อนุพันธ์ของฟังก์ชันประกอบ (Derivatives of Composite Functions)
สูตรการหาอนุพันธ์ของฟังก์ชันประกอบนี้ เรียกอีกชื่อหนึ่งว่า "กฎลูกโซ่ (chain rule)"
กฎลูกโซ่ ถ้า $f$ เป็นฟังก์ชันที่หาอนุพันธ์ได้ที่ $x$ และ $g$ เป็นฟังก์ชันที่หาอนุพันธ์ได้ที่ $f(x)$ แล้ว $g \circ f$ หาอนุพันธ์ได้ที่ $x$ และ
$(g \circ f)'(x)=g'(f(x))f'(x)$
จากสูตร ถ้าให้ $u=f(x)$ และให้ $y=(g \circ f)(x)$
จะได้ $y=g(f(x))=g(u)$
นั่นคือ $\displaystyle \frac{dy}{dx}=g'(f(x))f'(x)=\frac{d}{du}g(u) \cdot \frac{d}{dx}(u)$
เพราะฉะนั้น สูตรกฎลูกโซ่สามารถเขียนในอีกรูปแบบหนึ่งได้ว่า
ถ้า $u=f(x), y=g(u)=g(f(x))$ และ $\displaystyle \frac{dy}{du}, \frac{du}{dx}$ หาค่าได้แล้ว $\displaystyle \frac{dy}{dx}=\frac{dy}{du} \cdot \frac{du}{dx}$
ว่าด้วยเรื่องของสัญลักษณ์ $\displaystyle \frac{dy}{dx}$ นั้น หมายถึงการหาอนุพันธ์ของ $y$ เทียบกับ $x$ คือมอง $x$ เป็นตัวแปรนั่นเอง ดังนั้น $\displaystyle \frac{dy}{du}$ คือการหาอนุพันธ์ของ $y$ เมื่อมอง $u$ เป็นตัวแปร และ $\displaystyle \frac{du}{dx}$ คือการหาอนุพันธ์ของ $u$ เมื่อมอง $x$ เป็นตัวแปร
ตัวอย่างการหาอนุพันธ์ของฟังก์ชันประกอบ
กำหนดให้ $y=(2x+1)^3$ จงหาอนุพันธ์ของ $y$
ให้ $u=2x+1$ จะได้ $y=u^3$
y′=dydu⋅dudx=ddu(u3)⋅ddx(2x+1)=(3u2)(2)=6u2
จะได้ $y'=6u^2=6(2x+1)^2$
$y'=6(2x+1)^2$
การใช้กฎลูกโซ่นั้น สามารถมองให้ง่ายขึ้นโดยการ "ดิฟไส้" เช่นในตัวอย่างที่ 1 จาก $y=(2x+1)^3$ หากเรามองให้ $2x+1$ เป็นไส้ วิธีการหาอนุพันธ์ในข้อนี้คือให้หาอนุพันธ์โดยมองภาพรวมใหญ่ๆ ให้ $2x+1$ คือตัวแปรตัวหนึ่ง เราจะหาอนุพันธ์ได้เป็น $3(2x+1)^2$ แล้วให้ "ดิฟไส้" ก็คือหาอนุพันธ์ของ $2x+1$ อีกครั้ง จะได้ $3(2x+1)^2(2)=6(2x+1)^2$
ตัวอย่างที่ 2
กำหนดให้ $y=(1-3x^2)^5$ จงหาอนุพันธ์ของ $y$
เรามอง $1-3x^2$ เป็นไส้ จะได้
y′=5(1−3x2)4(−6x)⏟ดิฟไส้=−30x(1−3x2)4
$y'=-30x(1-3x^2)^4$
ตัวอย่างที่ 3
กำหนด $f(x)=\sqrt{x^2+3x-1}$ จงหา $f'(2)$
$\displaystyle f(x)=\sqrt{x^2+3x-1}=(x^2+3x-1)^{\frac{1}{2}}$
จะได้
f′(x)=12(x2+3x−1)−12(2x+3)⏟ดิฟไส้=2x+32√x2+3x−1
ดังนั้น
f′(2)=2(2)+32√22+3(2)−1=72√9=72(3)=76
$\displaystyle f'(2)=\frac{7}{6}$
ตัวอย่างที่ 4
กำหนดฟังก์ชัน $\displaystyle s(t)=\frac{1}{(2t^2-1)^3}$ จงหา $s'(-1)$
ในข้อนี้ เราจะหาอนุพันธ์ของฟังก์ชัน $s$ เทียบกับ $t$ นั่นคือมอง $t$ เป็นตัวแปร
$\displaystyle s(t)=\frac{1}{(2t^2-1)^3}=(2t^2-1)^{-3}$
จะได้
s′(t)=−3(2t2−1)−4(4t)=−12t(2t2−1)4
ดังนั้น
s′(−1)=−12(−1)(2(−1)2−1)4=12
$s'(-1)=12$
ตัวอย่างการใช้กฎลูกโซ่รวมกับสูตรผลคูณและสูตรผลหาร
ตัวอย่างที่ 6
กำหนด $y=(x-3)^3(2x+1)$ จงหาอนุพันธ์ของ $y$
ข้อนี้ $y$ อยู่ในรูปของผลคูณของ $(x-3)^3$ และ $2x+1$ ดังนั้นจึงต้องใช้สูตรผลคูณก่อน
y′=(x−3)3ddx(2x+1)+(2x+1)ddx(x−3)3⏟ฟังก์ชันประกอบ=(x−3)3(2)+(2x+1)(3)(x−3)2(1)=2(x−3)3+(6x+3)(x−3)2=(x−3)2(2x−6+6x+3)=(x−3)2(8x−3)
$y'=(x-3)^2(8x-3)$
ตัวอย่างที่ 7
กำหนด $\displaystyle f(x)=\left(\frac{2x+1}{1-2x}\right)^3$ จงหา $f'(1)$
ข้อนี้เราสามารถมอง $\displaystyle \frac{2x+1}{1-2x}$ เป็น "ไส้" โดยที่อยู่ในรูปของผลหาร
จะได้
$\displaystyle f'(x) = 3\left(\frac{2x+1}{1-2x}\right)^2\underset{\text{ดิฟไส้}}{\underbrace{\frac{d}{dx}\left(\frac{2x+1}{1-2x}\right)}}$ $\ldots (1)$
ดิฟไส้ ต้องใช้สูตรผลหาร
จะได้
ddx(2x+11−2x)=(1−2x)(2)−(2x+1)(−2)(1−2x)2=2−4x+4x+2(1−2x)2=4(1−2x)2
แทนใน $(1)$ จะได้
$\displaystyle f'(x) = 3\left(\frac{2x+1}{1-2x}\right)^2 \cdot \frac{4}{(1-2x)^2}$
ดังนั้น
f′(1)=3(2(1)+11−2(1))2⋅4(1−2(1))2=3(3−1)2⋅4(−1)2=3(9)(4)=108
$f'(1)=108$
ตัวอย่างการใช้กฎลูกโซ่เมื่อทราบค่าของอนุพันธ์ของบางฟังก์ชัน
ตัวอย่างที่ 8
กำหนดให้ $F(x)=f(g(x))$ และ $g(2)=4, g'(2)=5, f'(4)=9$ จงหา $F'(2)$
$F'(x)=f'(g(x))g'(x)$
จะได้
F′(2)=f′(g(2))g′(2)=f′(4)(5)=(9)(5)=45
$F'(2)=45$