46.2 อนุพันธ์จากนิยาม
ในหน้า 46.1 รถที่วิ่งได้ เมตร มีความเร็วเฉลี่ยในช่วงสั้นลงเรื่อยๆ เข้าใกล้ เมตรต่อวินาที ตัวเลข นี้คือความเร็วขณะหนึ่งที่วินาทีที่ ถ้าวาดกราฟระยะทางเทียบเวลา ความเร็วเฉลี่ยคือความชันของเส้นที่ลากผ่านสองจุดบนกราฟ ส่วนความเร็วขณะหนึ่งคือความชันของกราฟตรงจุดเดียว
ความคิดเดียวกันใช้ได้กับปริมาณอื่นทุกอย่างที่เปลี่ยนตามกัน เช่นค่าไฟที่เปลี่ยนตามจำนวนหน่วย หรืออุณหภูมิที่เปลี่ยนตามเวลา หน้านี้จะนิยามความชันที่จุดเดียวด้วยลิมิต แล้วคำนวณจากนิยามจนเห็นแบบแผนที่จะกลายเป็นสูตรในหน้าถัดไป
ความชันเส้นตัดคืออัตราการเปลี่ยนแปลงเฉลี่ย
เส้นตรงที่ลากผ่านสองจุดบนกราฟเรียกว่าเส้นตัด ถ้าจุดแรกอยู่ที่ และจุดที่สองห่างออกไป จุดทั้งสองคือ และ ความชันของเส้นตัดคือผลต่างของค่า หารผลต่างของค่า
ปริมาณนี้คืออัตราการเปลี่ยนแปลงเฉลี่ยของ บนช่วงจาก ถึง เมื่อเลื่อนจุดที่สองเข้าหาจุดแรก คือให้ เข้าใกล้ศูนย์ เส้นตัดจะหมุนเข้าหาเส้นที่แตะกราฟพอดีที่จุดแรก เส้นนั้นคือเส้นสัมผัส ลองเลื่อน ในกราฟข้างล่างให้เข้าใกล้ศูนย์ทั้งจากด้านบวกและด้านลบ
ตัวอย่าง 1
หาความชันเส้นตัดของกราฟ จากจุด ไปยังจุดที่ แล้วคาดความชันของเส้นสัมผัสที่
- ไป ความชันคือ ไป ได้
- ไป ได้ ไป ได้
- ตัวเลขลดลงเข้าหา ดูให้เป็นสูตร ความชันเส้นตัดคือ เมื่อ
- เมื่อ เข้าใกล้ศูนย์ เข้าใกล้ ความชันของเส้นสัมผัสที่ จึงเท่ากับ
นิยามของอนุพันธ์
นิยาม
อนุพันธ์ของ ที่ คือ เมื่อลิมิตนี้มีค่า ถ้ามีค่าจะกล่าวว่า หาอนุพันธ์ได้ที่
อนุพันธ์ที่ มีสองความหมายพร้อมกัน ในทางกราฟคือความชันของเส้นสัมผัสที่จุด ในทางปริมาณคืออัตราการเปลี่ยนแปลงขณะหนึ่งของ เทียบกับ หน่วยของอนุพันธ์จึงเป็นหน่วยของผลลัพธ์ต่อหน่วยของตัวแปรต้น ระยะทางเป็นเมตร เวลาเป็นวินาที อนุพันธ์ก็เป็นเมตรต่อวินาที
ถ้าเปลี่ยน เป็นตัวแปร เราได้ฟังก์ชันใหม่ ที่บอกความชันของกราฟที่ทุกจุด เรียกว่าฟังก์ชันอนุพันธ์ เขียนได้หลายแบบ คือ หรือ หรือ แบบสุดท้ายอ่านว่า ดีวายดีเอกซ์ เตือนให้นึกถึงผลต่างของ หารผลต่างของ ที่เล็กลงเรื่อยๆ ไม่ใช่เศษส่วนธรรมดาที่ตัด ทิ้งได้
ขั้นตอนหาอนุพันธ์จากนิยามมีสามขั้นเสมอ คือ เขียนผลต่าง แล้วจัดรูปให้ทุกพจน์มี เป็นตัวประกอบ หารด้วย ให้หมดเมื่อ แล้วจึงให้ เข้าใกล้ศูนย์ ถ้าแทน ก่อนตัด จะได้ เหมือนในหน้า 46.1
ตัวอย่าง 2
ใช้นิยามหาอนุพันธ์ของ ที่ แล้วใช้ผลนี้หาความเร็วของรถ ที่วินาทีที่
- ผลต่าง ทุกพจน์มี แล้ว
- หารด้วย ได้ เมื่อ
- ให้ ได้ ความชันที่ จึงเป็น ตรงกับตัวอย่างที่ 1
- รถมี ทำแบบเดียวกันได้ผลต่างหาร เป็น จึงได้ และ เมตรต่อวินาที ตรงกับตารางในหน้า 46.1
ตัวอย่าง 3
ใช้นิยามหา เมื่อ แล้วหาความชันที่
- กระจาย ลบ ออก เหลือ
- หารด้วย ได้ เมื่อ
- ให้ สองพจน์หลังมี จึงหายไป ได้
- ที่ ความชันคือ เป็นบวก แม้จุดนั้นอยู่ใต้แกน ความชันบอกทิศที่กราฟกำลังไป ไม่ได้บอกว่ากราฟอยู่สูงหรือต่ำ
ผลสองตัวอย่างนี้มีแบบแผน ได้ และ ได้ คือดึงเลขชี้กำลังลงมาคูณแล้วลดกำลังลงหนึ่ง หน้า 46.3 จะใช้แบบแผนนี้เป็นสูตร แต่ก่อนจะเชื่อสูตร ลองดูฟังก์ชันที่มีรากที่สองว่ายังเข้ากับแบบแผนหรือไม่
ตัวอย่าง 4
ใช้นิยามหาอนุพันธ์ของ เมื่อ มากกว่าศูนย์ แล้วหา
- ตั้ง แทน ได้ และแยกตัวประกอบไม่ได้ จึงคูณสังยุค ทั้งเศษและส่วนแบบหน้า 46.1
- เศษกลายเป็น ได้ เมื่อ
- ให้ ได้ ซึ่งเขียนได้เป็น เข้ากับแบบแผนดึงเลขชี้กำลัง ลงมาแล้วลดกำลังลงหนึ่ง
- ตรงกับลิมิตในตัวอย่างที่ 4 ของหน้า 46.1 เพราะลิมิตนั้นคือนิยามของอนุพันธ์ที่ ในอีกรูปหนึ่ง
เส้นสัมผัสบอกทิศของกราฟ
เลื่อนจุดสัมผัสจากด้านลบผ่านศูนย์ไปด้านบวก ความชันเปลี่ยนจากลบเป็นศูนย์แล้วเป็นบวกตาม ช่วงที่ความชันเป็นลบ กราฟกำลังลง ช่วงที่เป็นบวก กราฟกำลังขึ้น จุดต่ำสุดจึงตรงกับตำแหน่งที่เส้นสัมผัสขนานแกนนอน ข้อสังเกตนี้คือหัวใจของการหาค่าสูงสุดต่ำสุดในหน้า 46.4
ลองคิดก่อน
เพื่อนบอกว่าเส้นสัมผัสต้องแตะกราฟเพียงจุดเดียว เหมือนเส้นสัมผัสวงกลม เส้นสัมผัสกราฟ ที่ แตะกราฟจุดเดียวหรือไม่
ดูคำตอบ
ไม่ใช่ ความชันที่ คือ เส้นสัมผัสคือ ตั้ง ได้ เส้นนี้จึงพบกราฟอีกครั้งที่ เส้นสัมผัสของกราฟทั่วไปนิยามจากความชันที่จุดนั้น ไม่ได้นิยามจากจำนวนจุดที่แตะ คำนิยามแบบวงกลมใช้ได้เฉพาะวงกลมและภาคตัดกรวย
ลองคิดก่อน
ฟังก์ชัน ต่อเนื่องที่ศูนย์ จึงต้องหาอนุพันธ์ที่ศูนย์ได้ ถูกไหม
ดูคำตอบ
ไม่ถูก ผลหาร เป็นฟังก์ชันในตัวอย่างที่ 2 ของหน้า 46.1 ซึ่งลิมิตขวาเป็น ลิมิตซ้ายเป็น ไม่มีลิมิตสองด้าน จึงหาอนุพันธ์ที่ศูนย์ไม่ได้ กราฟเป็นมุมแหลมที่ศูนย์ ไม่มีเส้นสัมผัสเส้นเดียว ฟังก์ชันที่หาอนุพันธ์ได้ต้องต่อเนื่อง แต่ฟังก์ชันต่อเนื่องไม่จำเป็นต้องหาอนุพันธ์ได้
สรุป
- ความชันเส้นตัดคืออัตราการเปลี่ยนแปลงเฉลี่ย อนุพันธ์คือลิมิตของความชันนี้เมื่อ เข้าใกล้ศูนย์
- เป็นทั้งความชันเส้นสัมผัสและอัตราการเปลี่ยนแปลงขณะหนึ่ง มีหน่วยเป็นหน่วยผลลัพธ์ต่อหน่วยตัวแปรต้น
- หาจากนิยามโดยจัดผลต่างให้มี เป็นตัวประกอบ หาร ก่อน แล้วจึงให้ เข้าใกล้ศูนย์
- ได้ ได้ ได้ ส่วน หาอนุพันธ์ที่ศูนย์ไม่ได้
การหาอนุพันธ์จากนิยามทุกครั้งยาวเกินไป หน้าถัดไปจะสรุปแบบแผนที่เห็นเป็นกฎ แล้วใช้กับผลบวก ผลคูณ ผลหาร และฟังก์ชันประกอบ