การประยุกต์สูตรการหาอนุพันธ์กับความชันของเส้นโค้ง
ในแรกเริ่มเราได้เรียนเกี่ยวกับความชันของเส้นโค้งมาแล้วว่ามีนิยามเป็นอย่างไร จากนิยามดังกล่าว หลังจากเราได้เรียนรู้เกี่ยวกับสูตรการหาอนุพันธ์ต่างๆ แล้ว เราสามารถใช้สูตรการหาอนุพันธ์เหล่านั้นช่วยในการแก้ปัญหาความชันของเส้นโค้งได้ โดยสรุปเป็นใจความสำคัญดังนี้
ความชันของเส้นโค้ง ณ จุด P(x,y) ใดๆ บนเส้นโค้ง y=f(x) หมายถึง ความชันของเส้นสัมผัสเส้นโค้ง ณ จุด P ซึ่งเท่ากับ f′(x) นั่นเอง
สูตรการหาอนุพันธ์จะช่วยให้เราไม่ต้องใช้นิยามในการหาความชันของเส้นโค้ง ณ จุด (x,y) ใดๆ ซึ่งค่อนข้างเสียเวลาและทำได้ยากในเส้นโค้งที่มีสมการซับซ้อน
พื้นฐานสำคัญสำหรับเรื่องนี้คือ เรขาคณิตวิเคราะห์ ครับ โดยเฉพาะเรื่องของความชัน และสมการเส้นตรง
ตัวอย่างการใช้สูตรการหาอนุพันธ์ในการแก้ปัญหาความชันของเส้นโค้ง
ตัวอย่างที่ 1
จงหาความชันของเส้นโค้ง ซึ่งเป็นกราฟของสมการ y=x2+2 ที่จุดใดๆ
สำหรับตัวอย่างนี้ หากใช้นิยามความชันของเส้นโค้ง ณ จุดใดๆ จะเสียเวลามาก ดังแสดงใน ตัวอย่างที่ 1 ในหัวข้อความชันของเส้นโค้ง
หากใช้ความรู้ที่ว่า ความชันของเส้นโค้ง ณ จุด (x,y) ใดๆ เท่ากับ f′(x) จะได้
slope=ddx(x2+2)=2x
ความชันของเส้นโค้งที่จุดใดๆ เท่ากับ 2x
ตัวอย่างที่ 2
กำหนดเส้นโค้ง y=x2−2x+1 จงหา
(1) ความชันของเส้นโค้ง ณ จุด (2,1)
(2) สมการของเส้นสัมผัสเส้นโค้งที่จุด (2,1)
(1) ความชันของเส้นโค้ง ณ จุด (2,1)
slope∣(x,y)=ddx(x2−2x+1)=2x−2slope∣(2,1)=2(2)−2=4−2=2
ความชันของเส้นโค้ง ณ จุด (2,1) เท่ากับ 2
(2) สมการของเส้นสัมผัสเส้นโค้งที่จุด (2,1)
เนื่องจากความชันของเส้นโค้งที่จุดใด คือความชันของเส้นสัมผัสเส้นโค้งที่จุดนั้น
ดังนั้น ความชันของเส้นสัมผัสเส้นโค้งที่จุด (2,1) คือ 2
จากสมการเส้นตรง y=mx+c จะได้ y=2x+c
หาค่า c โดยการแทนจุด (2,1) ลงในสมการ
y=2x+c1=2(2)+c1=4+c−3=c
สมการของเส้นสัมผัสเส้นโค้งที่จุด (2,1) คือ y=2x−3
ตัวอย่างที่ 3
ถ้าเส้นสัมผัสเส้นโค้ง y=1+4x−x2 ขนานกับเส้นตรง 2y−4x+1=0 แล้ว จงหาว่าเส้นสัมผัสเส้นนี้สัมผัสกับเส้นโค้งที่จุดใด
พิจารณาเส้นตรง 2y−4x+1=0 จัดรูปให้อยู่ในรูป y=mx+c จะได้
2y−4x+1=02y=4x−1y=2x−12
เนื่องจากเส้นสัมผัสขนานกับเส้นตรงเส้นนี้ ทำให้มีความชันเท่ากัน ซึ่งก็คือ 2
ความชันของเส้นสัมผัสเส้นโค้ง จะเท่ากับความชันของเส้นโค้ง นั่นคือ ความชันของเส้นโค้งเท่ากับ 2 ด้วย จะได้
f′(x)=2ddx(1+4x−x2)=24−2x=24−2=2x2=2x1=x
ดังนั้น ความชันของเส้นโค้งเท่ากับ 2 เมื่อ x=1 หาค่า y จะได้
y=1+4x−x2=1+4(1)−(1)2=1+4−1=4
จะได้ x=1 และ y=4 เป็นจุดที่เส้นโค้งมีความชันเท่ากับ 2
เส้นสัมผัสเส้นโค้งสัมผัสกับเส้นโค้งที่จุด (1,4)
ตัวอย่างที่ 4
กำหนดเส้นโค้ง y=x2|x|+√x3 จงหาสมการเส้นตรงที่ตั้งฉากกับเส้นสัมผัสเส้นโค้งที่จุด (1,2)
จากสมการเส้นโค้ง y=x2|x|+√x3 จะสังเกตได้ว่ามีค่าสัมบูรณ์อยู่ ซึ่งไม่มีสูตรหาอนุพันธ์โดยตรง แต่เมื่อพิจารณาจุด (1,2) จะเห็นว่า x=1 มีค่ามากกว่า 0 ทำให้ |x|=x จึงสามารถจัดรูปสมการเส้นโค้งใหม่เป็น
y=x2(x)+√x3=x3+x32
หาความชันของเส้นสัมผัสเส้นโค้งที่จุด (1,2)
slope|(x,y)=f′(x)=ddx(x3+x32)=3x2+32x12=3x2+32√xslope|(1,2)=3(1)2+32√1=3+32=92
เนื่องจาก ความชันของเส้นสัมผัสเส้นโค้งที่จุด (1,2) เท่ากับ 92
ดังนั้น ความชันของเส้นตรงที่ตั้งฉากกับเส้นสัมผัสเส้นโค้งที่จุด (1,2) เท่ากับ −29
หากเส้นตรง L1 ตั้งฉากกับ L2 แล้ว ความชันของทั้งสองเส้นจะคูณกันได้ผลลัพธ์เป็น −1
เส้นตรงดังกล่าวมีสมการเป็น y=−29x+c หาค่า c โดยการแทนจุด (1,2) ลงในสมการ
y=−29x+c2=−29(1)+c2+29=c209=c
สมการเส้นตรงที่ตั้งฉากกับเส้นสัมผัสเส้นโค้งที่จุด (1,2) คือ y=−29x+209
เราสามารถจัดให้อยู่ในรูป Ax+By+C=0 เพื่อให้สมการไม่ติดเศษส่วน จะได้
y=−29x+2099y=−2x+202x+9y−20=0
สมการเส้นตรงที่ตั้งฉากกับเส้นสัมผัสเส้นโค้งที่จุด (1,2) คือ 2x+9y−20=0