We consider the $h$-version of the finite-element method, where accuracy is increased by decreasing the meshwidth $h$ while keeping the polynomial degree $p$ constant, applied to the Helmholtz equation. Although the question "how quickly must $h$ decrease as the wavenumber $k$ increases to maintain accuracy?" has been studied intensively since the 1990s, none of the existing rigorous wavenumber-explicit analyses take into account the approximation of the geometry. In this paper we prove that for nontrapping problems solved using straight elements the geometric error is order $kh$, which is then less than the pollution error $k(kh)^{2p}$ when $k$ is large; this fact is then illustrated in numerical experiments. More generally, we prove that, even for problems with strong trapping, using degree four (in 2-d) or degree five (in 3-d) polynomials and isoparametric elements ensures that the geometric error is smaller than the pollution error for most large wavenumbers.


翻译:我们考虑有限元法的$h$版本(即通过减小网格宽度$h$同时保持多项式次数$p$不变来提高精度)应用于亥姆霍兹方程。尽管自20世纪90年代以来,“随着波数$k$增大,为保持精度$h$必须以多快的速度减小?”这一问题已得到深入研究,但现有严格的波数显式分析均未考虑几何近似的影响。本文证明,对于使用直线单元求解的非陷波问题,几何误差为$kh$量级,当$k$较大时该误差小于污染误差$k(kh)^{2p}$;数值实验进一步验证了这一结论。更一般地,我们证明即使对于具有强陷波特性的问题,在二维中使用四次多项式、在三维中使用五次多项式并结合等参单元,也能确保在大多数大波数情况下几何误差小于污染误差。

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