Integralปริพันธ์
วัดพื้นที่ใต้เส้นโค้ง แล้วพบว่ามันคือ derivative ที่เดินย้อนกลับ
พื้นที่แบบเดียวที่เรามั่นใจ
สูตรพื้นที่ที่เรามั่นใจเต็มร้อยมีแค่ กว้าง × สูง สามเหลี่ยมหรือวงกลมก็ได้มาจากการตัดแล้วจัดใหม่ทั้งนั้น แล้วพื้นที่ใต้เส้นโค้ง y = 4 − x² ตั้งแต่ x = −1 ถึง x = 2 ล่ะ เท่าไร ตรงนั้นไม่มีสี่เหลี่ยมให้ใช้สูตรเลย ลองนับช่องตารางใต้เส้นดู: 8? 9? 10?
อุ่นเครื่อง: รถวิ่ง 12 m/s นาน 3 วินาที แล้ววิ่ง 4 m/s อีก 2 วินาที ไปได้ไกลเท่าไร
12 × 3 + 4 × 2 = 36 + 8 = 44 เมตร: ช่วงที่ความเร็วคงที่ช่วงละหนึ่งสี่เหลี่ยม ความเร็ว × เวลา แล้วรวมกัน (40 คือเอาความเร็วมาเฉลี่ยราวกับแต่ละช่วงนานเท่ากัน แต่ช่วง 12 m/s นานกว่า ส่วน 16 คือเอาความเร็วมาบวกกัน ได้หน่วย m/s ไม่ใช่เมตร) สองช่วงคงที่นั้นง่าย ความเร็วที่เปลี่ยนทุกขณะคือเส้นโค้ง — เลยต้องหั่นเป็นสี่เหลี่ยมบาง ๆ
หั่นเป็นสี่เหลี่ยมบาง ๆ
ทบทวน Σ: วิธีเขียนสั้น ๆ ของ “บวกทั้งหมดเข้าด้วยกัน”
Σ (ซิกมา ตัว S ใหญ่ของกรีก มาจาก sum) แปลว่า บวกสิ่งที่ตามหลังมันทีละตัว ตามค่าของตัวนับที่เขียนใต้มัน Σi=13 f(xᵢ)·Δx อ่านว่า “บวก f(xᵢ) คูณ Δx สำหรับ i ตั้งแต่ 1 ถึง 3” คือ f(x₁)·Δx + f(x₂)·Δx + f(x₃)·Δx
ใต้ y = 4 − x² จาก −1 ถึง 2 ถ้า Δx = 1 กึ่งกลางแท่งทั้งสามอยู่ที่ x = −0.5, 0.5 และ 1.5 สูง 3.75, 3.75 และ 1.75 ดังนั้น Σ f(xᵢ)·Δx = (3.75 + 3.75 + 1.75) × 1 = 9.25 — ผลรวมแรกในรูปข้างบนนั่นเอง
เรียนเพิ่ม: OpenStax Calculus Volume 1, §5.1 Approximating Areas (ภาษาอังกฤษ)
แต่ละแท่งคือ สูง × กว้าง: f(x)·Δx รวมทุกแท่งเข้าด้วยกันจะได้ค่าประมาณที่ผิดไปนิดหน่อย — แต่ยิ่งแท่งบาง ก็ยิ่งผิดน้อยลง ลองดูว่าผลรวมเปลี่ยนไปเท่าไรทุกครั้งที่ความกว้างลดลงครึ่งหนึ่ง: −0.1875, −0.0469, −0.0117 … แต่ละครั้งเหลือแค่หนึ่งในสี่ของครั้งก่อน ผลรวมกำลังนิ่ง ค่าที่มันนิ่งเข้าหาคือ ลิมิต คือค่าที่ปริมาณหนึ่งวิ่งเข้าหา เมื่อบางอย่างเล็กลงเรื่อย ๆ ไม่สิ้นสุด
ค่าที่นิ่งนั้นมีชื่อและสัญลักษณ์: integral ∫−12 (4 − x²) dx ตัว ∫ คือตัว S ยืดยาว มาจาก sum (ผลรวม) ส่วน dx คือความกว้าง Δx ที่บางลงไม่สิ้นสุด อ่านว่า “รวม สูง × ความกว้างนิดเดียว ตั้งแต่ −1 ถึง 2”
ในโจทย์ประยุกต์ แต่ละชิ้นยังมีหน่วยของมัน: ความเร็ว (m/s) × เวลานิดเดียว (s) ได้ระยะทางนิดเดียว (m) ความหมาย “รวมชิ้นเล็ก ๆ” จึงเป็นความหมายที่ใช้ได้ในงานวิศวกรรมทุกแบบ
เรื่องที่น่าทึ่ง: ความชันของพื้นที่ คือเส้นโค้งเอง
ทบทวน ความชันของเส้นตรง: ระยะขึ้นหารระยะไป
ระหว่างสองจุดบนเส้นตรง ความชันคือระยะที่ขึ้น หารด้วยระยะที่ไปทางขวา: ΔyΔx = y₂ − y₁x₂ − x₁ ผ่านจุด (1, 2) และ (3, 8): 8 − 23 − 1 = 3 แปลว่าไปทางขวา 1 ขึ้น 3 เส้นที่ลงมีความชันติดลบ เส้นแบนราบมีความชัน 0 และใน y = mx + c ตัว m คือความชัน
ความชันคืออัตรา ถ้าเส้นนั้นเป็นระยะทาง (เมตร) เทียบกับเวลา (วินาที) ความชันมีหน่วยเมตรต่อวินาที คือความเร็ว อัตราทุกแบบที่เคยใช้ — กม./ชม. บาทต่อกิโล ลิตรต่อนาที — คือความชันทั้งนั้น
เรียนเพิ่ม: OpenStax College Algebra 2e, §4.1 Linear Functions (ภาษาอังกฤษ)
รวมสี่เหลี่ยมเป็นพัน ๆ แท่งทุกครั้งคงไม่ไหว ลองมองพื้นที่อีกแบบ: เริ่มที่ −1 แล้วให้ขอบขวาเคลื่อนไปเรื่อย ๆ เรียกพื้นที่ที่ได้ถึงตอนนั้นว่า A(x) ลากขอบแล้วดูกราฟของ A(x) ที่วาดอยู่ข้างล่าง แล้วถามว่า A โตเร็วแค่ไหน: ขยับขอบไปอีก Δx จะได้แถบสีเขียวบาง ๆ เพิ่มมา — ประมาณ f(x) × Δx
ดังนั้น ΔAΔx ≈ f(x) และยิ่งแถบบาง ยิ่งใกล้ ความชันของ A คือความสูงของเส้นโค้ง แปลว่า A เป็นฟังก์ชันที่ derivative ของมันคือ 4 − x² เรารู้จักฟังก์ชันแบบนั้นอยู่ตัวหนึ่ง: F(x) = 4x − x³/3 เพราะ differentiate แล้วได้ 4 − x² พอดี พื้นที่จาก −1 ถึง 2 จึงเท่ากับ F(2) − F(−1) = 16/3 + 11/3 = 9 — พอดีเป๊ะ โดยไม่ต้องใช้สี่เหลี่ยมสักแท่ง
นี่คือทฤษฎีบทหลักมูลของแคลคูลัส (fundamental theorem of calculus) มันเปลี่ยนเรื่อง “รวมแถบบาง ๆ นับไม่ถ้วน” ให้กลายเป็น “หาฟังก์ชันที่ derivative ของมันคือ f แล้วเอาค่าที่ปลายทั้งสองข้างมาลบกัน”
ตามชีท: derivative แบบย้อนกลับ
ชีท “Math 1: อินทิเกรต1” เริ่มจากแนวคิดนี้พอดี และถามมันเป็นคำถาม: ∫□dx คือคำถามว่า differentiate อะไรแล้วได้ □
บทนิยาม 3.1 (หน้า 1) “จะกล่าวว่าฟังก์ชัน F เป็นปฏิยานุพันธ์ของฟังก์ชัน f บนช่วง S ก็ต่อเมื่อ F′(x) = f(x) ทุกค่า x บนช่วง S” กระบวนการหาปฏิยานุพันธ์เรียกว่าการหาปริพันธ์ (integration) และ ∫f(x)dx เรียกว่าปริพันธ์ไม่จำกัดเขต (indefinite integral) ของ f(x) เทียบกับ x โดย C เป็นค่าคงที่ใด ๆ (หน้า 4)
| ∫ | เครื่องหมาย integral — “รวม” |
|---|---|
| f(x) | ตัวถูกปริพันธ์ (integrand) — สิ่งที่ถูก integrate |
| dx | เทียบกับ x — ความกว้างนิดเดียว |
| + C | ค่าคงที่ใด ๆ: ได้ปฏิยานุพันธ์ทุกตัว ไม่ใช่แค่ตัวเดียว |
ทำไมต้อง + C ดูตัวอย่างแรกในชีท (หน้า 1–2): x⁵/5, x⁵/5 + 1 และ x⁵/5 − 2 differentiate แล้วได้ x⁴ ทั้งหมด — เพราะ derivative ของค่าคงที่คือ 0 ดังนั้น ∫x⁴ dx = x⁵/5 + C นี่คือทั้งตระกูลสำหรับเส้นโค้งของเรา: ทุกเส้นมีความชันเท่ากันที่ x เดียวกัน ต่างกันแค่ความสูง
ลองทำให้เส้นผ่านจุด (−1, 0) มันจะกลายเป็น A(x) จากหัวข้อที่แล้วพอดี: C คือเลขบนมิเตอร์ตอนเริ่มนับ และใน F(b) − F(a) ตัว C หักล้างกันหายไป integral จำกัดเขตจึงใช้ C เท่าไรก็ได้
กฎยกกำลัง แบบย้อนกลับ
differentiate xⁿ⁺¹ ได้ (n + 1)xⁿ จะได้ xⁿ กลับมาก็หารด้วย n + 1: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C ลองเลื่อน n แล้วตรวจดู: ความสูงของเส้นสีฟ้า คือความชันของเส้นสีเขียว จากนั้นลอง n = −1
derivative แต่ละตัว อ่านย้อนกลับ (ชีทหน้า 5)
| differentiate | จึง integrate ได้ |
|---|---|
| d/dx (x) = 1 | ∫ 1 dx = x + C |
| d/dx (xⁿ⁺¹/(n+1)) = xⁿ | ∫ xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n+1) + C, n ≠ −1 |
| d/dx (ln|x|) = 1/x | ∫ (1/x) dx = ln|x| + C |
| d/dx (eˣ) = eˣ | ∫ eˣ dx = eˣ + C |
| d/dx (aˣ/ln a) = aˣ | ∫ aˣ dx = aˣ/ln a + C |
| d/dx (−cos x) = sin x | ∫ sin x dx = −cos x + C |
| d/dx (sin x) = cos x | ∫ cos x dx = sin x + C |
| d/dx (tan x) = sec²x | ∫ sec²x dx = tan x + C |
| d/dx (−cot x) = csc²x | ∫ csc²x dx = −cot x + C |
| d/dx (sec x) = sec x tan x | ∫ sec x tan x dx = sec x + C |
| d/dx (−csc x) = csc x cot x | ∫ csc x cot x dx = −csc x + C |
| d/dx (sin⁻¹x) = 1/√(1 − x²) | ∫ dx/√(1 − x²) = sin⁻¹x + C |
| d/dx (tan⁻¹x) = 1/(1 + x²) | ∫ dx/(1 + x²) = tan⁻¹x + C |
ตารางเต็มในชีทหน้า 6 มี 25 สูตร รวม tan, cot, sec, csc และรูปที่มีค่า a ซึ่งจะได้ใช้ในบทถัดไป เทคนิคการ integrate ชีทบอกไว้ตรง ๆ ว่า “ท่องสูตร diff ให้คล่อง” — รู้สูตร derivative แล้ว integral ก็มาด้วย
∫ x³ dx = ?
ตรวจด้วยการ differentiate: (x⁴/4 + C)′ = x³ ✓ ส่วน 3x² + C คือการเผลอ differentiate แทน (derivative ของมันคือ 6x) x⁴/4 ที่ไม่มี C ได้เส้นเดียวในตระกูล ไม่ใช่ทั้งหมด และ x⁴ + C differentiate แล้วได้ 4x³ มากไปสี่เท่า
∫ (1/x) dx = ?
1/x = x⁻¹ และกฎยกกำลังที่ n = −1 ต้องหารด้วยศูนย์ — นี่คือข้อยกเว้นเดียว คำตอบของมันคือ ln|x| ถ้าไม่ใส่ค่าสัมบูรณ์ ln x จะไม่มีค่าที่ x = −2 ทั้งที่ 1/x ที่ x = −2 ไม่มีปัญหาเลย (ในชีทบางที่ลืมใส่) ส่วน −1/x² คือ derivative ของ 1/x ไม่ใช่ integral
กฎของผลบวกและค่าคงที่ (หน้า 4)
| ∫ (u ± v) dx = ∫ u dx ± ∫ v dx | ผลบวกแยกกันได้ |
| ∫ k·u dx = k ∫ u dx | ค่าคงที่ดึงออกมาได้ |
| ∫ u·v dx ≠ ∫ u dx · ∫ v dx | “ระวัง!” — ผลคูณแยกกันไม่ได้ |
∫ x·x² dx = ?
คูณก่อน: x·x² = x³ จึงได้ x⁴/4 + C การ integrate ทีละตัวแล้วคูณกันคือ “ระวัง!” ในชีทนั่นเอง — ตรวจดู: (x⁵/6)′ = (5/6)x⁴ ไม่ใช่ x³ และการดึง x ออกมาข้างนอกเหมือนเป็นค่าคงที่ก็ผิด เพราะดึงออกได้เฉพาะค่าคงที่
ตัวอย่าง 3.1 ในชีท ทำทีละขั้น — แล้วตรวจด้วยการ differentiate
ทบทวน เขียนเศษส่วนและรากให้เป็นเลขยกกำลัง
กฎยกกำลังใช้ได้กับ xⁿ เท่านั้น จึงต้องเขียนใหม่ก่อน:
| 1/xⁿ = x−n | 1/t⁴ = t−4 |
| √x = x1/2 | 1/√x = x−1/2 |
| n√xm = xm/n | 3√x² = x2/3 |
| xᵃ · xᵇ = xa+b | x³√x = x3 + 1/2 = x7/2 |
| xᵃ / xᵇ = xa−b | 2t³/t⁴ = 2t−1 |
จากนั้น ∫x−1/2 dx = x1/2/(1/2) + C = 2√x + C (หารด้วยเศษส่วน คือคูณด้วยตัวกลับ)
เรียนเพิ่ม: OpenStax College Algebra 2e, §1.3 Radicals and Rational Exponents (ภาษาอังกฤษ)
ทบทวน กระจาย (x + h)² — และทำไมไม่ใช่ x² + h²
(x + h)² คือสี่เหลี่ยมจัตุรัสที่มีด้านยาว x + h ตัดตามแนว x กับ h จะได้จัตุรัสใหญ่ x² จัตุรัสเล็ก h² และแถบยาวอีกสองแถบ x·h ดังนั้น (x + h)² = x² + 2xh + h² ลืมสองแถบนี้คือพลาดที่เจอบ่อย — เช็กด้วยตัวเลข: (3 + 1)² = 16 แต่ 3² + 1² = 10
ในชีทคูณด้วย 2 ต่อ: 2(x + h)² = 2x² + 4xh + 2h² และจัตุรัสรูปนี้จะกลับมาอีกครั้งในบทนี้ — มันคือที่มาของการ differentiate x² แล้วได้ 2x
เรียนเพิ่ม: Khan Academy — การยกกำลังสองทวินามในรูป (x+a)² (ซับไทย) · OpenStax §1.4 (ภาษาอังกฤษ)
integral จำกัดเขต: จาก a ถึง b
ตามที่ชีท “Math 1: อินทิกรัลจำกัดเขต” ตีกรอบไว้ (หน้า 2) สิ่งที่กรอบไม่ได้บอก และรูปขอบเลื่อนข้างบนแสดงให้เห็นคือ: F ต้องเป็นปฏิยานุพันธ์ของ f — ฟังก์ชันที่ derivative ของมันคือ f และต้องเป็นขอบบนลบขอบล่าง เรียงตามนี้
∫₁² (3x² + 2x − 4) dx = ? (ชีทหน้า 1)
F(x) = x³ + x² − 4x ได้ F(2) = 8 + 4 − 8 = 4 และ F(1) = 1 + 1 − 4 = −2 ดังนั้น F(2) − F(1) = 4 − (−2) = 6 ส่วน −6 คือ F(1) − F(2) เอาล่างลบบน, 2 คือ 4 − 2 ที่ทำเครื่องหมายลบของ F(1) = −2 หาย และ 11 คือแทนขอบลงใน f แทนที่จะเป็น F: f(2) − f(1) = 12 − 1
ใต้แกน x: integral นับเป็นค่าลบ
ตรงที่ f อยู่ใต้แกน f(x)·dx ติดลบ integral จึงหักส่วนนั้นออก จาก −2 ถึง 2 ใต้ y = x³ สองซีกหักล้างกันพอดี: integral เท่ากับ 0 ทั้งที่พื้นที่จริงคือ 4 + 4 = 8 ถ้าต้องการพื้นที่ ต้องแบ่งช่วงที่จุดตัดแกน แล้วนับทุกชิ้นเป็นค่าบวก การใส่ค่าสัมบูรณ์ทั้งก้อน |∫f dx| ใช้ได้เฉพาะเมื่อ f ไม่เปลี่ยนเครื่องหมายในช่วงนั้น (ชีทหน้า 12) ถ้า f เป็นความเร็ว: integral คือว่าสุดท้ายคุณอยู่ตรงไหน ส่วนพื้นที่คือขับไปไกลแค่ไหน
พื้นที่ระหว่าง y = x³ กับแกน x จาก x = −2 ถึง x = 1 (ชีทหน้า 14) เท่ากับ …
แบ่งที่ x = 0: ∫₋₂⁰ x³ dx = −4 (ใต้แกน) และ ∫₀¹ x³ dx = 1/4 (เหนือแกน) พื้นที่ = 4 + 1/4 = 17/4 ส่วน −15/4 คือตัว integral เอง (−4 + 1/4), 15/4 คือใส่ |∫| ทั้งก้อนข้ามจุดตัดแกน ซึ่งใช้ได้เฉพาะเมื่อ f ไม่เปลี่ยนเครื่องหมาย และ 4 คือเฉพาะส่วนที่อยู่ใต้แกน
ดูฉบับเต็ม: ต้นฉบับที่บทนี้ได้แรงบันดาลใจ
ขอบที่เลื่อนได้และแนวคิด “integrate คือ differentiate ย้อนกลับ” มาจากซีรีส์ Essence of Calculus ของ 3Blue1Brown (Grant Sanderson) ตอนที่ 8 และ 9 — เล่าด้วยความเร็วของรถแทนเส้นโค้ง ทั้งสองตอนมีคำบรรยายภาษาไทย
วิดีโอเป็นของ 3Blue1Brown ฝังจาก YouTube ส่วนแบบตำรา: OpenStax Calculus Volume 1 หัวข้อ 5.1–5.3 (ฟรี ภาษาอังกฤษ) openstax.org