Computing with Functions in Spherical and Polar Geometries I. The Sphere

数学 单位球 解算器 自由度(物理和化学) 数值积分 功能(生物学) 应用数学 数学分析 算法 数学优化 量子力学 进化生物学 生物 物理
作者
Alex Townsend,Heather Wilber,Grady B. Wright
出处
期刊:SIAM Journal on Scientific Computing [Society for Industrial and Applied Mathematics]
卷期号:38 (4): C403-C425 被引量:63
标识
DOI:10.1137/15m1045855
摘要

A collection of algorithms is described for numerically computing with smooth functions defined on the unit sphere. Functions are approximated to essentially machine precision by using a structure-preserving iterative variant of Gaussian elimination together with the double Fourier sphere method. We show that this procedure allows for stable differentiation, reduces the oversampling of functions near the poles, and converges for certain analytic functions. Operations such as function evaluation, differentiation, and integration are particularly efficient and can be computed by essentially one-dimensional algorithms. A highlight is an optimal complexity direct solver for Poisson's equation on the sphere using a spectral method. Without parallelization, we solve Poisson's equation with $100$ million degrees of freedom in 1 minute on a standard laptop. Numerical results are presented throughout. In a companion paper (part II) we extend the ideas presented here to computing with functions on the disk.

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