ม.ปลาย · 40 นาที

สมการของเส้นสัมผัสเส้นโค้ง

ห้องทดลองเส้นสัมผัสเส้นโค้ง เลื่อนจุด B เข้าใกล้ A ให้เส้นตัดกลายเป็นเส้นสัมผัส ดูความชัน f′(x₀) สมการเส้นสัมผัสและเส้นตั้งฉาก กราฟ f′ จุดที่ความชันเป็น 0 ตารางลิมิต พร้อมฝึกโจทย์ ออกแบบภาพข้อสอบ และสุ่มชุดข้อสอบพร้อมเฉลย

ปกด้านในบทสมการของเส้นสัมผัสเส้นโค้ง มีกราฟพาราโบลาสีน้ำเงินกับเส้นสัมผัสสีแดงที่จุดหนึ่งทางซ้าย และครูอยู่ทางขวาถือดินสอชี้ไปที่กราฟ

เส้นสัมผัสคือค่าลิมิตของเส้นตัด

เลือกจุด A บนเส้นโค้ง และจุด B อีกจุดที่ห่างจาก A ตามแกน X เป็นระยะ h เส้นตรงที่ผ่าน A และ B เรียกว่า เส้นตัด ความชันของเส้นตัดคือ [f(x₀ + h) − f(x₀)] / h เมื่อ h เข้าใกล้ 0 จุด B เข้าใกล้ A และเส้นตัดเข้าใกล้เส้นสัมผัสที่จุด A ในห้องทดลอง กดปุ่ม เลื่อน B เข้าใกล้ A เพื่อดูเส้นสีแดงทับเส้นสีเขียว

ตัวอย่าง

f(x) = x² ที่ A(1, 1): ถ้า B อยู่ที่ x = 2 ความชันเส้นตัด = 4 − 11 = 3 ถ้า h = 0.1 ความชัน = 1.21 − 10.1 = 2.1 และเมื่อ h → 0 ความชันเข้าใกล้ 2

อินโฟกราฟิกความชันเส้นตัด [f(x₀ + h) − f(x₀)]/h สำหรับ f(x) = x² ที่ A(1, 1) เมื่อ h = 1 ได้ 3 เมื่อ h = 0.1 ได้ 2.1 และจัดรูปได้ 2 + h จึงเข้าใกล้ 2 เมื่อ h → 0
เมื่อ h เล็กลง ความชันเส้นตัดของ y = x² ที่ A(1, 1) เข้าใกล้ความชันเส้นสัมผัส 2

ความชันของเส้นสัมผัสคืออนุพันธ์ f′(x₀)

ค่าลิมิตของความชันเส้นตัดคืออนุพันธ์ของ f ที่ x₀ เขียนเป็น f′(x₀) = lim(h→0) [f(x₀ + h) − f(x₀)] / h ในทางปฏิบัติหา f′(x) จากสูตร (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹ แล้วแทน x = x₀ จึงได้ความชัน m = f′(x₀) แท็บ ขั้นตอน ในห้องทดลองแสดงการแทนค่าทีละบรรทัด

ตัวอย่าง

f(x) = x³ − 3x ได้ f′(x) = 3x² − 3 ที่ x₀ = 2 ความชัน m = 3(2)² − 3 = 9 และ f(2) = 8 − 6 = 2 จึงจุดสัมผัสคือ (2, 2)

นิยาม f′(x₀) เป็นลิมิตของความชันเส้นตัด สูตร (xⁿ)′ = nxⁿ⁻¹ และตัวอย่าง f(x) = x³ − 3x ได้ f′(x) = 3x² − 3 ความชันที่ x₀ = 2 เท่ากับ 9 และจุดสัมผัส (2, 2)
แทน x₀ = 2 ในอนุพันธ์ 3x² − 3 ได้ความชันเส้นสัมผัส m = 9 ที่จุด (2, 2)

สมการเส้นสัมผัส

เส้นสัมผัสที่จุด (x₀, y₀) เมื่อ y₀ = f(x₀) และความชัน m = f′(x₀) มีสมการ y − y₀ = m(x − x₀) แล้วจัดรูปเป็น y = mx + c หรือ Ax + By + C = 0 ห้องทดลองแสดงทั้งสามรูปในแท็บ ผลลัพธ์ และลากจุด A เพื่อดูสมการเปลี่ยนตามตำแหน่งได้

ตัวอย่าง

f(x) = x² − 4x + 3 ที่ x₀ = 3: f(3) = 0, f′(x) = 2x − 4 ได้ m = 2 สมการ y − 0 = 2(x − 3) หรือ y = 2x − 6 (รูปทั่วไป 2x − y − 6 = 0)

สามขั้นตอนหาสมการเส้นสัมผัส y − y₀ = m(x − x₀) และสมการสามรูปแบบ พร้อมตัวอย่าง f(x) = x² − 4x + 3 ที่ x₀ = 3 ได้จุด (3, 0) m = 2 สมการ y = 2x − 6 หรือ 2x − y − 6 = 0
หาจุด หาความชัน แล้วแทนในรูปจุด–ความชัน ได้เส้นสัมผัส y = 2x − 6 ที่จุด (3, 0)

เส้นตั้งฉากกับเส้นสัมผัส

เส้นตั้งฉาก (เส้นปกติ) ผ่านจุดสัมผัสเดียวกันและตั้งฉากกับเส้นสัมผัส ถ้าความชันเส้นสัมผัสคือ m ≠ 0 ความชันของเส้นตั้งฉากคือ −1m ถ้า m = 0 เส้นสัมผัสขนานแกน X เส้นตั้งฉากจึงเป็นเส้นตรงแนวดิ่ง x = x₀ เปิดเครื่องมือ เส้นตั้งฉาก ในแถบเครื่องมือเพื่อดูเส้นประสีม่วง

ตัวอย่าง

f(x) = x² − 4x + 3 ที่ x₀ = 3 มี m = 2 ความชันเส้นตั้งฉาก = −12 สมการ y − 0 = −(12)(x − 3) ได้ y = −x2 + 32

สูตรความชันเส้นปกติ −1/m เมื่อ m ≠ 0 และเส้นปกติ x = x₀ เมื่อ m = 0 พร้อมตัวอย่าง f(x) = x² − 4x + 3 ที่ (3, 0) ความชันเส้นสัมผัส 2 ได้เส้นปกติ y = −x/2 + 3/2
เส้นปกติที่จุด (3, 0) มีความชัน −12 ตั้งฉากกับเส้นสัมผัสที่มีความชัน 2

หาจุดเมื่อรู้ความชันของเส้นสัมผัส

โจทย์กลับด้านให้ความชัน M แล้วถามหาจุดสัมผัส ให้ตั้งสมการ f′(x) = M แก้หาค่า x แล้วแทนใน f(x) เพื่อหา y ถ้า M = 0 จะได้จุดที่เส้นสัมผัสขนานแกน X ซึ่งมักเป็นจุดสูงสุดหรือต่ำสุดเฉพาะที่ แต่ไม่เสมอไป เช่น y = x³ ที่ x = 0 มีความชัน 0 แต่ไม่ใช่จุดสูงสุดหรือต่ำสุด เปิด ความชัน 0 ในแถบเครื่องมือเพื่อดูจุดเหล่านี้บนกราฟ

ตัวอย่าง

f(x) = 2x³ − 9x² + 12x + 1 ได้ f′(x) = 6x² − 18x + 12 = 6(x − 1)(x − 2) ให้ f′(x) = 0 ได้ x = 1 หรือ 2 จุดสัมผัสคือ (1, 6) และ (2, 5) เส้นสัมผัสคือ y = 6 และ y = 5

ขั้นตอนตั้ง f′(x) = M แก้หา x แล้วแทนใน f(x) พร้อมตัวอย่าง f(x) = 2x³ − 9x² + 12x + 1 ได้ f′(x) = 6(x − 1)(x − 2) = 0 จุดสัมผัส (1, 6) และ (2, 5) เส้นสัมผัส y = 6 และ y = 5
ตั้งอนุพันธ์เท่ากับ 0 ได้ x = 1 และ x = 2 จึงมีเส้นสัมผัสแนวนอน y = 6 และ y = 5

ฟังก์ชันรูปแบบอื่น

หลักการเดียวกันใช้ได้กับฟังก์ชันอื่น ห้องทดลองมี ax − h + k, ax − h + k, a·e^(bx) + k, a·ln(x − h) + k และ a·sin(bx) + k พร้อมสูตรอนุพันธ์ของแต่ละแบบ ถ้าจุดที่เลือกอยู่นอกโดเมนหรืออนุพันธ์ไม่นิยาม ห้องทดลองจะแจ้งว่าไม่มีเส้นสัมผัสที่จุดนั้น

ตัวอย่าง

f(x) = x ที่ x₀ = 4: f′(x) = 12x จึง m = 14 และ f(4) = 2 สมการ y − 2 = (14)(x − 4) หรือ y = x4 + 1

อนุพันธ์ของ √x, eˣ, ln x และ sin x พร้อมกราฟ และตัวอย่าง f(x) = √x ที่ x₀ = 4 ได้ f(4) = 2 ความชัน 1/4 และเส้นสัมผัส y = x/4 + 1 ที่จุด (4, 2)
เส้นสัมผัสของ y = x ที่จุด (4, 2) มีความชัน 14 ได้สมการ y = x4 + 1

ฝึกโจทย์ ออกแบบภาพข้อสอบ และชุดข้อสอบ

โหมด ฝึกโจทย์ มี 5 แบบ คือหาความชัน สมการเส้นสัมผัส สมการเส้นตั้งฉาก หาจุดเมื่อรู้ความชัน และเส้นสัมผัสที่ความชันกำหนด พร้อมตรวจคำตอบและวิธีทำ โหมด ออกแบบโจทย์ ให้ครูเลือกซ่อนเส้นสัมผัส ใส่ช่องว่างหรือเฉลยใต้กราฟ แล้วบันทึกภาพ PNG ที่ไม่มีแผงเครื่องมือ โหมด ชุดข้อสอบ สุ่มโจทย์พร้อมเฉลยให้คัดลอกเป็นข้อความ

ตัวอย่าง

f(x) = x² + 2x ที่ x = 1: f′(x) = 2x + 2 ได้ m = 4 และ f(1) = 3 สมการเส้นสัมผัสคือ y − 3 = 4(x − 1) หรือ y = 4x − 1

ห้องทดลองสมการของเส้นสัมผัสเส้นโค้ง

เส้นตัด → เส้นสัมผัส · ความชัน f′(x₀) · เส้นตั้งฉาก · อนุพันธ์
Δx = h = 1Δy = 9.25A(1.5, −1.12)B(2.5, 8.13)−8−6−4−22468−14−12−10−8−6−4−224681012140xyf(x) = x³ − 3xเส้นสัมผัส y = 3.75x − 6.75

ลากจุด A ไปตามเส้นโค้ง · ลากจุด B เข้าใกล้ A (กด Shift = ละเอียด) · ลากพื้นหลังเพื่อเลื่อน · ล้อเมาส์เพื่อซูม

ลองคิดด้วยตัวเอง

เช็กความเข้าใจ

เส้นสัมผัสเส้นโค้ง f(x) = x² + 2x ที่ x = 1 มีสมการใด
← กลับไปเลือกบทเรียน