พิมพ์คำที่ต้องการค้นหา ทั้งภาษาไทยและอังกฤษ

  1. หน้าแรก
  2. คลังความรู้
  3. 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

เขียนโดย อาจารย์มดอัปเดต
สรุปใน 30 วินาที
  • f′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)hf'(x) = \lim_{h\to0}\frac{f(x+h) - f(x)}{h} = ความชันของเส้นสัมผัส = อัตราการเปลี่ยนแปลงขณะหนึ่ง
  • (xn)′=nxn−1(x^n)' = nx^{n-1} · (uv)′=u′v+uv′(uv)' = u'v + uv' · (u/v)′=(u′v−uv′)/v2(u/v)' = (u'v - uv')/v^2 · f(g(x))′=f′(g)g′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)f(x) \approx f(a) + f'(a)(x - a) และหารากด้วย xn+1=xn−f/f′x_{n+1} = x_n - f/f'
ระดับพื้นฐาน ม.ปลาย · ปี 1กลาง ป.ตรี วิศวกรรมขั้นสูง เชิงตัวเลข

นิยาม: จากเส้นตัดสู่เส้นสัมผัส พื้นฐาน

ความชันของเส้นตัดผ่านสองจุดบนกราฟคืออัตราการเปลี่ยนแปลงเฉลี่ย เมื่อเลื่อนจุดที่สองเข้าหาจุดแรก (h → 0) เส้นตัดจะหมุนเข้าหาเส้นสัมผัส ความชันที่ได้คืออนุพันธ์

เส้นประ: เส้นตัดผ่าน (x₀, f(x₀))และ (x₀ + h, f(x₀ + h))h = 1.6 → 0.9 → 0.4 → 0เส้นเขียว: เส้นสัมผัส ความชัน f′(x₀)f(x) = x³/4 − x + 2, x₀ = 1ความชันเส้นตัด: 1.59 → 0.63 → 0.09f′(1) = −0.25

D1 Derivative นิยามอนุพันธ์

f′(x)=dydx=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)hf'(x) = \frac{dy}{dx} = \lim_{h\to 0}\frac{f(x+h) - f(x)}{h}

สัญลักษณ์: f′(x)f'(x) (ลากรองจ์) · dydx\frac{dy}{dx} (ไลบ์นิซ) · x˙\dot x (นิวตัน ใช้กับเวลา) · DfDf

D2 Tangent line สมการเส้นสัมผัส

y=f(a)+f′(a)(x−a)y = f(a) + f'(a)(x - a)

D3 Differentiability หาอนุพันธ์ได้ ⇒ ต่อเนื่อง

f′(a) มีค่า⇒f ต่อเนื่องที่ a(กลับกันไม่จริง: ∣x∣ ที่ 0)f'(a) \text{ มีค่า} \Rightarrow f \text{ ต่อเนื่องที่ } a\quad(\text{กลับกันไม่จริง: } |x| \text{ ที่ } 0)
ตัวอย่าง D-1 · จากนิยาม

หาอนุพันธ์ของ f(x)=x2f(x) = x^2 และ g(x)=xg(x) = \sqrt x จากนิยาม

  1. (x+h)2−x2h=2xh+h2h=2x+h→h→02x\frac{(x+h)^2 - x^2}{h} = \frac{2xh + h^2}{h} = 2x + h \xrightarrow{h\to0} 2x
  2. คูณคอนจูเกต (เหมือนตัวอย่าง L-5)

    x+h−xh⋅x+h+xx+h+x=1x+h+x→h→012x\frac{\sqrt{x+h} - \sqrt x}{h}\cdot\frac{\sqrt{x+h} + \sqrt x}{\sqrt{x+h} + \sqrt x} = \frac{1}{\sqrt{x+h} + \sqrt x} \xrightarrow{h\to0} \frac{1}{2\sqrt x}

(x2)′=2x(x^2)' = 2x, (x)′=12x(\sqrt x)' = \dfrac{1}{2\sqrt x} ตรงกับกฎยกกำลัง nxn−1nx^{n-1} ที่ n=2n = 2 และ n=12n = \tfrac12

แล็บเส้นตัด → เส้นสัมผัส และกราฟของอนุพันธ์

ลากจุดสีส้มไปตามกราฟ และเลื่อน h ลงไปที่ศูนย์ กราฟล่างคือ f′(x)f'(x) (เขียว) และ f′′(x)f''(x) (ม่วง เส้นประ) จุดเขียวบนแกน x คือจุดวิกฤตที่ f′ = 0 สังเกตว่าตรงที่ f′ เป็นบวก กราฟบนกำลังขึ้นเสมอ พิมพ์ฟังก์ชันของคุณเองได้

สูตรอนุพันธ์ครบทุกกลุ่ม พื้นฐาน

กฎพื้นฐาน

D4 Constant rule ค่าคงที่

ddxc=0\frac{d}{dx}c = 0

D5 Power rule กฎยกกำลัง

ddxxn=nxn−1,n∈R\frac{d}{dx}x^n = nx^{n-1},\quad n \in \mathbb{R}

กรณี n เป็นจำนวนนับ พิสูจน์ด้วยอุปนัยเชิงคณิตศาสตร์

D6 Linearity ผลบวกและตัวคูณ

(af+bg)′=af′+bg′(af + bg)' = af' + bg'

D7 Product rule ผลคูณ

(uv)′=u′v+uv′(uv)' = u'v + uv'

D8 Quotient rule ผลหาร

(uv)′=u′v−uv′v2\left(\frac uv\right)' = \frac{u'v - uv'}{v^2}

D9 Chain rule กฎลูกโซ่

ddxf(g(x))=f′(g(x)) g′(x),dydx=dydududx\frac{d}{dx}f\big(g(x)\big) = f'\big(g(x)\big)\,g'(x),\qquad \frac{dy}{dx} = \frac{dy}{du}\frac{du}{dx}

เอกซ์โพเนนเชียลและลอการิทึม

D10 Natural exponential

ddxex=ex,ddxeax=aeax\frac{d}{dx}e^x = e^x,\qquad \frac{d}{dx}e^{ax} = ae^{ax}

D11 General exponential

ddxax=axln⁡a\frac{d}{dx}a^x = a^x\ln a

D12 Natural logarithm

ddxln⁡∣x∣=1x\frac{d}{dx}\ln|x| = \frac1x

D13 Logarithm base a

ddxlog⁡ax=1xln⁡a\frac{d}{dx}\log_ax = \frac{1}{x\ln a}

ตรีโกณมิติ

D14 sin, cos

(sin⁡x)′=cos⁡x,(cos⁡x)′=−sin⁡x(\sin x)' = \cos x,\qquad (\cos x)' = -\sin x

D15 tan, cot

(tan⁡x)′=sec⁡2x,(cot⁡x)′=−csc⁡2x(\tan x)' = \sec^2x,\qquad (\cot x)' = -\csc^2x

D16 sec, csc

(sec⁡x)′=sec⁡xtan⁡x,(csc⁡x)′=−csc⁡xcot⁡x(\sec x)' = \sec x\tan x,\qquad (\csc x)' = -\csc x\cot x

ตรีโกณผกผันและไฮเพอร์โบลิก

D17 arcsin, arccos

(sin⁡−1x)′=11−x2,(cos⁡−1x)′=−11−x2(\sin^{-1}x)' = \frac{1}{\sqrt{1-x^2}},\qquad (\cos^{-1}x)' = -\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}

D18 arctan, arccot

(tan⁡−1x)′=11+x2,(cot⁡−1x)′=−11+x2(\tan^{-1}x)' = \frac{1}{1+x^2},\qquad (\cot^{-1}x)' = -\frac{1}{1+x^2}

D19 Hyperbolic

(sinh⁡x)′=cosh⁡x,(cosh⁡x)′=sinh⁡x(\sinh x)' = \cosh x,\qquad (\cosh x)' = \sinh x
ตัวอย่าง D-2 · ผลคูณและผลหาร

(ก) ddx(x2sin⁡x)\dfrac{d}{dx}\left(x^2\sin x\right) (ข) ddxx2+1x−1\dfrac{d}{dx}\dfrac{x^2+1}{x-1}

  1. (ก) u=x2, v=sin⁡xu = x^2,\ v = \sin x D7

    2xsin⁡x+x2cos⁡x2x\sin x + x^2\cos x
  2. (ข) u=x2+1, v=x−1u = x^2 + 1,\ v = x - 1 D8

    2x(x−1)−(x2+1)(1)(x−1)2=x2−2x−1(x−1)2\frac{2x(x-1) - (x^2+1)(1)}{(x-1)^2} = \frac{x^2 - 2x - 1}{(x-1)^2}

(ก) 2xsin⁡x+x2cos⁡x2x\sin x + x^2\cos x · (ข) x2−2x−1(x−1)2\dfrac{x^2 - 2x - 1}{(x-1)^2}

กฎลูกโซ่ อนุพันธ์โดยปริยาย และลอการิทึม กลาง

ตัวอย่าง D-3 · กฎลูกโซ่

(ก) ddx(3x2+1)5\dfrac{d}{dx}(3x^2+1)^5 (ข) ddtVmsin⁡(ωt+ϕ)\dfrac{d}{dt}V_m\sin(\omega t + \phi) (ค) ddte−t/τ\dfrac{d}{dt}e^{-t/\tau}

  1. (ก) ชั้นนอก ( )5(\ )^5 ชั้นใน 3x2+13x^2 + 1 D9

    5(3x2+1)4⋅6x=30x(3x2+1)45(3x^2+1)^4\cdot 6x = 30x(3x^2+1)^4
  2. (ข) Vmcos⁡(ωt+ϕ)⋅ω=ωVmcos⁡(ωt+ϕ)V_m\cos(\omega t + \phi)\cdot\omega = \omega V_m\cos(\omega t + \phi) — ความถี่ยิ่งสูง อนุพันธ์ยิ่งใหญ่

  3. (ค) e−t/τ⋅(−1τ)=−1τe−t/τe^{-t/\tau}\cdot\left(-\dfrac1\tau\right) = -\dfrac{1}{\tau}e^{-t/\tau} — ความชันเริ่มต้นเป็น −1/τ-1/\tau

กฎลูกโซ่คือเหตุที่ i=C dv/dti = C\,dv/dt ของแรงดันไซน์ได้ ωCVm\omega CV_m และเป็นที่มาของ XC=1/(ωC)X_C = 1/(\omega C)

D20 Implicit differentiation อนุพันธ์โดยปริยาย

F(x,y)=0⇒หาอนุพันธ์ทั้งสองข้างเทียบ x โดยถือ y=y(x)F(x, y) = 0 \Rightarrow \text{หาอนุพันธ์ทั้งสองข้างเทียบ } x \text{ โดยถือ } y = y(x)

D21 Logarithmic differentiation ใส่ ln ก่อนหาอนุพันธ์

y=f(x)g(x)⇒y′y=ddx[gln⁡f]y = f(x)^{g(x)} \Rightarrow \frac{y'}{y} = \frac{d}{dx}\big[g\ln f\big]
ตัวอย่าง D-4 · โดยปริยายและลอการิทึม

(ก) ความชันของวงกลม x2+y2=25x^2 + y^2 = 25 ที่ (3,4)(3, 4) (ข) ddxxx\dfrac{d}{dx}x^x

  1. (ก) 2x+2y y′=0⇒y′=−x/y2x + 2y\,y' = 0 \Rightarrow y' = -x/y ที่ (3,4)(3, 4): y′=−34y' = -\tfrac34

  2. (ข) ln⁡y=xln⁡x⇒y′y=ln⁡x+1⇒y′=xx(ln⁡x+1)\ln y = x\ln x \Rightarrow \dfrac{y'}{y} = \ln x + 1 \Rightarrow y' = x^x(\ln x + 1)

(ก) −34-\tfrac34 (ตั้งฉากกับรัศมีที่มีความชัน 43\tfrac43) · (ข) xx(1+ln⁡x)x^x(1 + \ln x)

อนุพันธ์อันดับสูง และฟังก์ชันอิงพารามิเตอร์ กลาง

D22 Higher derivatives อนุพันธ์อันดับสูง

f′′(x)=d2ydx2,f(n)(x)=dnydxnf''(x) = \frac{d^2y}{dx^2},\quad f^{(n)}(x) = \frac{d^ny}{dx^n}

ตำแหน่ง → ความเร็ว → ความเร่ง → jerk · f′′f'' บอกความเว้า

D23 Parametric curves อิงพารามิเตอร์

dydx=dy/dtdx/dt,d2ydx2=ddt(dydx)dx/dt\frac{dy}{dx} = \frac{dy/dt}{dx/dt},\qquad \frac{d^2y}{dx^2} = \frac{\frac{d}{dt}\left(\frac{dy}{dx}\right)}{dx/dt}
ตัวอย่าง D-5 · การสั่นแบบฮาร์มอนิก

แสดงว่า y=Acos⁡ωt+Bsin⁡ωty = A\cos\omega t + B\sin\omega t สอดคล้อง y′′+ω2y=0y'' + \omega^2 y = 0

  1. y′=−Aωsin⁡ωt+Bωcos⁡ωt,y′′=−Aω2cos⁡ωt−Bω2sin⁡ωt=−ω2yy' = -A\omega\sin\omega t + B\omega\cos\omega t,\qquad y'' = -A\omega^2\cos\omega t - B\omega^2\sin\omega t = -\omega^2y

y′′+ω2y=0y'' + \omega^2y = 0 ✓ คือสมการของวงจร LC ไม่มีความต้านทานและมวล-สปริงไม่มีแรงหน่วง ความถี่ ω=1/LC\omega = 1/\sqrt{LC} หรือ k/m\sqrt{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

  1. x2+y2=25x^2 + y^2 = 25 หาอนุพันธ์เทียบ t: 2xx˙+2yy˙=02x\dot x + 2y\dot y = 0

  2. ขณะ x=3x = 3: y=4y = 4

    y˙=−xx˙y=−3(0.5)4=−0.375 m/s\dot y = -\frac{x\dot x}{y} = -\frac{3(0.5)}{4} = -0.375\ \text{m/s}

ปลายบนเลื่อนลง 0.375 m/s (เครื่องหมายลบ = ลดลง)

ค่าสูงสุด ต่ำสุด ความเว้า และการวาดกราฟ พื้นฐาน

f(x) = x³ − 3xf′(x) = 3x² − 3 (ศูนย์ที่ x = ±1)f″(x) = 6x (ศูนย์ที่ x = 0 จุดเปลี่ยนเว้า)x = −1: f′ = 0, f″ < 0 → สูงสุดสัมพัทธ์ (2) · x = 1: f′ = 0, f″ > 0 → ต่ำสุดสัมพัทธ์ (−2) · x = 0: f″ เปลี่ยนเครื่องหมาย → จุดเปลี่ยนเว้า

D24 Critical points จุดวิกฤต

f′(c)=0 หรือ f′(c) ไม่นิยามf'(c) = 0 \text{ หรือ } f'(c) \text{ ไม่นิยาม}

D25 First derivative test

f′:+→−⇒สูงสุด,−→+⇒ต่ำสุดf': +\to- \Rightarrow \text{สูงสุด},\qquad -\to+ \Rightarrow \text{ต่ำสุด}

D26 Second derivative test

f′(c)=0: f′′(c)<0⇒สูงสุด, f′′(c)>0⇒ต่ำสุดf'(c) = 0:\ f''(c) < 0 \Rightarrow \text{สูงสุด},\ f''(c) > 0 \Rightarrow \text{ต่ำสุด}

D27 Concavity & inflection ความเว้า

f′′>0 เว้าขึ้น, f′′<0 เว้าลง, f′′ เปลี่ยนเครื่องหมาย⇒จุดเปลี่ยนเว้าf'' > 0 \text{ เว้าขึ้น},\ f'' < 0 \text{ เว้าลง},\ f'' \text{ เปลี่ยนเครื่องหมาย} \Rightarrow \text{จุดเปลี่ยนเว้า}

D28 Closed-interval method ค่าสุดขีดสัมบูรณ์บน [a, b]

max⁡[a,b]f=max⁡{f(a), f(b), f(c1), … },ci=จุดวิกฤตใน (a,b)\max_{[a,b]}f = \max\{f(a),\ f(b),\ f(c_1),\ \dots\},\quad c_i = \text{จุดวิกฤตใน } (a, b)
ตัวอย่าง D-7 · ค่าสุดขีดบนช่วงปิด

หาค่าสูงสุดและต่ำสุดสัมบูรณ์ของ f(x)=x3−3xf(x) = x^3 - 3x บน [−2,3][-2, 3]

  1. f′(x)=3x2−3=0⇒x=±1f'(x) = 3x^2 - 3 = 0 \Rightarrow x = \pm1 (อยู่ในช่วงทั้งคู่)

  2. เทียบค่า: f(−2)=−2f(-2) = -2, f(−1)=2f(-1) = 2, f(1)=−2f(1) = -2, f(3)=18f(3) = 18

สูงสุดสัมบูรณ์ 18 ที่ x=3x = 3 (ปลายช่วง ไม่ใช่จุดวิกฤต) · ต่ำสุดสัมบูรณ์ −2 ที่ x=−2x = -2 และ x=1x = 1 · ค่า 2 ที่ x=−1x = -1 เป็นเพียงสูงสุดสัมพัทธ์

ปัญหาหาค่าเหมาะสมในงานจริง (กล่อง กระป๋อง ถ่ายโอนกำลังสูงสุด คานจากซุง) พร้อมแล็บ อยู่ในหน้าการประยุกต์

ทฤษฎีบทค่าเฉลี่ยและการประมาณเชิงเส้น กลาง

D29 Mean value theorem ทฤษฎีบทค่าเฉลี่ย

∃c∈(a,b): f′(c)=f(b)−f(a)b−a\exists c \in (a, b):\ f'(c) = \frac{f(b) - f(a)}{b - a}

f ต่อเนื่องบน [a, b] หาอนุพันธ์ได้บน (a, b) · กรณี f(a)=f(b)f(a) = f(b) คือทฤษฎีบทของโรล · ตัวอย่าง: ขับรถเฉลี่ย 90 km/h แปลว่ามีขณะหนึ่งที่มาตรวัดชี้ 90 พอดี

D30 Linearization การประมาณเชิงเส้น

f(x)≈f(a)+f′(a)(x−a)f(x) \approx f(a) + f'(a)(x - a)

พื้นฐานของแบบจำลองสัญญาณเล็ก (small-signal) ของทรานซิสเตอร์และการทำให้ระบบไม่เชิงเส้นเป็นเชิงเส้นในวิชาควบคุม

D31 Differentials & error propagation การแพร่ของความคลาดเคลื่อน

dy=f′(x) dx,y=kxn⇒dyy=ndxxdy = f'(x)\,dx,\qquad y = kx^n \Rightarrow \frac{dy}{y} = n\frac{dx}{x}
ตัวอย่าง D-8 · ประมาณและความคลาดเคลื่อน

(ก) ประมาณ 4.1\sqrt{4.1} (ข) วัด V=230V = 230 V คลาด ±1% กำลังในตัวต้านทาน P=V2/RP = V^2/R คลาดกี่ %

  1. (ก) f=x, a=4f = \sqrt x,\ a = 4: f(4)=2, f′(4)=14f(4) = 2,\ f'(4) = \tfrac{1}{4}

    4.1≈2+14(0.1)=2.025\sqrt{4.1} \approx 2 + \tfrac14(0.1) = 2.025
  2. (ข) P∝V2P \propto V^2 ใช้ D31 ด้วย n=2n = 2: dPP=2dVV=2(±1%)\dfrac{dP}{P} = 2\dfrac{dV}{V} = 2(\pm1\%)

(ก) 2.025 (ค่าจริง 2.02485 คลาด 0.007%) · (ข) ±2% ความคลาดเคลื่อนสัมพัทธ์คูณด้วยเลขชี้กำลังเสมอ

วิธีนิวตัน-ราฟสัน (Newton–Raphson) ขั้นสูง

หารากของ f(x)=0f(x) = 0 โดยลากเส้นสัมผัสที่จุดปัจจุบันลงไปตัดแกน x แล้วใช้จุดตัดเป็นค่าประมาณถัดไป ใกล้รากจำนวนหลักทศนิยมที่ถูกเพิ่มเป็นสองเท่าทุกรอบ (ลู่เข้าแบบกำลังสอง) โปรแกรมจำลองวงจรอย่าง SPICE ใช้วิธีนี้หาจุดทำงานของไดโอดและทรานซิสเตอร์

D32 Newton–Raphson iteration

xn+1=xn−f(xn)f′(xn)x_{n+1} = x_n - \frac{f(x_n)}{f'(x_n)}

ล้มเหลวได้ถ้า f′(xn)≈0f'(x_n) \approx 0 หรือเริ่มไกลรากเกินไป · a\sqrt{a}: xn+1=12(xn+axn)x_{n+1} = \tfrac12\left(x_n + \tfrac{a}{x_n}\right) (วิธีของชาวบาบิโลน)

ตัวอย่าง D-9 · ตัวอย่างดั้งเดิมของนิวตัน

หารากของ x3−2x−5=0x^3 - 2x - 5 = 0 เริ่มที่ x0=2x_0 = 2

  1. f′(x)=3x2−2f'(x) = 3x^2 - 2 · x1=2−8−4−512−2=2+0.1=2.1x_1 = 2 - \dfrac{8 - 4 - 5}{12 - 2} = 2 + 0.1 = 2.1

  2. x2=2.1−9.261−4.2−513.23−2=2.1−0.06111.23=2.0945681x_2 = 2.1 - \dfrac{9.261 - 4.2 - 5}{13.23 - 2} = 2.1 - \dfrac{0.061}{11.23} = 2.0945681

  3. x3=2.0945515x_3 = 2.0945515 · x4=2.0945514815x_4 = 2.0945514815

ราก ≈2.0945514815\approx 2.0945514815 ใช้เพียง 4 รอบได้ 10 หลัก

หน้าในชุดอนุพันธ์และค้นหาสูตร

  1. D1Derivativeนิยามอนุพันธ์
    f′(x)=dydx=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)hf'(x) = \frac{dy}{dx} = \lim_{h\to 0}\frac{f(x+h) - f(x)}{h}
  2. D2Tangent lineสมการเส้นสัมผัส
    y=f(a)+f′(a)(x−a)y = f(a) + f'(a)(x - a)
  3. D3Differentiabilityหาอนุพันธ์ได้ ⇒ ต่อเนื่อง
    f′(a) มีค่า⇒f ต่อเนื่องที่ a(กลับกันไม่จริง: ∣x∣ ที่ 0)f'(a) \text{ มีค่า} \Rightarrow f \text{ ต่อเนื่องที่ } a\quad(\text{กลับกันไม่จริง: } |x| \text{ ที่ } 0)
  4. D4Constant ruleค่าคงที่
    ddxc=0\frac{d}{dx}c = 0
  5. D5Power ruleกฎยกกำลัง
    ddxxn=nxn−1,n∈R\frac{d}{dx}x^n = nx^{n-1},\quad n \in \mathbb{R}
  6. D6Linearityผลบวกและตัวคูณ
    (af+bg)′=af′+bg′(af + bg)' = af' + bg'
  7. D7Product ruleผลคูณ
    (uv)′=u′v+uv′(uv)' = u'v + uv'
  8. D8Quotient ruleผลหาร
    (uv)′=u′v−uv′v2\left(\frac uv\right)' = \frac{u'v - uv'}{v^2}
  9. D9Chain ruleกฎลูกโซ่
    ddxf(g(x))=f′(g(x)) g′(x),dydx=dydududx\frac{d}{dx}f\big(g(x)\big) = f'\big(g(x)\big)\,g'(x),\qquad \frac{dy}{dx} = \frac{dy}{du}\frac{du}{dx}
  10. D10Natural exponential
    ddxex=ex,ddxeax=aeax\frac{d}{dx}e^x = e^x,\qquad \frac{d}{dx}e^{ax} = ae^{ax}
  11. D11General exponential
    ddxax=axln⁡a\frac{d}{dx}a^x = a^x\ln a
  12. D12Natural logarithm
    ddxln⁡∣x∣=1x\frac{d}{dx}\ln|x| = \frac1x
  13. D13Logarithm base a
    ddxlog⁡ax=1xln⁡a\frac{d}{dx}\log_ax = \frac{1}{x\ln a}
  14. D14sin, cos
    (sin⁡x)′=cos⁡x,(cos⁡x)′=−sin⁡x(\sin x)' = \cos x,\qquad (\cos x)' = -\sin x
  15. D15tan, cot
    (tan⁡x)′=sec⁡2x,(cot⁡x)′=−csc⁡2x(\tan x)' = \sec^2x,\qquad (\cot x)' = -\csc^2x
  16. D16sec, csc
    (sec⁡x)′=sec⁡xtan⁡x,(csc⁡x)′=−csc⁡xcot⁡x(\sec x)' = \sec x\tan x,\qquad (\csc x)' = -\csc x\cot x
  17. D17arcsin, arccos
    (sin⁡−1x)′=11−x2,(cos⁡−1x)′=−11−x2(\sin^{-1}x)' = \frac{1}{\sqrt{1-x^2}},\qquad (\cos^{-1}x)' = -\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}
  18. D18arctan, arccot
    (tan⁡−1x)′=11+x2,(cot⁡−1x)′=−11+x2(\tan^{-1}x)' = \frac{1}{1+x^2},\qquad (\cot^{-1}x)' = -\frac{1}{1+x^2}
  19. D19Hyperbolic
    (sinh⁡x)′=cosh⁡x,(cosh⁡x)′=sinh⁡x(\sinh x)' = \cosh x,\qquad (\cosh x)' = \sinh x
  20. D20Implicit differentiationอนุพันธ์โดยปริยาย
    F(x,y)=0⇒หาอนุพันธ์ทั้งสองข้างเทียบ x โดยถือ y=y(x)F(x, y) = 0 \Rightarrow \text{หาอนุพันธ์ทั้งสองข้างเทียบ } x \text{ โดยถือ } y = y(x)
  21. D21Logarithmic differentiationใส่ ln ก่อนหาอนุพันธ์
    y=f(x)g(x)⇒y′y=ddx[gln⁡f]y = f(x)^{g(x)} \Rightarrow \frac{y'}{y} = \frac{d}{dx}\big[g\ln f\big]
  22. D22Higher derivativesอนุพันธ์อันดับสูง
    f′′(x)=d2ydx2,f(n)(x)=dnydxnf''(x) = \frac{d^2y}{dx^2},\quad f^{(n)}(x) = \frac{d^ny}{dx^n}
  23. D23Parametric curvesอิงพารามิเตอร์
    dydx=dy/dtdx/dt,d2ydx2=ddt(dydx)dx/dt\frac{dy}{dx} = \frac{dy/dt}{dx/dt},\qquad \frac{d^2y}{dx^2} = \frac{\frac{d}{dt}\left(\frac{dy}{dx}\right)}{dx/dt}
  24. D24Critical pointsจุดวิกฤต
    f′(c)=0 หรือ f′(c) ไม่นิยามf'(c) = 0 \text{ หรือ } f'(c) \text{ ไม่นิยาม}
  25. D25First derivative test
    f′:+→−⇒สูงสุด,−→+⇒ต่ำสุดf': +\to- \Rightarrow \text{สูงสุด},\qquad -\to+ \Rightarrow \text{ต่ำสุด}
  26. D26Second derivative test
    f′(c)=0: f′′(c)<0⇒สูงสุด, f′′(c)>0⇒ต่ำสุดf'(c) = 0:\ f''(c) < 0 \Rightarrow \text{สูงสุด},\ f''(c) > 0 \Rightarrow \text{ต่ำสุด}
  27. D27Concavity & inflectionความเว้า
    f′′>0 เว้าขึ้น, f′′<0 เว้าลง, f′′ เปลี่ยนเครื่องหมาย⇒จุดเปลี่ยนเว้าf'' > 0 \text{ เว้าขึ้น},\ f'' < 0 \text{ เว้าลง},\ f'' \text{ เปลี่ยนเครื่องหมาย} \Rightarrow \text{จุดเปลี่ยนเว้า}
  28. D28Closed-interval methodค่าสุดขีดสัมบูรณ์บน [a, b]
    max⁡[a,b]f=max⁡{f(a), f(b), f(c1), … },ci=จุดวิกฤตใน (a,b)\max_{[a,b]}f = \max\{f(a),\ f(b),\ f(c_1),\ \dots\},\quad c_i = \text{จุดวิกฤตใน } (a, b)
  29. D29Mean value theoremทฤษฎีบทค่าเฉลี่ย
    ∃c∈(a,b): f′(c)=f(b)−f(a)b−a\exists c \in (a, b):\ f'(c) = \frac{f(b) - f(a)}{b - a}
  30. D30Linearizationการประมาณเชิงเส้น
    f(x)≈f(a)+f′(a)(x−a)f(x) \approx f(a) + f'(a)(x - a)
  31. D31Differentials & error propagationการแพร่ของความคลาดเคลื่อน
    dy=f′(x) dx,y=kxn⇒dyy=ndxxdy = f'(x)\,dx,\qquad y = kx^n \Rightarrow \frac{dy}{y} = n\frac{dx}{x}
  32. D32Newton–Raphson iteration
    xn+1=xn−f(xn)f′(xn)x_{n+1} = x_n - \frac{f(x_n)}{f'(x_n)}
  33. A1Capacitorตัวเก็บประจุ
    iC=CdvCdti_C = C\frac{dv_C}{dt}
  34. A2Inductorตัวเหนี่ยวนำ
    vL=LdiLdtv_L = L\frac{di_L}{dt}
  35. A3Faraday's lawกฎของฟาราเดย์
    e=−NdΦdt=−dλdte = -N\frac{d\Phi}{dt} = -\frac{d\lambda}{dt}
  36. A4Maximum power transferถ่ายโอนกำลังสูงสุด
    P=Vs2RL(Rs+RL)2,dPdRL=0⇒RL=Rs, Pmax⁡=Vs24RsP = \frac{V_s^2R_L}{(R_s + R_L)^2},\quad \frac{dP}{dR_L} = 0 \Rightarrow R_L = R_s,\ P_{\max} = \frac{V_s^2}{4R_s}
  37. A5Small-signal resistanceความต้านทานพลวัต
    rd=dVDdID=nVTIDr_d = \frac{dV_D}{dI_D} = \frac{nV_T}{I_D}
  38. A6Sensitivityความไว
    Sxy=∂y∂x⋅xy≈Δy/yΔx/xS_x^y = \frac{\partial y}{\partial x}\cdot\frac{x}{y} \approx \frac{\Delta y/y}{\Delta x/x}
  39. A7Kinematicsจลนศาสตร์
    v=dxdt,a=dvdt=d2xdt2,a=vdvdxv = \frac{dx}{dt},\quad a = \frac{dv}{dt} = \frac{d^2x}{dt^2},\quad a = v\frac{dv}{dx}
  40. A8Slider–crankข้อเหวี่ยง-ก้านสูบ
    x(θ)=rcos⁡θ+l2−r2sin⁡2θ,v=ωdxdθ,a≈−rω2(cos⁡θ+rlcos⁡2θ)x(\theta) = r\cos\theta + \sqrt{l^2 - r^2\sin^2\theta},\quad v = \omega\frac{dx}{d\theta},\quad a \approx -r\omega^2\left(\cos\theta + \frac rl\cos2\theta\right)
  41. A9Newton's second law
    F=dpdt=mdvdt (m คงที่)F = \frac{dp}{dt} = m\frac{dv}{dt}\ (m \text{ คงที่})
  42. A10Fourier's lawการนำความร้อน
    q=−kdTdx  (W/m2)q = -k\frac{dT}{dx}\ \ (\text{W/m}^2)
  43. A11Motor powerกำลังของมอเตอร์ DC
    T=T0(1−ωω0), P=Tω⇒Pmax⁡=T0ω04 ที่ ω=ω02T = T_0\left(1 - \frac{\omega}{\omega_0}\right),\ P = T\omega \Rightarrow P_{\max} = \frac{T_0\omega_0}{4}\ \text{ที่ } \omega = \frac{\omega_0}{2}
  44. A12Beam relationsความสัมพันธ์ของคาน
    dVdx=−w(x),dMdx=V(x),θ=dydx,EId2ydx2=M(x)\frac{dV}{dx} = -w(x),\qquad \frac{dM}{dx} = V(x),\qquad \theta = \frac{dy}{dx},\qquad EI\frac{d^2y}{dx^2} = M(x)
  45. A13Vertical curveโค้งทางดิ่งแบบพาราโบลา
    y=g1x+g2−g12Lx2,y′=0⇒x=g1Lg1−g2y = g_1x + \frac{g_2 - g_1}{2L}x^2,\quad y' = 0 \Rightarrow x = \frac{g_1L}{g_1 - g_2}
  46. A14Best rectangular channelหน้าตัดรางน้ำดีที่สุด
    P=Ay+2y,dPdy=0⇒b=2yP = \frac{A}{y} + 2y,\quad \frac{dP}{dy} = 0 \Rightarrow b = 2y

คำถามที่พบบ่อย

อนุพันธ์คืออะไรในภาษาง่าย ๆ?

อัตราการเปลี่ยนแปลง ณ ขณะหนึ่ง หรือความชันของเส้นสัมผัสกราฟ เช่น ความเร็วคืออนุพันธ์ของตำแหน่ง กระแสคืออนุพันธ์ของประจุ และกระแสในตัวเก็บประจุเป็นสัดส่วนกับอนุพันธ์ของแรงดัน i=C dv/dti = C\,dv/dt

กฎลูกโซ่ใช้เมื่อไร?

เมื่อมีฟังก์ชันซ้อนฟังก์ชัน เช่น sin⁡(ωt)\sin(\omega t), e−t/τe^{-t/\tau}, (3x2+1)5(3x^2+1)^5 ให้หาอนุพันธ์ของฟังก์ชันชั้นนอกโดยคงข้างในไว้ แล้วคูณด้วยอนุพันธ์ของข้างใน ddxf(g(x))=f′(g(x))g′(x)\frac{d}{dx}f(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∣|x| ต่อเนื่องที่ x = 0 แต่มีมุมแหลม ความชันซ้ายเป็น −1 ขวาเป็น 1 จึงไม่มีอนุพันธ์ที่จุดนั้น

อาจารย์มด · ธีรวุฒิ แสวงบุญ
อาจารย์สาขาวิชาวิศวกรรมไฟฟ้า มหาวิทยาลัยราชภัฏธนบุรี สมุทรปราการ · ดูโปรไฟล์