It has been extensively studied in the literature that solving Maxwell equations is very sensitive to the mesh structure, space conformity and solution regularity. Roughly speaking, for almost all the methods in the literature, optimal convergence for low-regularity solutions heavily relies on conforming spaces and highly-regular simplicial meshes. This can be a significant limitation for many popular methods based on polytopal meshes in the case of inhomogeneous media, as the discontinuity of electromagnetic parameters can lead to quite low regularity of solutions near media interfaces, and potentially worsened by geometric singularities, making many popular methods based on broken spaces, non-conforming or polytopal meshes particularly challenging to apply. In this article, we present a virtual element method for solving an indefinite time-harmonic Maxwell equation in 2D inhomogeneous media with quite arbitrary polytopal meshes, and the media interface is allowed to have geometric singularity to cause low regularity. There are two key novelties: (i) the proposed method is theoretically guaranteed to achieve robust optimal convergence for solutions with merely $\mathbf{H}^{\theta}$ regularity, $\theta\in(1/2,1]$; (ii) the polytopal element shape can be highly anisotropic and shrinking, and an explicit formula is established to describe the relationship between the shape regularity and solution regularity. Extensive numerical experiments will be given to demonstrate the effectiveness of the proposed method.


翻译:已经广泛研究发现,求解麦克斯韦方程对于网格结构、空间一致性和解的正则性非常敏感。总的来说,对于几乎所有文献中的方法来说,低正则性解的最优收敛性很大程度上依赖于相应的空间的一致性和高正则的单纯形网格。对于不均匀介质的情况,这可能限制许多基于多面体网格的流行方法,因为电磁参数的不连续可能导致介质接口附近的解具有相当低的正则性,由于几何奇异性而变得更糟,使得许多流行的基于破碎空间、非一致或多面体网格的方法特别具有挑战性。在本文中,我们提出了一种虚拟元素方法,用于求解不均匀介质中的二维定向时间谐波麦克斯韦方程,该方法允许使用任意多边形网格,介质界面可以具有几何奇异性以导致低正则性。本文有两个关键创新点: (i) 所提出的方法在理论上保证实现 $\mathbf{H}^{\theta}$ 正则性 $\theta\in(1/2,1]$ 的解的稳健优化收敛性;(ii) 多面体元素形状可以高度各向异性和收缩,建立了一种显式公式来描述形状正则性和解正则性之间的关系。将给出大量的数值实验来证明所提出的方法的有效性。

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