impose additional mutual compatibility conditions to ensure boundary conditions match at shared subsurfaces. Our approach works with general boundary conditions that commute on intersecting subsurfaces, including Dirichlet, Neumann, Robin, and any combination of these on all boundaries. The tau corrections and compatibility conditions can be fully isotropic and easily incorporated into existing solvers. We present the method explicitly for the Poisson equation in two and three dimensions and describe its extension to arbitrary elliptic equations (e.g. biharmonic) in any dimension.


翻译:聚合光谱方法为广范围的多维PDE提供快速、准确和灵活的解析器,具有一个宽度的维度,其中可以很好地理解纳入一般边界条件。然而,由于在实施边界条件和在共享边缘和角强加兼容性条件方面存在困难,将扩展范围自动化到具有多维边界条件的领域具有挑战性。过去的工作包括了各种变通办法,例如将部分边界数据纳入共享边缘或仅适合特定边界条件的方法。在这里,我们提出了一个在超立方体上对椭圆方进行清晰的边界和兼容性条件的通用系统。我们采用基于通用的透度解析法的方法,使多种光谱方法具有广泛的边界条件。通用陶尔法方法具有独特的优点,即特定的多面残留能决定准确的平面解决方案;随后,任何稳定的数值方法都会找到相同的结果。因此,我们可以对传统合金和Galerkin方法进行一比对高调。作为基本要求,我们用普通平面的平流法将具体的Tau级修正方法加到当前边界条件和地平面的平面的平面,我们将共同条件和地平面的平面的平面条件加在共同的边界条件中进行。我们的平面的平面上,将所有平面的平面的平面的平面的平面条件和对面的平面的平面的平面的平面的对面的平面的平。

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