Resumo: Estudamos neste trabalho o método de elementos finitos para aproximação de funções, e integração de equações diferenciais parciais sobre a esfera S2. Tais problemas ocorrem em várias aplicações práticas, incluindo modelagem global do tempo, geofísica, iluminação, etc. Definimos um polinômio esférico como sendo a restrição à esfera sn-l de um polinômio nas coordenadas cartesianas (Xl, x2,.", xn) de Rn. Denotamos por pd,n /sn-l o espaço de todos os polinômios esféricos de grau total :s:d, e por 1ld,n/sn-l o espaço dos polinômios esféricos homogêneos de grau total d. As funções que investigamos são as funções esféricas Cr polinomiais por partes, ou splines esféricos Cr, definidos em relação a uma triangulação esférica T de sn-l. Seja p~,n[T]/sn-l o espaço de todas as funções f de sn-l em R tais que (1) a restrição de f a cada triângulo de T coincide com uma função de pd,n/sn-l; e (2) a função f tem continuidade de ordem-r através das fronteiras de T. Analogamente, seja 1l~,n[TJlsn-l o sub-espaço de p~,n[T]/sn-l dos splines esféricos homogêneos, que consiste das funções que são 1ld,n/sn-l em cada triângulo de T. Neste trabalho mostramos que pd,n/sn-l = 1ld-l,n /sn-l EB1ld,n/sn-l, e estendemos esse resultado aos splines esféricos, mostrando que p~,n[TJlsn-l = 1l~-l,n[TJlsn-l EB1l~,n[T]jsn-l. Alfeld, Neamtu e Schumaker propuseram recentemente o espaço 1l~[TJlS2 para aproximação na esfera S2, e obtiveram uma construção explícita de uma base para o espaço 1l~[T]/S2, quando d 2: 3r + 2. Combinando .esta construção com o nosso resultado, acima descrito, nós obtemos uma base local explícita para o espaço P~[T]jS2 quando d 2:3r + 3. Nossa tese é que o P~[T]jS2 é um espaço de aproximação mais natural e eficaz do que 1l~[T]/S2. Analisamos, em particular, o uso dos espaços Pg[T]jS2 e Pf[T]jS2 para aproximar funções restritas a esfera S2, pelo critério dos mínimos quadrados. Analisamos também o uso do espaço Pf[TJlS2 para resolução numérica de equações diferenciais parciais na esfera, pelo método dos elementos finitos, e descrevemos uma
técnica multi-escala para acelerar a convergência em malhas finas Ver menos

Abstract: We study in this work the finite element method for function approximation and integration of partial differential equation on the sphere S2. These problems occur in many pratical applications, including global weather modeling, geophysics, illumination,
etc.. A spherical polynomial is the restriction to the sphere sn-l of a polynomial in the coordinates Xl, X2,. . . , Xn of Rn. We denote by pd,n/sn-l the space of spherical polynomials with total degree :::; d, and by 1íd,n/sn-l the space of homogeneous
spherical polynomials with total degree d. The functions we investigate are the Cr piecewise polynomial functions on sn-l, or Cr spherical splines, defined relative to a spherical triangulation T on the sphere sn-l. Let p~,n[T]jsn-l be the space of all functions f from sn-l to R such that (1) the restriction of f to each triangle of T matches some function in pd,n /sn-l; and (2) the function f has order-r continuity across the boundaries of T. Analogously, let 1í~,n[T]jsn-1 denote the subspace ofP~,n[T]/sn-l, the homogeneous spherical splines, which consists of the functions that are 1íd,n/sn-l within each triangle of T. We show that pd,n/sn-l = 1íd,n/sn-l EB1íd-l,n /sn-l, and generalize this result to spherical splines, showing that p~,n[T]jsn-1 = 1í~,n[T]jsn-1 EB1í~-I,n[T]jsn-l. Alfeld, Neamtu and Shumaker proposed recently the space 1í~[T]jS2 for approximation on the sphere S2, and they obtained explicit bases for that space, when d 2 3r + 2. Combining their construction with our result above, we obtain explicit local bases for the spaces p~[T]jS2, when d 2 3r + q. We argue that the space P~[T]jS2 is a more natural and effective tool than 1í~[T]jS2 for approximation on the sphere. We analyze, in particular, the use of spaces Pg[T]jS2 and Pf[T]jS2 for least squares function approximation on the sphere S2. We analyze also the use of the space Pf[T]jS2 in the numerical integration of partial differential equations; and we describe a multi-scale technique for accelerating the convergence on large grids Ver menos