You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
ว30405 คณิตศาสตร์สําหรับฟิสิกส์ - 1 -<br />
คณิตศาสตร์สําหรับฟิสิกส์ (Math for Physics)<br />
ฟังก์ชัน<br />
ฟังก์ชัน เป็นเซตของความสัมพันธ์ระหว่างตัวแปรหนึ่งกับตัวแปรอื่นๆ<br />
กล่าวว่า “ y เป็นฟังก์ชัน<br />
ของ x ” เมื่อมีความสัมพันธ์ระหว่าง<br />
x และ y โดยที่เราสามารถหาค่า<br />
y ได้เมื่อกําหนดค่า<br />
x ให้<br />
2 เช่น y = x + 1 ซึ่งเรียก<br />
y ว่า ตัวแปรตาม<br />
เรียก x ว่า ตัวแปรต้น<br />
ซึ่งเราสามารถเขียน<br />
y ด้วย y(x) หรือ f(x) และจากฟังก์ชันตัวอย่างนี้เราสามารถหาค่าของ<br />
ของตัวแปรตาม ( y ) เมื่อกําหนดค่าของ<br />
ตัวแปรต้น ( x ) ให้ เช่น<br />
2<br />
เมื่อ<br />
x = 1 จะได้ y ( 1)<br />
= 1 + 1 = 2<br />
2<br />
x = 2 จะได้ y ( 2)<br />
= 2 + 1 = 5<br />
2 จากตัวอย่างข้างต้นเรากล่าวได้ว่า ฟังก์ชัน y = x + 1 นี้หาค่าได้ที่<br />
ตําแหน่ง = 1<br />
x และ x = 2<br />
ลิมิตของฟังก์ชัน<br />
กําหนดฟังก์ชัน f(x) = 2x - 1 พิจารณาค่าของ f(x) เมื่อ<br />
x มีค่าเข้าใกล้ 2 โดยพิจารณาจาก<br />
ตารางต่อไปนี้<br />
เมื่อ<br />
x มีค่าเข้าใกล้ 2 ทางซ้ายมือ (x < 2)<br />
x 1.9 1.99 1.999 1.9999 1.99999 1.999999<br />
f(x) 2.8 2.98 2.998 2.9998 2.99998 2.999998<br />
จากตารางจะได้ว่า 2x<br />
−1<br />
= 3<br />
lim<br />
x→2<br />
−<br />
เมื่อ<br />
x มีค่าเข้าใกล้ 2 ทางขวามือ (x > 2)<br />
x 2.1 2.01 2.001 2.0001 2.00001 2.000001<br />
f(x) 3.2 3.02 3.002 3.0002 3.00002 3.000002<br />
จากตารางจะได้ว่า 2x<br />
−1<br />
= 3<br />
lim<br />
x→2<br />
+<br />
จากตารางทั้งสองจะเห็นว่า<br />
เมื่อ<br />
x มีค่าเข้าใกล้ 2 ทางซ้ายหรือทางขวา f(x) จะมีค่าเข้าใกล้ 3<br />
ทั้งสองด้าน<br />
ซึ่งเราสามารถแสดงได้เป็น<br />
lim<br />
x→2<br />
2x<br />
−1<br />
=<br />
3<br />
เรียกว่าฟังก์ชัน f ( x)<br />
= 2x −1<br />
หาลิมิตที่<br />
x เข้าสู่<br />
2 ได้ และจากฟังก์ชัน f ( x)<br />
= 2x −1<br />
นี้<br />
จะเห็นได้ว่า<br />
สามารถหาค่าได้ทุก ค่าของ x<br />
*** ฟังก์ชันบางฟังก์ชันอาจหาค่าไม่ได้ที่ตําแหน่งหนึ่งของตัวแปรต้น<br />
แต่สามารถหาลิมิตได้ที่<br />
ตําแหน่งนั้น<br />
เช่น ( )<br />
( 2x<br />
+ 3)(<br />
x −1)<br />
f x = ซึ่งฟังก์ชันนี้ไม่สามารถหาค่าได้ที่ตําแหน่ง<br />
x = 1แต่สามารถ<br />
( x −1)<br />
หาลิมิตได้ ที่<br />
x มีค่าเข้าใกล้ 1 ดังนี้<br />
เมื่อ<br />
x มีค่าเข้าใกล้ 1 ทางซ้ายมือ (x < 1)<br />
x 0 0.5 0.75 0.99 0.999 0.9999<br />
f(x) 3 4 4.5 4.98 4.998 0.49998
ว30405 คณิตศาสตร์สําหรับฟิสิกส์ - 2 -<br />
จากตารางจะได้ว่า<br />
( 2x<br />
+ 3)(<br />
x −1)<br />
lim = 5<br />
−<br />
x→1<br />
( x −1)<br />
เมื่อ<br />
x มีค่าเข้าใกล้ 1 ทางขวามือ (x > 1)<br />
x 2 1.5 1.1 1.01 1.001 1.0001<br />
f(x) 7 5 5.2 5.02 5.002 5.0002<br />
่ ่<br />
่<br />
จากตารางจะได้ว่า<br />
( 2x<br />
+ 3)(<br />
x −1)<br />
lim = 5<br />
+<br />
x→1<br />
( x −1)<br />
ซึ่งจะเห็นได้ว่า<br />
( 2x<br />
+ 3)(<br />
x −1)<br />
lim+<br />
x→1<br />
( x −1)<br />
=<br />
( 2x<br />
+ 3)(<br />
x −1)<br />
lim−<br />
x→1<br />
( x −1)<br />
ดังนั้น<br />
จะได้<br />
( 2x<br />
+ 3)(<br />
x −1)<br />
lim = 5 หรือฟังก์ชัน ( )<br />
( 2x<br />
+ 3)(<br />
x −1)<br />
f x = หาลิมิตที x เข้าสู 1 ได้<br />
x→1<br />
( x −1)<br />
( x −1)<br />
แต่หาค่าที x=1 หรือ f () 1 ไม่ได้<br />
่<br />
ทฤษฎีบทเกี่ยวกับลิมิต<br />
ถ้า k เป็นค่าคงที และ lim f ( x)<br />
= L , lim g(<br />
x)<br />
= M แล้ว<br />
x→a<br />
x→a<br />
1. lim mx + c = ma + c<br />
x→a<br />
2. lim[ f ( x)<br />
± g(<br />
x)<br />
] = lim f ( x)<br />
± lim g(<br />
x)<br />
x→a x→a<br />
x→a<br />
=<br />
L ± M<br />
3. lim f ( x).<br />
g(<br />
x)<br />
= [ lim f ( x)<br />
] [ lim g(<br />
x)<br />
]<br />
4.<br />
x→a x→a<br />
x→a<br />
= LM<br />
f ( x)<br />
lim<br />
x→a<br />
g(<br />
x)<br />
=<br />
lim f ( x)<br />
x→a<br />
lim g(<br />
x)<br />
x→a<br />
=<br />
L<br />
M<br />
, M ≠ 0<br />
n lim f ( x)<br />
= lim f ( x)<br />
5. n<br />
x→a<br />
x→a<br />
n = L เมื่อ<br />
L > 0 และ<br />
+<br />
n ε I<br />
6. สําหรับ f ( x)<br />
= k,<br />
lim f ( x)<br />
x→a<br />
= lim k = k<br />
x→a<br />
7. lim [ k ± f ( x)<br />
] = lim k ± lim f ( x)<br />
= k ± L<br />
x→a<br />
=<br />
x→a<br />
k ± L<br />
x→a<br />
8. lim kf ( x)<br />
= ( lim f ( x)<br />
) = k lim f ( x)<br />
9.<br />
x→a x→a<br />
x→a<br />
k<br />
lim<br />
x→a<br />
f ( x)<br />
limk<br />
k k<br />
x→a<br />
= = = , L ≠ 0<br />
lim f ( x)<br />
lim f ( x)<br />
L<br />
x→a<br />
x→a
ว30405 คณิตศาสตร์สําหรับฟิสิกส์ - 3 -<br />
ฟังก์ชันต่อเนื่อง<br />
ฟังก์ชัน f ( x)<br />
เป็นฟังก์ชันต่อเนื<br />
1. f ( a)<br />
หาค่าได้<br />
2. lim f ( x)<br />
หาค่าได้<br />
x→a<br />
3. f ( a)<br />
= lim f ( x)<br />
x→a<br />
่องที่<br />
a ก็ต่อเมื่อ<br />
แคลคูลัสเบื้องต้น<br />
แคลคูลัสเป็นการศึกษาอัตราการเปลี่ยนแปลงของตัวแปรหนึ่งเทียบกับตัวแปรอื่นๆ<br />
อนุพันธ์ (Derivative)<br />
พิจารณากราฟของฟังก์ชัน f<br />
กําหนดให้ จุด P(x, f(x)) และ Q(x+h, f(x+h)) เป็นจุดสองจุดอยู่บนกราฟเส้นโค้ง<br />
ก. แสดงการหาความชันของเส้นตรง PQ ข. แสดงการหาความชันของกราฟเส้นโค้งที่จุด<br />
x<br />
รูปที่<br />
1<br />
QR<br />
จากรูป ที่<br />
1 ก. ความชันของเส้นตรง PQ เท่ากับ ถ้า m เป็นความชันของเส้นตรง PQ จะได้ว่า<br />
PR<br />
f ( x + h)<br />
− f ( x)<br />
m = ซึ่งความชันก็คือ<br />
อัตราการเปลี่ยนแปลงของตัวแปรตามต่อการเปลี่ยนแปลงของ<br />
h<br />
ตัวแปรต้น นั่นเอง<br />
ซึ่งกรณีนี้ความสัมพันธ์เป็นแบบเชิงเส้น<br />
หากพิจารณาที่กราฟของเส้นโค้ง<br />
ความชันของกราฟที่ตําแหน่งต่างๆ<br />
จะมีค่าไม่เท่ากัน ซึ่งการหา<br />
ความชันที่ตําแหน่งใดๆ<br />
(ความชันที่ตําแหน่งใดๆ<br />
นี้ก็<br />
คือ อัตราการเปลี่ยนแปลงของตัวแปรตามต่อ<br />
การเปลี่ยนแปลงของตัวแปรต้นที่ตําแหน่งใดๆ)<br />
นี้สามารถทําได้ดังนี้<br />
เช่น ต้องการหาความชันของกราฟ<br />
ที่ตําแหน่ง<br />
x โดยให้ ตําแหน่ง x+h เลื่อนเข้ามาใกล้<br />
ตําแหน่ง x มากๆ (ซึ่งระหว่างตําแหน่ง<br />
x ถึง x+h<br />
จะได้ส่วนเล็กๆ ของเส้นโค้งนี้ซึ่งก็คือเส้นตรง)<br />
และถ้าหากเลื่อนมาจนทําให้<br />
h→ 0 ก็จะประมาณได้ว่า<br />
ตําแหน่งทั้งสองเป็นตําแหน่งเดียวกัน<br />
และถือว่าเป็นตําแหน่งที่เป็นจุดสัมผัสกราฟ<br />
และหากหาความชันก็<br />
จะได้ว่าเป็นความชันของกราฟที่ตําแหน่งนั้น<br />
f ( x + h)<br />
− f ( x)<br />
ดังนั้น<br />
ความชันของกราฟที่ตําแหน่งใด<br />
ๆ เท่ากับ<br />
lim<br />
h→0<br />
h
ว30405 คณิตศาสตร์สําหรับฟิสิกส์ - 4 -<br />
เรียก ความชันที่ตําแหน่งใดๆ<br />
นี้ก็<br />
หรือ อัตราการเปลี่ยนแปลงของตัวแปรตามต่อการเปลี่ยนแปลงของตัว<br />
แปรต้นที่ตําแหน่งใดๆ<br />
นี้ว่า<br />
“ อนุพันธ์ของฟังก์ชัน f(x) เทียบกับ x ” และสามารถแทนสัญลักษณ์<br />
dy d<br />
, f ( x)<br />
, f ( x)<br />
, Dx<br />
f ( x)<br />
dx dx<br />
′ ดังนั้น<br />
dy<br />
dx<br />
f ( x + h)<br />
− f ( x)<br />
การหาอนุพันธ์ของฟังก์ชัน คือ = lim<br />
h→0<br />
h<br />
ข้อสังเกต เนื่องจากอนุพันธ์เป็นการหาอัตราการเปลี่ยนแปลงของตัวแปรตามเทียบกับการ<br />
เปลี่ยนแปลงของตัวแปรต้นเมื่อตัวแปรต้นเปลี่ยนไปน้อยมากๆ<br />
ด้วยเหตุนี้ค่าของตัวแปรตามจะต้อง<br />
เป็นไปได้ทุกๆ ค่าของตัวแปรตาม ดังนั้น<br />
การหาอนุพันธ์ต้องใช้กับฟังก์ชั่นที่ต่อเนื่องเท่านั้น<br />
สมบัติพื้นฐานการหาอนุพันธ์<br />
เมื่อ<br />
c และ n เป็นค่าคงที่<br />
และ u และ v เป็นฟังก์ชันของ x<br />
d d<br />
1. ( cu)<br />
= c ( u)<br />
dx dx<br />
d<br />
d d<br />
u + v + ... = ( u)<br />
+ ( v)<br />
+<br />
dx<br />
dx dx<br />
d d d<br />
( uv)<br />
= u ( v)<br />
+ v<br />
dx dx dx<br />
d d<br />
v ( u)<br />
− u ( v)<br />
d ⎛ u ⎞<br />
⎜ ⎟ = dx dx ,<br />
2<br />
dx ⎝ v ⎠ v<br />
d 1<br />
f x =<br />
dx dx<br />
df ( x)<br />
dy dy du<br />
= . ; เมื<br />
dx du dx<br />
2. ( ) ....<br />
3. u<br />
4. v<br />
5. ( )<br />
6.<br />
สูตรการหาอนุพันธ์พื้นฐาน<br />
d<br />
1. ( c)<br />
= 0<br />
n n−1<br />
3. ( x ) = nx<br />
≠ 0<br />
่อ y(u(x)) เรียกว่า “ กฎลูกโซ่ ”<br />
5. ( sin u)<br />
= cos u<br />
6. ( )<br />
7. ( tan u)<br />
= sec<br />
8. ( )<br />
9. ( sec u)<br />
= sec u tan u<br />
10. ( )<br />
11.<br />
dx<br />
d<br />
2. ( x)<br />
= 1<br />
dx<br />
d<br />
dx<br />
d n n−1<br />
d<br />
4. ( u ) = nu ( u)<br />
dx<br />
dx<br />
d<br />
dx<br />
du<br />
dx<br />
d<br />
dx<br />
cosu du<br />
= −sin<br />
u<br />
dx<br />
d<br />
dx<br />
2 du<br />
u<br />
dx<br />
d<br />
dx<br />
cot u<br />
2 du<br />
= −csc<br />
u<br />
dx<br />
d<br />
dx<br />
du<br />
dx<br />
d<br />
dx<br />
cscu = −csc<br />
u cot u<br />
d u u<br />
e = e<br />
dx<br />
du<br />
dx<br />
d 1 du<br />
12. ln( u)<br />
=<br />
dx u dx<br />
du<br />
dx
ว30405 คณิตศาสตร์สําหรับฟิสิกส์ - 5 -<br />
2<br />
ตัวอย่างที่<br />
1 จงหาความชันของกราฟพาราโบลา y = 5x ที่ตําแหน่งใดๆ<br />
และที่ตําแหน่ง<br />
x =2<br />
วิธีทํา<br />
ความชันที่ตําแหน่งใดๆ<br />
(หมายถึงที่ตําแหน่ง<br />
x ใดๆ นั่นเอง)<br />
ซึ่งก็<br />
คือ อนุพันธ์ของฟังก์ชัน f(x)<br />
dy d 2 d 2<br />
เทียบกับ x = ( 5x<br />
) = 5 x = 10x<br />
***<br />
dx<br />
dx<br />
ความชันของกราฟที่ตําแหน่ง<br />
x =2 (แทน x = 2 ในความชันตําแหน่งใดๆ) จะได้ ความชัน<br />
เท่ากับ (10)(2) = 20 ***<br />
ตัวอย่างที่<br />
2 หากรถคันวิ่งไปบนถนนทางตรงโดยมีระยะทางที่วิ่งไป<br />
( s) เป็นฟังก์ชันของเวลา () t<br />
2<br />
ดังสมการ s = 10t + 2t<br />
เมตร และ t มีหน่วยเป็น วินาที จงหาอัตราส่วนการเปลี่ยนแปลงระยะทางต่อ<br />
การเปลี่ยนแปลงของเวลา<br />
(ซึ่งก็คือ<br />
อัตราเร็ว) ที่เวลาใดๆ<br />
และที่เวลาวินาทีที่<br />
5<br />
วิธีทํา<br />
อัตราส่วนการเปลี่ยนแปลงระยะทางต่อการเปลี่ยนแปลงของเวลา<br />
ที่เวลาใดๆก็<br />
คือ อนุพันธ์ของ<br />
ฟังก์ชัน s () t เทียบกับ t<br />
ds<br />
dt<br />
d<br />
dt<br />
dx<br />
2 ( 10t<br />
+ 2t<br />
) = 10 + 4t<br />
= เมตร/วินาที ***<br />
อัตราส่วนการเปลี่ยนแปลงระยะทางต่อการเปลี่ยนแปลงของเวลา<br />
ที่เวลาวินาทีที่<br />
5 ( t = 5 )<br />
จะได้ อัตราส่วนการเปลี่ยนแปลงระยะทางต่อการเปลี่ยนแปลงของเวลา<br />
หรือ อัตราเร็ว เท่ากับ<br />
10 + 4()<br />
5 = 50 เมตร/วินาที ***<br />
ปฏิยานุพันธ์ (Integral)<br />
d<br />
ปฏิยานุพันธ์ เป็นการกระทําตรงกันข้ามกับอนุพันธ์ ซึ่งถ้า<br />
f ( x)<br />
= g(<br />
x)<br />
แล้วเราสามารถ<br />
dx<br />
หาฟังก์ชัน f ( x)<br />
โดยการหารปฏิยานุพันธ์ของ g ( x)<br />
เขียนแทนด้วย<br />
∫ g(<br />
x)dx<br />
ซึ่งบางครั้งอาจเรียกว่า<br />
อินทิกรัลแบบไม่จํากัดเขตของ g ( x)<br />
แต่เนื่องจาก<br />
การหาอนุพันธ์<br />
d<br />
ของค่าคงที่<br />
ได้เท่ากับ ศูนย์ c = 0 ดังนั้นเมื่อทําการหาอินทิกรัลแบบไม่จํากัดเขต<br />
ผลลัพธ์ที่ได้<br />
dx<br />
จะต้องบวกค่าคงที่เสมอ<br />
เช่น<br />
2<br />
กําหนดให้ f ( x)<br />
= x + 5 จะได้ อนุพันธ์ของฟังก์ชัน f1 ( x)<br />
เท่ากับ<br />
1<br />
2 ( x 5)<br />
= 2x<br />
d<br />
dx<br />
2 x<br />
2<br />
= x +<br />
d<br />
dx<br />
2<br />
x 1 = 2<br />
x<br />
+ แสดงว่า g ( x)<br />
2x<br />
1 =<br />
หรือกําหนดให้ f ( ) 1 จะได้ อนุพันธ์ของฟังก์ชัน f2 ( x)<br />
เท่ากับ<br />
( ) x<br />
+ แสดงว่า g ( x)<br />
2x<br />
2 =<br />
จะเห็นว่าอนุพันธ์ของฟังก์ชัน f1 ( ) และ f2 ( x)<br />
ต่างก็เท่ากับ 2 x<br />
2<br />
ดังนั้นเมื่อทําการหาปฏิยานุพันธ์ของ<br />
2 x จะได้ว่า 2 x dx = x + c เมื่อ<br />
c เป็นค่าคงที่และ<br />
สามารถหาได้โดยต้องกําหนดเงื่อนไขเริ่มต้น<br />
(Initial conditions) มาให้ ดังนั้น<br />
ถ้า f ( x)<br />
= g(<br />
x)<br />
dx<br />
แล้ว อินทิกรัลแบบไม่จํากัดเขต ของ g ( x)<br />
จะได้<br />
∫<br />
g ( x)<br />
dx = f ( x)<br />
+ c<br />
∫<br />
d
ว30405 คณิตศาสตร์สําหรับฟิสิกส์ - 6 -<br />
นอกจากนี้<br />
ถ้า f ( x)<br />
มีความต่อเนื่องใน<br />
a ≤ x ≤ b แล้วยังสามารถหา อินทิกรัลแบบจํากัดเขต ของ<br />
g ( x)<br />
ได้ดังนี้<br />
b<br />
b<br />
( x)<br />
dx = f ( x)<br />
= f ( b)<br />
− f ( a)<br />
∫ g<br />
a<br />
a<br />
จะสังเกตเห็นว่า อินทิกรัลแบบไม่จํากัดเขต ไม่ต้องใส่ค่าคงที่<br />
เพราะค่าคงที่จะตัดกันไปจาก<br />
( b)<br />
f ( a)<br />
f −<br />
อินทิกรัลจํากัดเขต (The Definite Integral)<br />
พื้นที่ใต้เส้นโค้ง<br />
สมมติให้ y = f (x)<br />
เป็นฟังก์ชันต่อเนื่อง<br />
ให้ A แทนพื้นที่ของรูป<br />
CMPD<br />
เมื่อ<br />
x เพิ่มขึ้น<br />
∆ x, A จะเพิ่มขึ้น<br />
∆ A (คือพื้นที่รูป<br />
MNQP)<br />
จากรูปจะได้ พื้นที่<br />
MNRP < พื้นที่รูป<br />
MNQP < MNQS<br />
MP. ∆ x < ∆ A < NQ. ∆ x<br />
∆A<br />
MP < < NQ (หารด้วย ∆ x ≠ 0)<br />
∆x<br />
ถ้าให้ ∆ x เข้าสู่ศูนย์<br />
(∆ x → 0) แล้ว NQ จะเข้าใกล้ MP<br />
เมื่อ<br />
y เป็นฟังก์ชันต่อเนื่องของ<br />
x จะได้<br />
จากหลัก differential <strong>calculus</strong><br />
dA = d(<br />
A + c)<br />
dA<br />
= MP<br />
dx<br />
dA<br />
= y<br />
dx<br />
dA = ydx<br />
( MP = y)<br />
A เป็นพื้นที่ใต้เส้นโค้ง<br />
และเป็นฟังก์ชันของ x และ C เป็นค่าคงที่<br />
∫ dA A + c<br />
dA =<br />
= 1<br />
แต่ ydx<br />
ดังนั้น<br />
∫ ydx<br />
= A + c1
ว30405 คณิตศาสตร์สําหรับฟิสิกส์ - 7 -<br />
่<br />
่<br />
A = ∫ ydx + c ( c = −c1)<br />
เนื่องจาก<br />
A เป็นพื้นที่จํากัด<br />
ดังนั้น<br />
C มีค่าจํากัด<br />
สมมติให้ ∫ ydx = g(x)<br />
จะได้ A = g(<br />
x)<br />
+ c<br />
ที่จุด<br />
x = a, พื้นที<br />
A = 0 จะได้ 0 = g a)<br />
+ c<br />
ที่จุด<br />
x = b, พื้นที<br />
A = A จะได้ A = g b)<br />
+ c<br />
ดังนั้น<br />
c = −g(<br />
a)<br />
= A − g(<br />
b)<br />
นั่นคือ<br />
A = g(<br />
b)<br />
− g(<br />
a)<br />
เขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ A = g(x)<br />
⎜ b<br />
a<br />
หรือ A<br />
b<br />
ydx = g(<br />
b)<br />
− g(<br />
a)<br />
คุณสมบัติเกี<br />
b<br />
่ยวกับ ∫<br />
a<br />
b<br />
ydx<br />
1. ∫ ∫ − = ydx<br />
a<br />
a<br />
2. ∫ =<br />
a<br />
b<br />
ydx 0<br />
a<br />
b<br />
ydx<br />
= ∫<br />
a<br />
( หรือ c = −g(a)<br />
( หรือ c = A − g(b)<br />
3. ∫ ydx = ∫ ydx + ∫ ydx เมื่อ<br />
a, b, c คือ จุดใดๆ ในช่วงการอินทิเกรต<br />
a<br />
c<br />
a<br />
่<br />
สมบัติพื้นฐานการหาปฏิยานุพันธ์<br />
เมื่อ<br />
c เป็นค่าคงที f ( x)<br />
และ g ( x)<br />
เป็นฟังก์ชันของ x<br />
1.<br />
d ( g(<br />
x)<br />
dx)<br />
dx ∫ = g(<br />
x)<br />
2. ∫ cg( x)<br />
dx = c∫<br />
g(<br />
x)dx<br />
3. ( ( x)<br />
g ( x)<br />
) dx = g ( x)<br />
dx ± g ( x)<br />
∫<br />
b<br />
c<br />
∫ 1 ∫<br />
g1 2<br />
2<br />
สูตรพื้นฐานของการหาปฏิยานุพันธ์<br />
1. n<br />
u du =<br />
n+<br />
1<br />
u<br />
+ c<br />
± dx<br />
∫ n + 1<br />
−1<br />
u du = lnu<br />
+ c<br />
2. ∫<br />
3. u<br />
∫ a du =<br />
u<br />
a<br />
+ c<br />
ln a<br />
4. u<br />
∫ e du =<br />
u<br />
e + c<br />
5. ∫ sin u du − cos<br />
6. ∫ cos<br />
u du sin u<br />
= u + c<br />
= + c
ว30405 คณิตศาสตร์สําหรับฟิสิกส์ - 8 -<br />
ความหมายเชิงกายภาพของปฏิยานุพันธ์<br />
การหาพื้นที่ใต้กราฟ<br />
( A ) ของสมการ<br />
2<br />
y = x ในช่วง 1 ≤ 2<br />
≤ x ดังรูปที<br />
ก. ข.<br />
รูปที่<br />
2<br />
สามารถทําได้โดยแบ่งพื้นที่ที่ต้องการหาเป็นสี่เหลี่ยมเล็กโดยมีความกว้างเป็น<br />
∆x เท่าๆ กัน ดังรูปที่<br />
2ข.<br />
หากในพื้นที่ที่ต้องการหานี้ถูกแบ่งเป็นจํานวน<br />
n รูป ซึ่งความสูงของรูปสี่เหลี่ยมแต่ละรูปนี้จะขึ้นกับค่าของ<br />
2<br />
x พื้นที่ใต้กราฟใต้กราฟของสมการ<br />
y = x ในช่วง 1≤ x ≤ 2 คือ ผลรวมของพื้นที่สี่เหลี่ยมทั้งหมด<br />
จํานวน n รูปนั่นเอง<br />
สามารถเขียนแทนสมการได้เป็น<br />
A<br />
=<br />
y ∆x<br />
+ y ∆x<br />
+<br />
1 2 ...<br />
+ y ∆x<br />
n<br />
=<br />
n<br />
∑<br />
i=<br />
1<br />
y ∆x<br />
ซึ่งวิธีนี้จะเป็นเพียงการคํานวณโดยประมาณเท่านั้น<br />
เพราะการสร้างสี่เหลี่ยมจะต้องมีส่วนที่เกินจากกราฟ<br />
เท่าๆกับส่วนที่หายไป<br />
และจะเห็นได้ว่าหากเราแบ่งพื้นที่นี้ออกเป็นสี่เหลี่ยมผืนผ้านี้เล็กมากเท่าไร<br />
ความ<br />
แม่นยําในการหาพื้นที่ใต้กราฟนี้ก็จะยิ่งมากขึ้น<br />
ดังนั้น<br />
หากแบ่งให้สี่เหลี่ยมผืนผ้านี้เล็กมากๆ<br />
จน ∆x → 0<br />
( n → ∞ ) จะได้ว่า<br />
A<br />
=<br />
= ∫<br />
lim<br />
1<br />
n<br />
∑<br />
y ∆x<br />
=<br />
3<br />
x 2<br />
3 1<br />
2<br />
∫<br />
y(<br />
x)dx<br />
3 3<br />
2 1<br />
−<br />
3 3<br />
7<br />
3<br />
i<br />
่ 2ก.<br />
∆x→0<br />
i=<br />
1<br />
i<br />
1<br />
2<br />
2<br />
x dx = = =<br />
***<br />
สังเกตได้ว่าเมื่อให้<br />
∆x → 0 ( n → ∞ ) เราจะแทน ∆x ด้วย dx และ lim ∑ แทนด้วย<br />
∆x→0<br />
∫<br />
i=<br />
1<br />
1<br />
(ซึ่งเป็นสัญลักษณ์แทนการรวมสิ่งที่มีความต่อเนื่องเข้าด้วยกัน)<br />
และ y i ซึ่งเป็นค่าของความสูงจะ<br />
แทนด้วย y ( x)<br />
เพราะเป็นฟังก์ชันของค่า x มีค่าขึ้นกับค่าของ<br />
x ในแต่ละตําแหน่ง<br />
ดังนั้น<br />
สรุปได้ว่า<br />
b<br />
พื้นที่ใต้กราฟ<br />
f ( x)<br />
ในช่วง a ≤ x ≤ bจะเท่ากับ<br />
∫<br />
f ( x)dx<br />
a<br />
n<br />
2
ว30405 คณิตศาสตร์สําหรับฟิสิกส์ - 9 -<br />
ตัวอย่างที่<br />
3 จงหาพื้นที่ใต้กราฟ<br />
y = x ในช่วง 1≤ x ≤ 3<br />
วิธีทํา<br />
3<br />
2<br />
2 2<br />
x 3 3 1<br />
A = ∫ xdx = = − = 4<br />
***<br />
2 1 2 2<br />
1<br />
ตัวอย่างที่<br />
4 รถคันหนึ่งเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วตามสมการ<br />
v( t)<br />
= 10 + 10t<br />
เมตร/วินาที จงหา<br />
ระยะทางที่รถคันนี้เคลื่อนที่ได้<br />
() s เมื่อเวลาผ่านไป<br />
10 วินาที (อัตราเร็วเท่ากับอัตราการเปลี่ยนแปลง<br />
ds<br />
ของระยะทางในหนึ่งหน่วยเวลา,<br />
v = )<br />
dt<br />
ds<br />
dt<br />
=<br />
วิธีทํา จาก v = จะได้ s = ∫ v dt<br />
หาระยะทางที่รถเคลื่อนที่จาก<br />
t 0 วินาที ถึง t = 10 วินาที ดังนั้น<br />
s<br />
10<br />
2 ⎛ 10t<br />
⎞10<br />
( 10 + 10t)<br />
dt = ⎜10t<br />
+ ⎟<br />
= ∫<br />
⎜<br />
0<br />
⎝<br />
⎛ 10⋅10<br />
= ⎜<br />
⎜10⋅10<br />
+<br />
⎝ 2<br />
= 600 เมตร<br />
2<br />
2 ⎟<br />
⎠ 0<br />
⎞ ⎛ 10⋅<br />
0<br />
⎟ − ⎜<br />
⎜10⋅<br />
0 +<br />
⎠ ⎝ 2<br />
ดังนั้นจะได้ระยะทางที่รถเคลื่อนที่ได้เมื่อเวลาผ่านไป<br />
10 วินาที เท่ากับ 600 เมตร ***<br />
2<br />
⎟ ⎞<br />
⎠<br />
********