For $h$-FEM discretisations of the Helmholtz equation with wavenumber $k$, we obtain $k$-explicit analogues of the classic local FEM error bounds of [Nitsche, Schatz 1974], [Wahlbin 1991], [Demlow, Guzm\'an, Schatz 2011], showing that these bounds hold with constants independent of $k$, provided one works in Sobolev norms weighted with $k$ in the natural way. We prove two main results: (i) a bound on the local $H^1$ error by the best approximation error plus the $L^2$ error, both on a slightly larger set, and (ii) the bound in (i) but now with the $L^2$ error replaced by the error in a negative Sobolev norm. The result (i) is valid for shape-regular triangulations, and is the $k$-explicit analogue of the main result of [Demlow, Guzm\'an, Schatz, 2011]. The result (ii) is valid when the mesh is locally quasi-uniform on the scale of the wavelength (i.e., on the scale of $k^{-1}$) and is the $k$-explicit analogue of the results of [Nitsche, Schatz 1974], [Wahlbin 1991]. Since our Sobolev spaces are weighted with $k$ in the natural way, the result (ii) indicates that the Helmholtz FEM solution is locally quasi-optimal modulo low frequencies (i.e., frequencies $\lesssim k$). Numerical experiments confirm this property, and also highlight interesting propagation phenomena in the Helmholtz FEM error.


翻译:对于波数为$k$的亥姆霍兹方程的$h$-有限元离散,我们获得了经典局部有限元误差界[Nitsche, Schatz 1974]、[Wahlbin 1991]、[Demlow, Guzm\'an, Schatz 2011]的$k$显式类比,证明这些误差界在按自然方式用$k$加权的Sobolev范数下成立,且常数与$k$无关。我们证明了两个主要结果:(i) 局部$H^1$误差被稍大区域上的最佳逼近误差加上$L^2$误差所界定;(ii) 在(i)的界中将$L^2$误差替换为负Sobolev范数下的误差。结果(i)适用于形状正则三角剖分,是[Demlow, Guzm\'an, Schatz, 2011]主要结果的$k$显式类比。当网格在波长尺度(即$k^{-1}$尺度)上局部拟均匀时,结果(ii)成立,是[Nitsche, Schatz 1974]、[Wahlbin 1991]结果的$k$显式类比。由于我们的Sobolev空间按自然方式用$k$加权,结果(ii)表明亥姆霍兹方程有限元解在低频(即频率$\lesssim k$)模意义下是局部拟最优的。数值实验验证了这一性质,并揭示了亥姆霍兹方程有限元误差中有趣的传播现象。

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