- หน้าแรก
- คลังความรู้
- อนุพันธ์
// บทที่ 4 · คณิตศาสตร์วิศวกรรม · Differential Calculus
อนุพันธ์ (Differential Calculus): นิยาม สูตร และวิธีทำทีละขั้น
อนุพันธ์วัดว่าสิ่งหนึ่งเปลี่ยนเร็วแค่ไหนเทียบกับอีกสิ่ง เป็นภาษาของความเร็ว กระแส กำลัง ความชันของคาน และการหาจุดที่ดีที่สุด หน้านี้รวมทุกอย่างที่ต้องใช้ตั้งแต่นิยามที่ลากดูได้ สูตรครบทุกกลุ่มพร้อมรหัส D ไปจนถึงการหาค่าสุดขีดและนิวตัน-ราฟสัน ส่วนตัวอย่างงานจริงในวิศวกรรมไฟฟ้า เครื่องกล และโยธา แยกไว้ในหน้าการประยุกต์
สรุปใน 30 วินาที
- f′(x)=limh→0hf(x+h)−f(x) = ความชันของเส้นสัมผัส = อัตราการเปลี่ยนแปลงขณะหนึ่ง
- (xn)′=nxn−1 · (uv)′=u′v+uv′ · (u/v)′=(u′v−uv′)/v2 · f(g(x))′=f′(g)g′
- จุดวิกฤต f′ = 0 → f″ < 0 สูงสุด · f″ > 0 ต่ำสุด
- ใกล้จุด a: f(x)≈f(a)+f′(a)(x−a) และหารากด้วย xn+1=xn−f/f′
ระดับพื้นฐาน ม.ปลาย · ปี 1กลาง ป.ตรี วิศวกรรมขั้นสูง เชิงตัวเลข
นิยาม: จากเส้นตัดสู่เส้นสัมผัส พื้นฐาน
ความชันของเส้นตัดผ่านสองจุดบนกราฟคืออัตราการเปลี่ยนแปลงเฉลี่ย เมื่อเลื่อนจุดที่สองเข้าหาจุดแรก (h → 0) เส้นตัดจะหมุนเข้าหาเส้นสัมผัส ความชันที่ได้คืออนุพันธ์
D1 Derivative นิยามอนุพันธ์
f′(x)=dxdy=h→0limhf(x+h)−f(x)
สัญลักษณ์: f′(x) (ลากรองจ์) · dxdy (ไลบ์นิซ) · x˙ (นิวตัน ใช้กับเวลา) · Df
D2 Tangent line สมการเส้นสัมผัส
y=f(a)+f′(a)(x−a)
D3 Differentiability หาอนุพันธ์ได้ ⇒ ต่อเนื่อง
f′(a) มีค่า⇒f ต่อเนื่องที่ a(กลับกันไม่จริง: ∣x∣ ที่ 0)
ตัวอย่าง D-1 · จากนิยามหาอนุพันธ์ของ f(x)=x2 และ g(x)=x จากนิยาม
- h(x+h)2−x2=h2xh+h2=2x+hh→02x
คูณคอนจูเกต (เหมือนตัวอย่าง L-5)
hx+h−x⋅x+h+xx+h+x=x+h+x1h→02x1
(x2)′=2x, (x)′=2x1 ตรงกับกฎยกกำลัง nxn−1 ที่ n=2 และ n=21
แล็บเส้นตัด → เส้นสัมผัส และกราฟของอนุพันธ์
ลากจุดสีส้มไปตามกราฟ และเลื่อน h ลงไปที่ศูนย์ กราฟล่างคือ f′(x) (เขียว) และ f′′(x) (ม่วง เส้นประ) จุดเขียวบนแกน x คือจุดวิกฤตที่ f′ = 0 สังเกตว่าตรงที่ f′ เป็นบวก กราฟบนกำลังขึ้นเสมอ พิมพ์ฟังก์ชันของคุณเองได้
สูตรอนุพันธ์ครบทุกกลุ่ม พื้นฐาน
กฎพื้นฐาน
D4 Constant rule ค่าคงที่
dxdc=0
D6 Linearity ผลบวกและตัวคูณ
(af+bg)′=af′+bg′
D7 Product rule ผลคูณ
(uv)′=u′v+uv′
D8 Quotient rule ผลหาร
(vu)′=v2u′v−uv′
D9 Chain rule กฎลูกโซ่
dxdf(g(x))=f′(g(x))g′(x),dxdy=dudydxdu
เอกซ์โพเนนเชียลและลอการิทึม
D10 Natural exponential
dxdex=ex,dxdeax=aeax
D11 General exponential
dxdax=axlna
D12 Natural logarithm
dxdln∣x∣=x1
D13 Logarithm base a
dxdlogax=xlna1
ตรีโกณมิติ
D14 sin, cos
(sinx)′=cosx,(cosx)′=−sinx
D15 tan, cot
(tanx)′=sec2x,(cotx)′=−csc2x
D16 sec, csc
(secx)′=secxtanx,(cscx)′=−cscxcotx
ตรีโกณผกผันและไฮเพอร์โบลิก
D17 arcsin, arccos
(sin−1x)′=1−x21,(cos−1x)′=−1−x21
D18 arctan, arccot
(tan−1x)′=1+x21,(cot−1x)′=−1+x21
D19 Hyperbolic
(sinhx)′=coshx,(coshx)′=sinhx
ตัวอย่าง D-2 · ผลคูณและผลหาร(ก) dxd(x2sinx) (ข) dxdx−1x2+1
(ก) u=x2, v=sinx D7
2xsinx+x2cosx
(ข) u=x2+1, v=x−1 D8
(x−1)22x(x−1)−(x2+1)(1)=(x−1)2x2−2x−1
(ก) 2xsinx+x2cosx · (ข) (x−1)2x2−2x−1
กฎลูกโซ่ อนุพันธ์โดยปริยาย และลอการิทึม กลาง
ตัวอย่าง D-3 · กฎลูกโซ่(ก) dxd(3x2+1)5 (ข) dtdVmsin(ωt+ϕ) (ค) dtde−t/τ
(ก) ชั้นนอก ( )5 ชั้นใน 3x2+1 D9
5(3x2+1)4⋅6x=30x(3x2+1)4
(ข) Vmcos(ωt+ϕ)⋅ω=ωVmcos(ωt+ϕ) — ความถี่ยิ่งสูง อนุพันธ์ยิ่งใหญ่
(ค) e−t/τ⋅(−τ1)=−τ1e−t/τ — ความชันเริ่มต้นเป็น −1/τ
กฎลูกโซ่คือเหตุที่ i=Cdv/dt ของแรงดันไซน์ได้ ωCVm และเป็นที่มาของ XC=1/(ωC)
D20 Implicit differentiation อนุพันธ์โดยปริยาย
F(x,y)=0⇒หาอนุพันธ์ทั้งสองข้างเทียบ x โดยถือ y=y(x)
D21 Logarithmic differentiation ใส่ ln ก่อนหาอนุพันธ์
y=f(x)g(x)⇒yy′=dxd[glnf]
ตัวอย่าง D-4 · โดยปริยายและลอการิทึม(ก) ความชันของวงกลม x2+y2=25 ที่ (3,4) (ข) dxdxx
(ก) 2x+2yy′=0⇒y′=−x/y ที่ (3,4): y′=−43
(ข) lny=xlnx⇒yy′=lnx+1⇒y′=xx(lnx+1)
(ก) −43 (ตั้งฉากกับรัศมีที่มีความชัน 34) · (ข) xx(1+lnx)
อนุพันธ์อันดับสูง และฟังก์ชันอิงพารามิเตอร์ กลาง
D22 Higher derivatives อนุพันธ์อันดับสูง
f′′(x)=dx2d2y,f(n)(x)=dxndny
ตำแหน่ง → ความเร็ว → ความเร่ง → jerk · f′′ บอกความเว้า
D23 Parametric curves อิงพารามิเตอร์
dxdy=dx/dtdy/dt,dx2d2y=dx/dtdtd(dxdy)
ตัวอย่าง D-5 · การสั่นแบบฮาร์มอนิกแสดงว่า y=Acosωt+Bsinωt สอดคล้อง y′′+ω2y=0
- y′=−Aωsinωt+Bωcosωt,y′′=−Aω2cosωt−Bω2sinωt=−ω2y
y′′+ω2y=0 ✓ คือสมการของวงจร LC ไม่มีความต้านทานและมวล-สปริงไม่มีแรงหน่วง ความถี่ ω=1/LC หรือ k/m
เมื่อหลายปริมาณเปลี่ยนตามเวลาและผูกกันด้วยสมการ ให้หาอนุพันธ์ทั้งสมการเทียบ t (ใช้กฎลูกโซ่ทุกตัวแปร) แล้วแทนค่า ณ ขณะที่ถาม
ตัวอย่าง D-6 · บันไดลื่น
บันไดยาว 5 m พิงผนัง ปลายล่างเลื่อนออกด้วยอัตรา 0.5 m/s ขณะปลายล่างห่างผนัง 3 m ปลายบนเลื่อนลงเร็วเท่าใด
x2+y2=25 หาอนุพันธ์เทียบ t: 2xx˙+2yy˙=0
ขณะ x=3: y=4
y˙=−yxx˙=−43(0.5)=−0.375 m/s
ปลายบนเลื่อนลง 0.375 m/s (เครื่องหมายลบ = ลดลง)
ค่าสูงสุด ต่ำสุด ความเว้า และการวาดกราฟ พื้นฐาน
D24 Critical points จุดวิกฤต
f′(c)=0 หรือ f′(c) ไม่นิยาม
D25 First derivative test
f′:+→−⇒สูงสุด,−→+⇒ต่ำสุด
D26 Second derivative test
f′(c)=0: f′′(c)<0⇒สูงสุด, f′′(c)>0⇒ต่ำสุด
D27 Concavity & inflection ความเว้า
f′′>0 เว้าขึ้น, f′′<0 เว้าลง, f′′ เปลี่ยนเครื่องหมาย⇒จุดเปลี่ยนเว้า
D28 Closed-interval method ค่าสุดขีดสัมบูรณ์บน [a, b]
[a,b]maxf=max{f(a), f(b), f(c1), …},ci=จุดวิกฤตใน (a,b)
ตัวอย่าง D-7 · ค่าสุดขีดบนช่วงปิดหาค่าสูงสุดและต่ำสุดสัมบูรณ์ของ f(x)=x3−3x บน [−2,3]
f′(x)=3x2−3=0⇒x=±1 (อยู่ในช่วงทั้งคู่)
เทียบค่า: f(−2)=−2, f(−1)=2, f(1)=−2, f(3)=18
สูงสุดสัมบูรณ์ 18 ที่ x=3 (ปลายช่วง ไม่ใช่จุดวิกฤต) · ต่ำสุดสัมบูรณ์ −2 ที่ x=−2 และ x=1 · ค่า 2 ที่ x=−1 เป็นเพียงสูงสุดสัมพัทธ์
ปัญหาหาค่าเหมาะสมในงานจริง (กล่อง กระป๋อง ถ่ายโอนกำลังสูงสุด คานจากซุง) พร้อมแล็บ อยู่ในหน้าการประยุกต์
ทฤษฎีบทค่าเฉลี่ยและการประมาณเชิงเส้น กลาง
D29 Mean value theorem ทฤษฎีบทค่าเฉลี่ย
∃c∈(a,b): f′(c)=b−af(b)−f(a)
f ต่อเนื่องบน [a, b] หาอนุพันธ์ได้บน (a, b) · กรณี f(a)=f(b) คือทฤษฎีบทของโรล · ตัวอย่าง: ขับรถเฉลี่ย 90 km/h แปลว่ามีขณะหนึ่งที่มาตรวัดชี้ 90 พอดี
D30 Linearization การประมาณเชิงเส้น
f(x)≈f(a)+f′(a)(x−a)
พื้นฐานของแบบจำลองสัญญาณเล็ก (small-signal) ของทรานซิสเตอร์และการทำให้ระบบไม่เชิงเส้นเป็นเชิงเส้นในวิชาควบคุม
D31 Differentials & error propagation การแพร่ของความคลาดเคลื่อน
dy=f′(x)dx,y=kxn⇒ydy=nxdx
ตัวอย่าง D-8 · ประมาณและความคลาดเคลื่อน(ก) ประมาณ 4.1 (ข) วัด V=230 V คลาด ±1% กำลังในตัวต้านทาน P=V2/R คลาดกี่ %
(ก) f=x, a=4: f(4)=2, f′(4)=41
4.1≈2+41(0.1)=2.025
(ข) P∝V2 ใช้ D31 ด้วย n=2: PdP=2VdV=2(±1%)
(ก) 2.025 (ค่าจริง 2.02485 คลาด 0.007%) · (ข) ±2% ความคลาดเคลื่อนสัมพัทธ์คูณด้วยเลขชี้กำลังเสมอ
วิธีนิวตัน-ราฟสัน (Newton–Raphson) ขั้นสูง
หารากของ f(x)=0 โดยลากเส้นสัมผัสที่จุดปัจจุบันลงไปตัดแกน x แล้วใช้จุดตัดเป็นค่าประมาณถัดไป ใกล้รากจำนวนหลักทศนิยมที่ถูกเพิ่มเป็นสองเท่าทุกรอบ (ลู่เข้าแบบกำลังสอง) โปรแกรมจำลองวงจรอย่าง SPICE ใช้วิธีนี้หาจุดทำงานของไดโอดและทรานซิสเตอร์
D32 Newton–Raphson iteration
xn+1=xn−f′(xn)f(xn)
ล้มเหลวได้ถ้า f′(xn)≈0 หรือเริ่มไกลรากเกินไป · a: xn+1=21(xn+xna) (วิธีของชาวบาบิโลน)
ตัวอย่าง D-9 · ตัวอย่างดั้งเดิมของนิวตันหารากของ x3−2x−5=0 เริ่มที่ x0=2
f′(x)=3x2−2 · x1=2−12−28−4−5=2+0.1=2.1
x2=2.1−13.23−29.261−4.2−5=2.1−11.230.061=2.0945681
x3=2.0945515 · x4=2.0945514815
ราก ≈2.0945514815 ใช้เพียง 4 รอบได้ 10 หลัก
หน้าในชุดอนุพันธ์และค้นหาสูตร
ทั้งหมด 46 สูตร
- D1Derivativeนิยามอนุพันธ์
f′(x)=dxdy=h→0limhf(x+h)−f(x)
- D2Tangent lineสมการเส้นสัมผัส
y=f(a)+f′(a)(x−a)
- D3Differentiabilityหาอนุพันธ์ได้ ⇒ ต่อเนื่อง
f′(a) มีค่า⇒f ต่อเนื่องที่ a(กลับกันไม่จริง: ∣x∣ ที่ 0)
- D4Constant ruleค่าคงที่
dxdc=0
- D5Power ruleกฎยกกำลัง
dxdxn=nxn−1,n∈R
- D6Linearityผลบวกและตัวคูณ
(af+bg)′=af′+bg′
- D7Product ruleผลคูณ
(uv)′=u′v+uv′
- D8Quotient ruleผลหาร
(vu)′=v2u′v−uv′
- D9Chain ruleกฎลูกโซ่
dxdf(g(x))=f′(g(x))g′(x),dxdy=dudydxdu
- D10Natural exponential
dxdex=ex,dxdeax=aeax
- D11General exponential
dxdax=axlna
- D12Natural logarithm
dxdln∣x∣=x1
- D13Logarithm base a
dxdlogax=xlna1
- D14sin, cos
(sinx)′=cosx,(cosx)′=−sinx
- D15tan, cot
(tanx)′=sec2x,(cotx)′=−csc2x
- D16sec, csc
(secx)′=secxtanx,(cscx)′=−cscxcotx
- D17arcsin, arccos
(sin−1x)′=1−x21,(cos−1x)′=−1−x21
- D18arctan, arccot
(tan−1x)′=1+x21,(cot−1x)′=−1+x21
- D19Hyperbolic
(sinhx)′=coshx,(coshx)′=sinhx
- D20Implicit differentiationอนุพันธ์โดยปริยาย
F(x,y)=0⇒หาอนุพันธ์ทั้งสองข้างเทียบ x โดยถือ y=y(x)
- D21Logarithmic differentiationใส่ ln ก่อนหาอนุพันธ์
y=f(x)g(x)⇒yy′=dxd[glnf]
- D22Higher derivativesอนุพันธ์อันดับสูง
f′′(x)=dx2d2y,f(n)(x)=dxndny
- D23Parametric curvesอิงพารามิเตอร์
dxdy=dx/dtdy/dt,dx2d2y=dx/dtdtd(dxdy)
- D24Critical pointsจุดวิกฤต
f′(c)=0 หรือ f′(c) ไม่นิยาม
- D25First derivative test
f′:+→−⇒สูงสุด,−→+⇒ต่ำสุด
- D26Second derivative test
f′(c)=0: f′′(c)<0⇒สูงสุด, f′′(c)>0⇒ต่ำสุด
- D27Concavity & inflectionความเว้า
f′′>0 เว้าขึ้น, f′′<0 เว้าลง, f′′ เปลี่ยนเครื่องหมาย⇒จุดเปลี่ยนเว้า
- D28Closed-interval methodค่าสุดขีดสัมบูรณ์บน [a, b]
[a,b]maxf=max{f(a), f(b), f(c1), …},ci=จุดวิกฤตใน (a,b)
- D29Mean value theoremทฤษฎีบทค่าเฉลี่ย
∃c∈(a,b): f′(c)=b−af(b)−f(a)
- D30Linearizationการประมาณเชิงเส้น
f(x)≈f(a)+f′(a)(x−a)
- D31Differentials & error propagationการแพร่ของความคลาดเคลื่อน
dy=f′(x)dx,y=kxn⇒ydy=nxdx
- D32Newton–Raphson iteration
xn+1=xn−f′(xn)f(xn)
- A1Capacitorตัวเก็บประจุ
iC=CdtdvC
- A2Inductorตัวเหนี่ยวนำ
vL=LdtdiL
- A3Faraday's lawกฎของฟาราเดย์
e=−NdtdΦ=−dtdλ
- A4Maximum power transferถ่ายโอนกำลังสูงสุด
P=(Rs+RL)2Vs2RL,dRLdP=0⇒RL=Rs, Pmax=4RsVs2
- A5Small-signal resistanceความต้านทานพลวัต
rd=dIDdVD=IDnVT
- A6Sensitivityความไว
Sxy=∂x∂y⋅yx≈Δx/xΔy/y
- A7Kinematicsจลนศาสตร์
v=dtdx,a=dtdv=dt2d2x,a=vdxdv
- A8Slider–crankข้อเหวี่ยง-ก้านสูบ
x(θ)=rcosθ+l2−r2sin2θ,v=ωdθdx,a≈−rω2(cosθ+lrcos2θ)
- A9Newton's second law
F=dtdp=mdtdv (m คงที่)
- A10Fourier's lawการนำความร้อน
q=−kdxdT (W/m2)
- A11Motor powerกำลังของมอเตอร์ DC
T=T0(1−ω0ω), P=Tω⇒Pmax=4T0ω0 ที่ ω=2ω0
- A12Beam relationsความสัมพันธ์ของคาน
dxdV=−w(x),dxdM=V(x),θ=dxdy,EIdx2d2y=M(x)
- A13Vertical curveโค้งทางดิ่งแบบพาราโบลา
y=g1x+2Lg2−g1x2,y′=0⇒x=g1−g2g1L
- A14Best rectangular channelหน้าตัดรางน้ำดีที่สุด
P=yA+2y,dydP=0⇒b=2y
ไม่พบสูตรที่ตรงกัน ลองพิมพ์คำอื่น หรือใช้ภาษาอังกฤษ เช่น inverse, determinant, eigenvalue
คำถามที่พบบ่อย
อนุพันธ์คืออะไรในภาษาง่าย ๆ?
อัตราการเปลี่ยนแปลง ณ ขณะหนึ่ง หรือความชันของเส้นสัมผัสกราฟ เช่น ความเร็วคืออนุพันธ์ของตำแหน่ง กระแสคืออนุพันธ์ของประจุ และกระแสในตัวเก็บประจุเป็นสัดส่วนกับอนุพันธ์ของแรงดัน i=Cdv/dt
กฎลูกโซ่ใช้เมื่อไร?
เมื่อมีฟังก์ชันซ้อนฟังก์ชัน เช่น sin(ωt), e−t/τ, (3x2+1)5 ให้หาอนุพันธ์ของฟังก์ชันชั้นนอกโดยคงข้างในไว้ แล้วคูณด้วยอนุพันธ์ของข้างใน dxdf(g(x))=f′(g(x))g′(x)
หาค่าสูงสุด-ต่ำสุดอย่างไร?
หาจุดวิกฤตที่ f′ = 0 หรือไม่นิยาม แล้วทดสอบด้วยอนุพันธ์อันดับสอง (f″ < 0 สูงสุด, f″ > 0 ต่ำสุด) หรือดูการเปลี่ยนเครื่องหมายของ f′ ถ้าเป็นช่วงปิดต้องเทียบกับค่าที่ปลายช่วงด้วย
ฟังก์ชันต่อเนื่องหาอนุพันธ์ได้เสมอไหม?
ไม่ หาอนุพันธ์ได้ทำให้ต่อเนื่อง แต่กลับกันไม่จริง เช่น ∣x∣ ต่อเนื่องที่ x = 0 แต่มีมุมแหลม ความชันซ้ายเป็น −1 ขวาเป็น 1 จึงไม่มีอนุพันธ์ที่จุดนั้น
มด
อาจารย์มด · ธีรวุฒิ แสวงบุญ
อาจารย์สาขาวิชาวิศวกรรมไฟฟ้า มหาวิทยาลัยราชภัฏธนบุรี สมุทรปราการ · ดูโปรไฟล์