Subscription request:

podpiska@panor.ru

For all questions:

+7 495 274-22-22

UDK: 621.9 DOI:10.33920/pro-2-2201-04

Analysis of the application of various numerical integration methods and their practical implementation in MATLAB CAD

Yudachev S.S., PhD Candidate in Engineering, associate professor, Bauman Moscow State Technical University, Moscow
Sitnikov S.S., Bauman Moscow State Technical University, Moscow
Gordienko N.A., Bauman Moscow State Technical University, Moscow
Monakhov P.A., Bauman Moscow State Technical University, Moscow

The article presents an analysis of numerical integration methods. These methods are frequently used in solving various technical problems in production. Iterative numerical methods in MATLAB CAD are considered and implemented, including the method of integration by central rectangles, the trapezoidal method, and Simpson’s rule. The practical significance of the work is familiarization with basic numerical methods that are widely used in computing, as well as with a powerful computing tool – MATLAB. In the course of the work, the algorithms of each method are described, program codes with illustrations for evaluating the results of calculating by a particular method are given. The conclusions are drawn regarding the accuracy of each method. The software and mathematical excerpts used in the work are publicly available on the Internet, which allows anyone to carry out similar work and make sure that the written codes and the obtained conclusions are correct. This work can be used not only to train students in the field of electronic device development in terms of their algorithmization and for the organization of laboratory work, but also in the creation and design of real devices both in production and within a higher educational institution, for example, for the development of laboratory work using specialized CAD. Familiarization and study of this software are conducted at the departments of one of the leading engineering universities of the Russian Federation.

Для анализа энергетических характеристик принятого сигнала в радиоприемных устройствах используются численные методы интегрирования. В теории численных методов мы познакомимся с самыми простыми методами реализации операции интегрирования, а именно методом интегрирования средними прямоугольниками, методом трапеций, методом Симпсона. Все эти методы представляют собой квадратурную формулу представления интеграла (1):

где: f(x) — непрерывная функция на отрезке [a, b];

— некоторые точки из отрезка [a, b]; Ai — весовые параметры квадратурной формулы, N — количество разбиений отрезка.

Рассмотрим последовательно реализацию этих методов в САПР Matlab.

В данном методе отрезок [a, b] разбивается на N равных по длине элементарных отрезков интегрирования, в качестве элементарной криволинейной трапеции используют эквивалентные прямоугольники с основанием, равным длине элементарного отрезка, и высотой, равной значению функции f0 в точке

(рис. 1).

Общая формула метода средних прямоугольников имеет вид (2):

где: h — длина элементарного отрезка.

Рассмотрим реализацию данного метода в САПР Matlab, в качестве исходной функции используем f (x) = sin (x) *cos (4*x) на интервале [0, 100] с шагом интегрирования h = 1:

В результате использования этого метода получаем I = 0,5308, на нахождение ответа программа затратила 0,001260 сек., что говорит о ее простоте счета.

В данном методе отрезок [a, b] разбивается на N равных по длине элементарных отрезков интегрирования, в качестве элементарной криволинейной трапеции используют эквивалентные трапеции с основаниями, равными значениям функции f0, f1 в точках xi, xi–1, и высотой, равной длине элементарного отрезка (рис. 2).

Общая формула метода трапеций имеет вид (3):

Рассмотрим реализацию данного метода в САПР Matlab, в качестве исходной функции используем f (x) = sin (x) *cos (4*x) на интервале [0, 100] с шагом интегрирования h = 1:

For citation:
Yudachev, Sitnikov, Gordienko, Monakhov, Analysis of the application of various numerical integration methods and their practical implementation in MATLAB CAD. Chief Mechanical Engineer. 2022;1.
The full version of the article is available for subscribers of the journal
Article language:
Actions with selected: