We propose and analyze a class of meshfree, super-algebraically convergent methods for partial differential equations (PDEs) on surfaces using Fourier extensions minimizing a measure of non-smoothness (such as a Sobolev norm). Current spectral methods for surface PDEs are primarily limited to a small class of surfaces, such as subdomains of spheres. Other high order methods for surface PDEs typically use radial basis functions (RBFs). Many of these methods are not well-understood analytically for surface PDEs and are highly ill-conditioned. Our methods work by extending a surface PDE into a box-shaped domain so that differential operators of the extended function agree with the surface differential operators, as in the Closest Point Method. The methods can be proven to converge super-algebraically for certain well-posed linear PDEs, and spectral convergence to machine error has been observed numerically for a variety of problems. Our approach works on arbitrary smooth surfaces (closed or non-closed) defined by point clouds with minimal conditions.


翻译:本文提出并分析了一类无网格、超代数收敛的曲面偏微分方程(PDE)数值方法,该方法通过最小化非光滑性度量(如Sobolev范数)的Fourier延拓实现。现有曲面PDE谱方法主要局限于球面子域等少数曲面类型,而其他高阶方法通常采用径向基函数(RBF)。这些方法在曲面PDE的解析分析方面存在不足,且高度病态。我们的方法通过将曲面PDE延拓至矩形域,使得延拓函数的微分算子与曲面微分算子一致(类似最近点方法)。对于适定的线性PDE,可证明该方法超代数收敛,且大量数值实验表明谱精度可达机器误差水平。本方法适用于由点云定义的任意光滑曲面(闭合或非闭合),仅需极低的条件要求。

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