We discuss parallel (additive) and sequential (multiplicative) variants of overlapping Schwarz methods for the Helmholtz equation in $\mathbb{R}^d$, with large real wavenumber and smooth variable wave speed. The radiation condition is approximated by a Cartesian perfectly-matched layer (PML). The domain-decomposition subdomains are overlapping hyperrectangles with Cartesian PMLs at their boundaries. In a recent paper ({\tt arXiv:2404.02156}), the current authors proved (for both variants) that, after a specified number of iterations -- depending on the behaviour of the geometric-optic rays -- the error is smooth and smaller than any negative power of the wavenumber $k$. For the parallel method, the specified number of iterations is less than the maximum number of subdomains, counted with their multiplicity, that a geometric-optic ray can intersect. The theory, which is given at the continuous level and makes essential use of semi-classical analysis, assumes that the overlaps of the subdomains and the widths of the PMLs are all independent of the wavenumber. In this paper we extend the results of {\tt arXiv:2404.02156} by experimentally studying the behaviour of the methods in the practically important case when both the overlap and the PML width decrease as the wavenumber increases. We find that (at least for constant wavespeed), the methods remain robust to increasing $k$, even for miminal overlap, when the PML is one wavelength wide.


翻译:本文讨论$\mathbb{R}^d$中具有大实波数及光滑可变波速的Helmholtz方程的重叠Schwarz方法的并行(加法型)与顺序(乘法型)变体。辐射条件采用笛卡尔完美匹配层(PML)进行近似。区域分解子域为相互重叠的超矩形,其边界处均设有笛卡尔PML。在近期论文({\tt arXiv:2404.02156})中,本文作者证明了(针对两种变体)经过特定次数的迭代——该次数取决于几何光学射线的传播特性——误差将变得光滑且小于波数$k$的任意负幂次。对于并行方法,该特定迭代次数小于几何光学射线可能穿过的子域最大数量(计入重复穿越)。该理论在连续层面建立,并本质性地运用了半经典分析,其假设子域重叠宽度与PML厚度均与波数无关。本文通过实验研究在重叠宽度与PML厚度随波数增大而减小的实际重要情形下方法的性能,从而扩展了{\tt arXiv:2404.02156}的结果。我们发现(至少对于恒定波速情形),当PML宽度为一个波长时,即使采用最小重叠宽度,该方法对增大的$k$值仍保持鲁棒性。

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