This work presents an abstract framework for the design, implementation, and analysis of the multiscale spectral generalized finite element method (MS-GFEM), a particular numerical multiscale method originally proposed in [I. Babuska and R. Lipton, Multiscale Model.\;\,Simul., 9 (2011), pp.~373--406]. MS-GFEM is a partition of unity method employing optimal local approximation spaces constructed from local spectral problems. We establish a general local approximation theory demonstrating exponential convergence with respect to local degrees of freedom under certain assumptions, with explicit dependence on key problem parameters. Our framework applies to a broad class of multiscale PDEs with $L^{\infty}$-coefficients in both continuous and discrete, finite element settings, including highly indefinite problems (convection-dominated diffusion, as well as the high-frequency Helmholtz, Maxwell and elastic wave equations with impedance boundary conditions), and higher-order problems. Notably, we prove a local convergence rate of $O(e^{-cn^{1/d}})$ for MS-GFEM for all these problems, improving upon the $O(e^{-cn^{1/(d+1)}})$ rate shown by Babuska and Lipton. Moreover, based on the abstract local approximation theory for MS-GFEM, we establish a unified framework for showing low-rank approximations to multiscale PDEs. This framework applies to the aforementioned problems, proving that the associated Green's functions admit an $O(|\log\epsilon|^{d})$-term separable approximation on well-separated domains with error $\epsilon>0$. Our analysis improves and generalizes the result in [M. Bebendorf and W. Hackbusch, Numerische Mathematik, 95 (2003), pp.~1-28] where an $O(|\log\epsilon|^{d+1})$-term separable approximation was proved for Poisson-type problems.


翻译:本文提出了一个抽象框架,用于设计、实现和分析多尺度谱广义有限元法(MS-GFEM)——一种最初由I. Babuska和R. Lipton提出的特定数值多尺度方法。MS-GFEM是一种单位分解法,采用通过局部谱问题构造的最优局部逼近空间。我们建立了一般局部逼近理论,在特定假设下证明了解析收敛性(收敛速度关于局部自由度呈指数级),并显式依赖关键问题参数。该框架适用于一大类具有$L^{\infty}$系数的多尺度偏微分方程,涵盖连续和离散有限元两种情形,包括高度不定问题(对流占优扩散、以及具有阻抗边界条件的高频亥姆霍兹方程、麦克斯韦方程和弹性波方程)和高阶问题。值得注意的是,我们证明了针对所有这些问题的MS-GFEM局部收敛率为$O(e^{-cn^{1/d}})$,优于Babuska和Lipton证明的$O(e^{-cn^{1/(d+1)}})$收敛率。此外,基于MS-GFEM的抽象局部逼近理论,我们建立了多尺度偏微分方程低秩逼近的统一框架。该框架适用于前述问题,证明相关格林函数在分离良好的区域上允许误差为$\epsilon>0$的$O(|\log\epsilon|^{d})$项可分离逼近。我们的分析改进并推广了M. Bebendorf和W. Hackbusch的结果——他们曾针对泊松型问题证明了$O(|\log\epsilon|^{d+1})$项可分离逼近。

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