In this paper we consider a class of unfitted finite element methods for scalar elliptic problems. These so-called CutFEM methods use standard finite element spaces on a fixed unfitted triangulation combined with the Nitsche technique and a ghost penalty stabilization. As a model problem we consider the application of such a method to the Poisson interface problem. We introduce and analyze a new class of preconditioners that is based on a subspace decomposition approach. The unfitted finite element space is split into two subspaces, where one subspace is the standard finite element space associated to the background mesh and the second subspace is spanned by all cut basis functions corresponding to nodes on the cut elements. We will show that this splitting is stable, uniformly in the discretization parameter and in the location of the interface in the triangulation. Based on this we introduce an efficient preconditioner that is uniformly spectrally equivalent to the stiffness matrix. Using a similar splitting, it is shown that the same preconditioning approach can also be applied to a fictitious domain CutFEM discretization of the Poisson equation. Results of numerical experiments are included that illustrate optimality of such preconditioners for the Poisson interface problem and the Poisson fictitious domain problem.


翻译:在本文中,我们考虑的是一个不适于使用的限制元素方法类别,用于计算星际椭圆问题。这些所谓的CutFEM方法使用标准的限制元素空间,在一个固定不适于使用的三角格上使用标准的限制元素空间,加上尼采技术和幽灵惩罚稳定。作为一个示范问题,我们考虑将这种方法应用于 Poisson 界面问题。我们引入并分析一个基于子空间分解法的新型先决条件。不适于使用的有限元素空间被分为两个子空间,其中一个子空间是与背景网格相关的标准限制元素空间,第二个子空间则由与切断元素节点相应的所有截断基函数跨越。我们将表明,这种分裂是稳定的,在离散参数和三角格中界面的位置上是统一的。基于这一点,我们引入了一个高效的前提条件,在光谱上与坚硬度矩阵等同。使用类似的分离,表明同样的前提条件方法也可以适用于与Poisson方程式的虚拟域间隔开的CutFEM分解功能。数字实验的结果包括了这种虚拟领域界面问题的最佳前提。

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