EN TH
ตัวอย่างโจทย์

01006030 | สัปดาห์ที่ 5 | เอกสารประกอบการสอน

อนุพันธ์แบบอิมพลิซิตและอัตราสัมพัทธ์

การหาอนุพันธ์ของเส้นโค้งที่ไม่เคยถูกแก้หา y การใช้กฎลูกโซ่เชื่อมโยงอัตราการเปลี่ยนแปลง ของปริมาณหลายตัวพร้อมกัน และการประมาณค่าฟังก์ชันใกล้จุดหนึ่งด้วยแบบจำลองที่ง่ายที่สุด: เส้นตรง

อนุพันธ์ทุกตัวจนถึงตอนนี้เป็นของฟังก์ชันที่แก้หา y ไว้แล้ว สัปดาห์นี้จะยกเลิกข้อจำกัดนั้น แล้วนำกฎลูกโซ่ไปใช้แก้โจทย์ที่ปริมาณหลายตัวเปลี่ยนแปลงพร้อมกันตามเวลา — ก่อนปิดท้ายด้วยการ ประมาณเชิงเส้นซึ่งคุณจะได้ใช้อีกครั้งในสัปดาห์ที่ 12 สำหรับกฎโลปิตาล และในสัปดาห์ที่ 16 สำหรับ อนุกรมเทย์เลอร์

5.1 ทำไมไม่ใช่ทุกเส้นโค้งจะเป็น y = f(x)

วงกลม x2+y2=25 ไม่ผ่านการทดสอบเส้นตรงในแนวดิ่ง (สัปดาห์ที่ 1 §1.2) จึงไม่ใช่กราฟของฟังก์ชันเดียว แต่มันก็มีเส้นสัมผัสที่นิยามชัดเจนเกือบทุกจุด และเส้นสัมผัสนั้นก็มีความชัน สมการนี้เชื่อมโยง x กับ y แบบ อิมพลิซิต — โดยไม่เคยแยก y ออกมาเลย — และการหาอนุพันธ์แบบอิมพลิซิต ก็หา dy/dx ได้โดยไม่ต้องแก้หา y ก่อน

5.2 วิธีการหาอนุพันธ์แบบอิมพลิซิต

หาอนุพันธ์ทั้งสองข้างของสมการเทียบกับ x โดยถือว่า y เป็นฟังก์ชัน (ที่ยังไม่รู้จัก) ของ x ทุกครั้งที่ y ปรากฏขึ้น กฎลูกโซ่ (สัปดาห์ที่ 4 §4.10) จะเพิ่มตัวประกอบ dy/dx เข้ามา เพราะจริง ๆ แล้วคุณกำลังหาอนุพันธ์ของ y(x) เทียบกับ x จากนั้นแก้สมการเพื่อหา dy/dx

ตัวอย่าง 5.1 — การหาอนุพันธ์แบบอิมพลิซิตของวงกลม

จงหา dy/dx สำหรับ x2+y2=25

ขั้นที่ 1 — หาอนุพันธ์ทั้งสองข้างเทียบกับ x

d/dx[x2] + d/dx[y2] = d/dx[25]

ขั้นที่ 2 — ใช้กฎกำลังกับ x² และกฎลูกโซ่กับ y²

2x + 2y· dydx = 0

ตัวประกอบ dy/dx ปรากฏขึ้นเพราะ y2 จริง ๆ แล้วคือ [y(x)]2 ซึ่งเป็นฟังก์ชันยกกำลังสองชั้นนอกที่กระทำกับฟังก์ชัน ชั้นใน y(x) — กฎลูกโซ่จึงหลีกเลี่ยงไม่ได้ในกรณีนี้

ขั้นที่ 3 — แก้สมการเชิงพีชคณิตเพื่อหา dy/dx

dydx = −xy

5.3 เส้นสัมผัสของเส้นโค้งอิมพลิซิต

เมื่อรู้ dy/dx เป็นสูตรแล้ว (มักมีทั้ง x และ y) การแทนพิกัดของจุดเฉพาะบนเส้นโค้งจะให้ความชันเชิงตัวเลขที่จุดนั้น เหมือนกับการหาอนุพันธ์แบบเอ็กซ์พลิซิต ทุกประการ

ตัวอย่าง 5.2 — เส้นสัมผัสของเส้นโค้งอิมพลิซิต

จงหาเส้นสัมผัสของ x2+y2=25 ที่ (3, 4)

ขั้นที่ 1 — ใช้ผลลัพธ์จากตัวอย่าง 5.1

dy/dx = −x/y = −3/4 ที่ (3,4)

ขั้นที่ 2 — เขียนรูปแบบจุด-ความชัน

y − 4 = −(3/4)(x − 3)

5.4 อนุพันธ์อิมพลิซิตอันดับสูง

อนุพันธ์อันดับสอง d2y/dx2 หาได้โดยหาอนุพันธ์ ของอนุพันธ์อิมพลิซิตอันดับแรกซ้ำอีกครั้ง แล้วแทนนิพจน์ของ dy/dx ที่รู้อยู่แล้ว ทุกจุดที่ปรากฏ เพื่อให้คำตอบสุดท้ายเขียนในรูปของ x และ y เท่านั้น

5.5 การตั้งโจทย์อัตราสัมพัทธ์

โจทย์ อัตราสัมพัทธ์ (related rates) อธิบายปริมาณหลายตัวที่ล้วนเป็นฟังก์ชันของเวลา t เชื่อมโยงกันด้วยสมการทางเรขาคณิตหรือฟิสิกส์ที่คงที่ การหาอนุพันธ์ของสมการนั้นเทียบกับ t (ใช้กฎลูกโซ่เหมือนกับการหาอนุพันธ์แบบอิมพลิซิต แต่ตอนนี้ t เป็นตัวแปรอิสระ) จะได้สมการที่เชื่อมโยงอัตรา dx/dt, dy/dt เป็นต้น — จึงเป็นที่มาของชื่อนี้

5.6 แม่แบบสำหรับโจทย์อัตราสัมพัทธ์

  1. วาดภาพและกำกับชื่อทุกปริมาณที่เปลี่ยนแปลงตามเวลา
  2. เขียนสิ่งที่กำหนดให้ (เป็นอัตรา ณ ขณะหนึ่ง) และสิ่งที่ถามหา (เป็นอัตรา ณ ขณะเดียวกัน)
  3. หาสมการที่เชื่อมโยงปริมาณเหล่านั้นซึ่งเป็นจริงทุกขณะ ไม่ใช่แค่ขณะที่สนใจ
  4. หาอนุพันธ์ของสมการเทียบกับ t โดยใช้กฎลูกโซ่
  5. แทนค่าตัวเลขที่รู้ — แต่ทำหลังจากหาอนุพันธ์แล้วเท่านั้น ห้ามแทนก่อน
  6. แก้สมการเพื่อหาอัตราที่ไม่ทราบ
ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยที่สุด

การแทนค่าตัวเลขเฉพาะให้กับตัวแปรก่อนหาอนุพันธ์จะทำให้ตัวแปรนั้นถูกมองเป็นค่าคงที่ตั้งแต่นั้นไป ซึ่งทำลายอัตราการเปลี่ยนแปลงของมันไปโดยไม่รู้ตัว ให้คงทุกปริมาณเป็นสัญลักษณ์ไว้จนกว่าจะผ่านขั้นที่ 4

5.7 ตัวอย่างโจทย์อัตราสัมพัทธ์

ตัวอย่าง 5.3 — โจทย์บันไดคลาสสิก

บันไดยาว 10 เมตรพิงกำแพง ปลายล่างเลื่อนออกจากกำแพงด้วยอัตรา 1 เมตร/วินาที ปลายบนกำลังเลื่อนลง เร็วแค่ไหนเมื่อปลายล่างอยู่ห่างจากกำแพง 6 เมตร

ขั้นที่ 1 — กำกับชื่อและหาสมการควบคุม

ให้ x = ระยะจากฐานถึงกำแพง, y = ความสูงของปลายบน โดยทฤษฎีบทพีทาโกรัส x2+y2 = 100 ทุกขณะ

ขั้นที่ 2 — หาอนุพันธ์เทียบกับ t

2x dxdt + 2y dydt = 0

ขั้นที่ 3 — แทนค่าที่รู้ (เพิ่งทำได้ตอนนี้)

ที่ x=6: y = √(100−36) = 8 กำหนด dx/dt = 1 ม./วินาที

2(6)(1) + 2(8) dydt = 0

ขั้นที่ 4 — แก้สมการ

dydt = −12/16 = −3/4 ม./วินาที — ปลายบนเลื่อนลงด้วยอัตรา 3/4 ม./วินาที (ติดลบ เพราะ y กำลังลดลง)

ตัวอย่าง 5.4 — ปริมาตรที่ขยายตัว

ลูกโป่งทรงกลมถูกเป่าให้รัศมีเพิ่มขึ้นด้วยอัตรา 2 ซม./วินาที ปริมาตรกำลังเพิ่มขึ้นเร็วแค่ไหนเมื่อรัศมี เท่ากับ 5 ซม. (V = (4/3)πr3)

ขั้นที่ 1 — หาอนุพันธ์ของสูตรปริมาตรเทียบกับ t

dVdt = 4πr2 drdt

ขั้นที่ 2 — แทน r=5, dr/dt=2

dVdt = 4π(25)(2) = 200π ลบ.ซม./วินาที

5.8 การประมาณเชิงเส้น

เส้นสัมผัสที่ (a, f(a)) คือเส้นตรงที่ประมาณค่า f ใกล้ a ได้ดีที่สุด สมการของมัน เมื่อมองเป็นฟังก์ชันประมาณค่า เรียกว่า การประมาณเชิงเส้น (linearization) ของ f ที่ a:

L(x) = f(a) + f′(a)(x − a) (5.1)

โดย f(x) ≈ L(x) เมื่อ x อยู่ใกล้ a คุณภาพของการประมาณจะแย่ลงเมื่อ x ห่างจาก a มากขึ้น

ตัวอย่าง 5.5 — การประมาณเชิงเส้นของรากที่สอง

ใช้การประมาณเชิงเส้นที่ a=25 เพื่อประมาณค่า √26.3

ขั้นที่ 1 — ตั้งค่า f, f(a), และ f'(a)

f(x) = √x, f(25)=5, f′(x) = 1/(2√x), f′(25) = 1/10

ขั้นที่ 2 — ใช้สมการ 5.1 กับ x = 26.3

L(26.3) = 5 + (1/10)(26.3−25) = 5 + 0.13

√26.3 ≈ 5.13 (ค่าจริงคือ 5.1284… การประมาณจึงแม่นยำถึงสองตำแหน่ง ทศนิยม)

5.9 ดิฟเฟอเรนเชียล

เมื่อเขียน dx แทนการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของ x ดิฟเฟอเรนเชียล dy นิยามเป็น

dy = f′(x) dx (5.2)

dy คือการเปลี่ยนแปลงของการประมาณเชิงเส้น L(x) พอดี เมื่อ x เปลี่ยนไป dx — เป็นการประมาณแบบเส้นตรงของการเปลี่ยนแปลงจริง Δy = f(x+dx)−f(x) ซึ่งแม่นยำสำหรับ dx เล็ก แต่ไม่เท่ากันเป๊ะ ดิฟเฟอเรนเชียลยังให้ความหมายที่แท้จริงกับ dy/dx ในฐานะอัตราส่วน แทนที่จะเป็นเพียงสัญกรณ์อนุพันธ์ชิ้นเดียว

ตัวอย่าง 5.6 — การประมาณความคลาดเคลื่อนด้วยดิฟเฟอเรนเชียล

ด้านของลูกบาศก์วัดได้ 10 ซม. โดยมีความคลาดเคลื่อนที่เป็นไปได้ ±0.1 ซม. จงประมาณความคลาดเคลื่อน ที่เกิดขึ้นในปริมาตรที่คำนวณได้

ขั้นที่ 1 — ตั้งค่า V และ dV

V = x3, dV = 3x2 dx

ขั้นที่ 2 — แทน x=10, dx=0.1

dV = 3(100)(0.1) = 30 ลบ.ซม. — ความคลาดเคลื่อน 0.1 ซม. ในด้าน ยาว 10 ซม. อาจทำให้ปริมาตรที่คำนวณได้ 1000 ลบ.ซม. คลาดเคลื่อนประมาณ 30 ลบ.ซม.

5.10 ตัวอย่างโจทย์สรุปรวม

ตัวอย่าง 5.7 — โจทย์อัตราสัมพัทธ์ที่ต้องใช้อนุพันธ์แบบอิมพลิซิต

ปริมาณสองตัวสอดคล้องกับ xy = 12 ทุกขณะ ที่ขณะ x=3, x กำลังเพิ่มขึ้นด้วยอัตรา 2 หน่วย/วินาที y กำลังเปลี่ยนแปลงเร็วแค่ไหน ณ ขณะนั้น

ขั้นที่ 1 — หาอนุพันธ์ของ xy = 12 เทียบกับ t โดยใช้กฎผลคูณ (§5.2, §5.5)

dxdt y + x dydt = 0

ขั้นที่ 2 — หา y ณ ขณะนั้น

ที่ x=3: y = 12/3 = 4

ขั้นที่ 3 — แทนค่าที่รู้ทั้งหมดแล้วแก้สมการ

(2)(4) + (3) dydt = 0  ⇒  dydt = −8/3

y กำลังลดลงด้วยอัตรา 8/3 หน่วย/วินาที ณ ขณะนั้น

5.11 สัญลักษณ์ที่ใช้

สัญลักษณ์ความหมาย
อนุพันธ์แบบอิมพลิซิตการหาอนุพันธ์ของสมการในรูป x และ y เทียบกับ x โดยถือว่า y เป็นฟังก์ชันของ x
อัตราสัมพัทธ์การหาอัตราการเปลี่ยนแปลงหนึ่งจากอัตราอื่น โดยใช้สมการที่เชื่อมโยงปริมาณพื้นฐานทุกขณะ
L(x)การประมาณเชิงเส้นของ f ที่ a: การประมาณด้วยเส้นสัมผัสของ f ใกล้ a
dx, dyดิฟเฟอเรนเชียล: dx คือการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของ x; dy = f'(x)dx คือการเปลี่ยนแปลงของ y ที่ประมาณเชิงเส้นตามที่สอดคล้องกัน

5.12 แบบฝึกหัด

  1. อนุพันธ์แบบอิมพลิซิต. จงหา dy/dx สำหรับ x2 + xy + y2 = 7
  2. อนุพันธ์แบบอิมพลิซิตกับตรีโกณมิติ. จงหา dy/dx สำหรับ sin(xy) = x
  3. เส้นสัมผัสของเส้นโค้งอิมพลิซิต. จงหาเส้นสัมผัสของ x2y + y3 = 9 ที่ (2,1)
  4. อัตราสัมพัทธ์ พื้นที่. รัศมีของวงกลมเพิ่มขึ้นด้วยอัตรา 3 ซม./วินาที พื้นที่กำลังเพิ่มขึ้นเร็วแค่ไหนเมื่อรัศมีเท่ากับ 4 ซม.
  5. อัตราสัมพัทธ์ กรวย. น้ำไหลออกจากถังทรงกรวย (ยอดชี้ลง) ด้วยอัตรา 2 ลบ.ม./นาที เมื่อความลึกของน้ำเท่ากับ 3 ม. และรัศมีผิวน้ำเท่ากับ 1.5 ม. ความลึกกำลังลดลงเร็วแค่ไหน (ตั้งความสัมพันธ์ปริมาตร-ความลึกก่อนโดยใช้สามเหลี่ยมคล้าย)
  6. อัตราสัมพัทธ์ ระยะทาง. รถสองคันออกจากจุดเดียวกัน คันหนึ่งมุ่งเหนือด้วยความเร็ว 40 กม./ชม. อีกคันมุ่งตะวันออกด้วยความเร็ว 30 กม./ชม. ระยะห่างระหว่างรถทั้งสองเพิ่มขึ้นเร็วแค่ไหนหลังผ่านไป 2 ชั่วโมง
  7. การประมาณเชิงเส้น. จงหาการประมาณเชิงเส้นของ f(x) = x1/3 ที่ a=8 แล้วใช้ประมาณค่า (8.06)1/3
  8. การประมาณเชิงเส้นกับตรีโกณมิติ. จงหาการประมาณเชิงเส้นของ f(x) = sin x ที่ a=0 แล้วอธิบายว่าทำไมจึงได้การประมาณมุมเล็ก sin x ≈ x ที่คุ้นเคย
  9. ดิฟเฟอเรนเชียล. ใช้ดิฟเฟอเรนเชียลประมาณการเปลี่ยนแปลงของ y = x2 − 3x เมื่อ x เปลี่ยนจาก 4 เป็น 4.02
  10. การประมาณความคลาดเคลื่อน. รัศมีของวงกลมวัดได้ 8 ซม. โดยมีความคลาดเคลื่อนที่เป็นไปได้ ±0.05 ซม. ใช้ดิฟเฟอเรนเชียลประมาณความคลาดเคลื่อนของพื้นที่ที่คำนวณได้
  11. โจทย์รวม. ปริมาณสองตัวสอดคล้องกับ x2+y2=xy+7 ที่ขณะ x=3, y=1 และ dx/dt=2 จงหา dy/dt ณ ขณะนั้น

5.13 เอกสารอ้างอิง