R1 Eksempeloppgave 2021

Last ned eksamenssettet som PDF. Oppgavene er hentet fra Utdanningsdirektoratet.

Første nedlasting kjører en bot-sjekk i nettleseren (Vercel BotID). Mer i personvernerklæringen.

LK20 12 oppgaver 5 timer

0 av 12 klart

Ikke prøvd Prøvd Trenger hjelp Klart

Del 1 — uten hjelpemidler · 1 time · 5 oppgaver

Oppgave 1-1 : Grenseverdi av (x-1) delt på x² pluss x minus 2

Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.

Bestem grenseverdien

limx1x1x2+x2\lim_{x \to 1} \frac{x-1}{x^2+x-2}
LøsningsforslagKI-generert

Vi setter inn x=1x = 1 direkte og får formen 00\frac{0}{0}, som er ubestemt. Vi faktoriserer teller og nevner:

limx1x1x2+x2=limx1x1(x1)(x+2)\lim_{x \to 1} \frac{x-1}{x^2+x-2} = \lim_{x \to 1} \frac{x-1}{(x-1)(x+2)}

Vi forkorter den felles faktoren (x1)(x-1) (gyldig siden x1x \neq 1 i en grenseverdibehandling):

=limx11x+2=11+2=13= \lim_{x \to 1} \frac{1}{x+2} = \frac{1}{1+2} = \frac{1}{3}

Oppgave 1-2 : Vektorer med lik lengde normalitet og parallellitet

Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.

Vi har gitt vektorene a=[2,5]\vec{a} = [2, -5], b=[1,4]\vec{b} = [1, -4], c=[2,10]\vec{c} = [-2, 10] og d=[4,1]\vec{d} = [4, 1]

Avgjør om noen av vektorene har lik lengde.

Avgjør om noen av vektorene står normalt på hverandre.

Avgjør om noen av vektorene er parallelle.

Fasit

b\vec{b} og d\vec{d} har lik lengde: b=d=17|\vec{b}| = |\vec{d}| = \sqrt{17}

b\vec{b} og d\vec{d} er normalt på hverandre (bd=0\vec{b} \cdot \vec{d} = 0)

Ingen av vektorene er parallelle

LøsningsforslagKI-generert

Vi beregner lengden av hver vektor med formelen v=v12+v22|\vec{v}| = \sqrt{v_1^2 + v_2^2}:

a=22+(5)2=4+25=29b=12+(4)2=1+16=17c=(2)2+102=4+100=104d=42+12=16+1=17\begin{aligned} |\vec{a}| &= \sqrt{2^2 + (-5)^2} = \sqrt{4 + 25} = \sqrt{29} \\ |\vec{b}| &= \sqrt{1^2 + (-4)^2} = \sqrt{1 + 16} = \sqrt{17} \\ |\vec{c}| &= \sqrt{(-2)^2 + 10^2} = \sqrt{4 + 100} = \sqrt{104} \\ |\vec{d}| &= \sqrt{4^2 + 1^2} = \sqrt{16 + 1} = \sqrt{17} \end{aligned}

b\vec{b} og d\vec{d} har lik lengde: b=d=17|\vec{b}| = |\vec{d}| = \sqrt{17}

To vektorer er normalt på hverandre hvis og bare hvis prikkproduktet er null. Vi sjekker alle par:

ab=21+(5)(4)=2+20=22ac=2(2)+(5)10=450=54ad=24+(5)1=85=3bc=1(2)+(4)10=240=42bd=14+(4)1=44=0cd=(2)4+101=8+10=2\begin{aligned} \vec{a} \cdot \vec{b} &= 2 \cdot 1 + (-5) \cdot (-4) = 2 + 20 = 22 \\ \vec{a} \cdot \vec{c} &= 2 \cdot (-2) + (-5) \cdot 10 = -4 - 50 = -54 \\ \vec{a} \cdot \vec{d} &= 2 \cdot 4 + (-5) \cdot 1 = 8 - 5 = 3 \\ \vec{b} \cdot \vec{c} &= 1 \cdot (-2) + (-4) \cdot 10 = -2 - 40 = -42 \\ \vec{b} \cdot \vec{d} &= 1 \cdot 4 + (-4) \cdot 1 = 4 - 4 = \textcolor{seagreen}{0} \\ \vec{c} \cdot \vec{d} &= (-2) \cdot 4 + 10 \cdot 1 = -8 + 10 = 2 \end{aligned}

Kun bd=0\vec{b} \cdot \vec{d} = 0.

b\vec{b} og d\vec{d} er normalt på hverandre.

To vektorer [x1,y1][x_1, y_1] og [x2,y2][x_2, y_2] er parallelle hvis og bare hvis den ene er en skalarmultippel av den andre, dvs. x1y2x2y1=0x_1 y_2 - x_2 y_1 = 0 (determinanten er null). Vi sjekker alle par:

a,b:2(4)(5)1=8+5=30a,c:210(5)(2)=2010=100a,d:21(5)4=2+20=220b,c:110(4)(2)=108=20b,d:11(4)4=1+16=170c,d:(2)1104=240=420\begin{aligned} \vec{a},\,\vec{b} &: \quad 2 \cdot (-4) - (-5) \cdot 1 = -8 + 5 = -3 \neq 0 \\ \vec{a},\,\vec{c} &: \quad 2 \cdot 10 - (-5) \cdot (-2) = 20 - 10 = 10 \neq 0 \\ \vec{a},\,\vec{d} &: \quad 2 \cdot 1 - (-5) \cdot 4 = 2 + 20 = 22 \neq 0 \\ \vec{b},\,\vec{c} &: \quad 1 \cdot 10 - (-4) \cdot (-2) = 10 - 8 = 2 \neq 0 \\ \vec{b},\,\vec{d} &: \quad 1 \cdot 1 - (-4) \cdot 4 = 1 + 16 = 17 \neq 0 \\ \vec{c},\,\vec{d} &: \quad (-2) \cdot 1 - 10 \cdot 4 = -2 - 40 = -42 \neq 0 \end{aligned}

Ingen av vektorene er parallelle.

Oppgave 1-3 : Finne toppunkt med while-løkke og derivasjon

Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.

En elev har skrevet programkoden nedenfor.

def f(x):
    return x/(1+x**2)

h = 0.0001
x = 0
while (f(x+h)-f(x))/h > 0:
    x = x + 0.01
print("x=", x)

Hva ønsker eleven å finne ut?

Forklar hva som skjer når programmet kjøres. Hva blir resultatet?

Fasit

Eleven ønsker å finne xx-verdien til toppunktet på grafen til ff.

Programmet skriver ut x= 1.0 (tilnærmet). Toppunktet er (1,12)(1, \frac{1}{2}).

LøsningsforslagKI-generert

Eleven beregner den numeriske tilnærmingen til den deriverte

f(x)f(x+h)f(x)hf'(x) \approx \frac{f(x+h)-f(x)}{h}

og sjekker om den er positiv. Så lenge f(x)>0f'(x) > 0 øker funksjonen, og while-løkken fortsetter. Løkken stopper første gang f(x)0f'(x) \leq 0, det vil si når funksjonen slutter å vokse.

Eleven ønsker altså å finne xx-koordinaten til toppunktet på grafen til ff.

Vi følger programmet steg for steg:

Definisjon og startverdier:

def f(x):
    return x/(1+x**2)

h = 0.0001
x = 0
  • Funksjonen f(x)=x1+x2f(x) = \dfrac{x}{1+x^2} defineres.
  • Skrittstørrelsen h=0,0001h = 0{,}0001 brukes til numerisk derivasjon.
  • Startpunktet settes til x=0x = 0.

While-løkken:

while (f(x+h)-f(x))/h > 0:
    x = x + 0.01
  • Betingelsen sjekker om f(x)f(x+h)f(x)h>0f'(x) \approx \dfrac{f(x+h)-f(x)}{h} > 0.
  • Ved x=0x = 0 er f(0)>0f'(0) > 0 (funksjonen stiger), så løkken starter.
  • For hvert steg økes xx med 0,010{,}01.
  • Løkken fortsetter så lenge funksjonen stiger, og stopper første gang den slutter å stige.

Utskrift:

print("x=", x)

Programmet skriver ut xx-verdien der funksjonen slutter å stige, altså xx-koordinaten til toppunktet.

Resultatet:

Programmet skriver ut:

x= 1.0

Kontroll analytisk: Vi finner toppunktet ved å løse f(x)=0f'(x) = 0:

f(x)=(1+x2)1x2x(1+x2)2=1x2(1+x2)2f'(x) = \frac{(1+x^2) \cdot 1 - x \cdot 2x}{(1+x^2)^2} = \frac{1-x^2}{(1+x^2)^2} f(x)=0    1x2=0    x=±1f'(x) = 0 \implies 1 - x^2 = 0 \implies x = \pm 1

Siden xx starter på 00 og øker, finner programmet x=1x = 1. Toppunktets yy-verdi er

f(1)=11+12=12f(1) = \frac{1}{1+1^2} = \frac{1}{2}

Toppunktet er (1, 12)(1,\ \tfrac{1}{2}).

Oppgave 1-4 : Speiling av punkt om linje med vektorregning

Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.

Bruk vektorregning til å bestemme koordinatene til punktet vi får når vi speiler P(6,1)P(6, 1) om linjen y=2x+4y = 2x + 4.

LøsningsforslagKI-generert

Strategi: For å speile PP om linjen finner vi først fotpunktet FF (der normalen fra PP treffer linjen), og beregner deretter speilpunktet som P=2OFOPP' = 2\vec{OF} - \vec{OP}.

Steg 1 – Retningsvektor og et punkt på linjen

Linjen y=2x+4y = 2x + 4 har stigningstall 22, så retningsvektoren er

d=(12)\vec{d} = \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \end{pmatrix}

Vi velger punktet A(0,4)A(0, 4) på linjen (setter x=0x = 0).

Steg 2 – Finn fotpunktet FF ved projeksjon

Vektoren fra AA til PP er

AP=OPOA=(61)(04)=(63)\vec{AP} = \vec{OP} - \vec{OA} = \begin{pmatrix} 6 \\ 1 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} 0 \\ 4 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 6 \\ -3 \end{pmatrix}

Fotpunktet FF ligger på linjen og bestemmes ved skalarprojeksjonen av AP\vec{AP}d\vec{d}:

t=APdd2=61+(3)212+22=665=05=0t = \frac{\vec{AP} \cdot \vec{d}}{|\vec{d}|^2} = \frac{6 \cdot 1 + (-3) \cdot 2}{1^2 + 2^2} = \frac{6 - 6}{5} = \frac{0}{5} = 0 OF=OA+td=(04)+0(12)=(04)\vec{OF} = \vec{OA} + t\,\vec{d} = \begin{pmatrix} 0 \\ 4 \end{pmatrix} + 0 \cdot \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 4 \end{pmatrix}

Fotpunktet er altså F(0,4)F(0, 4) – som er nettopp punktet AA vi valgte. Det betyr at normalen fra PP treffer linjen akkurat i (0,4)(0, 4).

Sjekk: FP=(63)\vec{FP} = \begin{pmatrix} 6 \\ -3 \end{pmatrix} og d=(12)\vec{d} = \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \end{pmatrix}. Prikkprodukt: 61+(3)2=06 \cdot 1 + (-3) \cdot 2 = 0 ✓ — de er ortogonale.

Steg 3 – Beregn speilpunktet PP'

FF er midtpunktet mellom PP og speilpunktet PP', så

OP=2OFOP=2(04)(61)=(08)(61)=(67)\vec{OP'} = 2\,\vec{OF} - \vec{OP} = 2\begin{pmatrix} 0 \\ 4 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} 6 \\ 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 8 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} 6 \\ 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -6 \\ 7 \end{pmatrix}

Speilpunktet er P(6,7)\underline{\underline{P'(-6,\, 7)}}.

Oppgave 1-5 : Identifiser riktig graf for f av x lik 4x e i minus x

Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.

Funksjonen ff er gitt ved

f(x)=4xexf(x) = 4x \cdot e^{-x}

En av grafene nedenfor er grafen til ff.

Fire grafer merket I–IV

Begrunn hvilken av grafene nedenfor som er grafen til ff.

Fasit

Graf II.

LøsningsforslagKI-generert

Vi analyserer egenskapene til f(x)=4xexf(x) = 4x \cdot e^{-x} og bruker dem til å utelukke grafer.

Nullpunkt

f(x)=0f(x) = 0 krever 4x=04x = 0 siden ex>0e^{-x} > 0 for alle xx. Funksjonen har derfor bare ett nullpunkt: x=0x = 0. En riktig graf må krysse xx-aksen nøyaktig én gang, i origo.

Fortegn

For x>0x > 0: 4x>04x > 0 og ex>0e^{-x} > 0, så f(x)>0f(x) > 0.

For x<0x < 0: 4x<04x < 0 og ex>0e^{-x} > 0, så f(x)<0f(x) < 0.

Grafen er negativ til venstre for origo og positiv til høyre.

Toppunkt

Vi deriverer med produktregelen:

f(x)=4ex+4x(ex)=4ex(1x)f'(x) = 4 \cdot e^{-x} + 4x \cdot (-e^{-x}) = 4e^{-x}(1 - x)

f(x)=0f'(x) = 0 gir 1x=01 - x = 0, altså x=1x = 1.

  • For x<1x < 1: f(x)>0f'(x) > 0 (voksende)
  • For x>1x > 1: f(x)<0f'(x) < 0 (avtagende)

Funksjonen har et globalt maksimum ved x=1x = 1 med funksjonsverdi

f(1)=41e1=4e1,47f(1) = 4 \cdot 1 \cdot e^{-1} = \frac{4}{e} \approx 1{,}47

Oppførsel i det uendelige

Når x+x \to +\infty: eksponentleddet ex0e^{-x} \to 0 raskere enn xx vokser, så f(x)0+f(x) \to 0^+ (grafen nærmer seg xx-aksen fra over).

Når xx \to -\infty: 4x4x \to -\infty og ex+e^{-x} \to +\infty, så f(x)f(x) \to -\infty.

Konklusjon

Den riktige grafen kjennetegnes av:

  • Nøyaktig ett nullpunkt i origo
  • Negativ for x<0x < 0, positiv for x>0x > 0
  • Ett toppunkt ved (1, 4/e)(1; 1,47)(1,\ 4/e) \approx (1;\ 1{,}47)
  • Går mot 00 fra over når x+x \to +\infty
  • Går mot -\infty når xx \to -\infty

Bare graf II oppfyller alle disse egenskapene: toppunktet ligger nøyaktig ved x=1x = 1, og kurven avtar langsomt mot xx-aksen uten å krysse den på nytt. Graf I har toppunkt for langt til venstre (ved x0,5x \approx 0{,}5), graf III krysser xx-aksen på nytt ved x=2x = 2 (to nullpunkter), og graf IV avtar for raskt.

Del 2 — med hjelpemidler · 4 timer · 7 oppgaver

Oppgave 2-1 : Fotballsparkenes banefart og toppunkt med vektorfunksjon

Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.

Fotballbane med ballbane som vektorfunksjon

En fotballspiller tok et frispark. Han sparket ballen i retning av motstandernes mål. Ballens posisjon tt sekunder etter at frisparket ble tatt er gitt ved vektorfunksjonen

r(t)=[28t3t2, 10t5t2]\vec{r}(t) = \left[28t - 3t^2,\ 10t - 5t^2\right]

Enheten langs aksene er meter.

Bestem banefarten ballen fikk da den ble sparket.

Hvor lang tid tok det fra ballen ble sparket til den traff bakken?

Bestem ballens banefart da den var i sitt høyeste punkt.

Fasit

222129,72\sqrt{221} \approx 29{,}7 m/s

t=2t = 2 s

2222 m/s

LøsningsforslagKI-generert

Vi har posisjonsvektor r(t)=[28t3t2, 10t5t2]\vec{r}(t) = [28t - 3t^2,\ 10t - 5t^2] der tt er tid i sekunder og enheten langs aksene er meter.

Fartsvektoren er den deriverte av posisjonsvektoren:

v(t)=r(t)=[286t, 1010t]\vec{v}(t) = \vec{r}\,'(t) = [28 - 6t,\ 10 - 10t]

Banefarten er lengden av fartsvektoren:

v(t)=(286t)2+(1010t)2|\vec{v}(t)| = \sqrt{(28-6t)^2 + (10-10t)^2}

Vi setter t=0t = 0:

v(0)=282+102=784+100=884=222129,7 m/s|\vec{v}(0)| = \sqrt{28^2 + 10^2} = \sqrt{784 + 100} = \sqrt{884} = 2\sqrt{221} \approx 29{,}7 \text{ m/s}

Ballen treffer bakken når yy-komponenten av posisjonsvektoren er null:

10t5t2=010t - 5t^2 = 0 5t(2t)=05t(2 - t) = 0 t=0ellert=2t = 0 \quad \text{eller} \quad t = 2

t=0t = 0 er tidspunktet da ballen ble sparket, så ballen treffer bakken etter t=2t = 2 sekunder.

I toppunktet er den vertikale fartskomponenten lik null:

1010t=0    t=110 - 10t = 0 \implies t = 1

Banefarten i toppunktet:

v(1)=(2861)2+(10101)2=222+02=22 m/s|\vec{v}(1)| = \sqrt{(28 - 6 \cdot 1)^2 + (10 - 10 \cdot 1)^2} = \sqrt{22^2 + 0^2} = 22 \text{ m/s}

Oppgave 2-2 : Omvendt funksjon for fjerdegradsfunksjon med parameter b

Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.

Funksjonen ff er gitt ved

f(x)=x4bx3+2,Df=[3,f(x) = x^4 - b \cdot x^3 + 2, \quad D_f = [-3, \to\rangle

For hvilke verdier av bb har ff en omvendt funksjon?

LøsningsforslagKI-generert

For at ff skal ha en omvendt funksjon på Df=[3,D_f = [-3, \to\rangle, må ff være strengt monoton (voksende eller avtagende) på hele definisjonsmengden.

Vi deriverer:

f(x)=4x33bx2=x2(4x3b)f'(x) = 4x^3 - 3bx^2 = x^2(4x - 3b)

Siden x20x^2 \geq 0 for alle xx, bestemmes fortegnet til f(x)f'(x) av faktoren (4x3b)(4x - 3b).

f(x)=0f'(x) = 0 når x=0x = 0 eller x=3b4x = \dfrac{3b}{4}.

For at ff skal være strengt voksende på [3,[-3, \to\rangle, må f(x)0f'(x) \geq 0 for alle x[3,x \in [-3, \to\rangle, med f(x)=0f'(x) = 0 kun i isolerte punkter. Det betyr at (4x3b)0(4x - 3b) \geq 0 for alle x3x \geq -3.

Det kritiske stedet er x=3x = -3 (det minste xx-verdien i DfD_f):

4(3)3b0    123b0    b44 \cdot (-3) - 3b \geq 0 \implies -12 - 3b \geq 0 \implies b \leq -4

Kontroll for b=4b = -4: Da er f(x)=x2(4x+12)=4x2(x+3)f'(x) = x^2(4x+12) = 4x^2(x+3).

For x[3,x \in [-3, \to\rangle er x20x^2 \geq 0 og (x+3)0(x+3) \geq 0, så f(x)0f'(x) \geq 0. Likhet inntreffer kun i x=3x = -3 og x=0x = 0, som er isolerte punkter – ff er likevel strengt voksende. ✓

For b<4b < -4: Nullpunktet x=3b4<3x = \tfrac{3b}{4} < -3 ligger utenfor DfD_f, og (4x3b)>0(4x - 3b) > 0 for alle x>3x > -3, så f(x)>0f'(x) > 03,\langle -3, \to\rangle. ✓

For b>4b > -4: Nullpunktet x=3b4>3x = \tfrac{3b}{4} > -3 ligger inne i DfD_f, og ff' skifter fortegn der – ff er ikke monoton. ✗

ff har omvendt funksjon på [3,[-3, \to\rangle når

b4\boxed{b \leq -4}

Oppgave 2-3 : Algoritme og kode for punkt på inni eller utenfor sirkel

Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.

En sirkel CC kan beskrives ved å oppgi sentrum S(a,b)S(a, b) og radius rr.

Beskriv en algoritme som du kan bruke til å avgjør om et gitt punkt P(s,t)P(s, t) ligger på, inni eller utenfor sirkelen CC.

Skriv en kode basert på algoritmen fra oppgave a). Input skal være aa, bb, rr, ss og tt. Output skal være en av følgende tekster:

  • Punktet ligger innenfor sirkelen
  • Punktet ligger på sirkelen
  • Punktet ligger utenfor sirkelen
Fasit

Algoritme: Beregn avstanden d=(sa)2+(tb)2d = \sqrt{(s-a)^2 + (t-b)^2} fra P(s,t)P(s,t) til sentrum S(a,b)S(a,b). Hvis d<rd < r: inni. Hvis d=rd = r: på. Hvis d>rd > r: utenfor.

Se løsningsforslag.

LøsningsforslagKI-generert

Et punkt P(s,t)P(s, t) og sirkelens sentrum S(a,b)S(a, b) har avstand

d=(sa)2+(tb)2d = \sqrt{(s-a)^2 + (t-b)^2}

Vi sammenligner denne avstanden med radius rr:

  • Hvis d<rd < r: punktet ligger innenfor sirkelen
  • Hvis d=rd = r: punktet ligger sirkelen
  • Hvis d>rd > r: punktet ligger utenfor sirkelen

Algoritme:

  1. Ta inn verdiene aa, bb, rr, ss og tt
  2. Beregn d=(sa)2+(tb)2d = \sqrt{(s-a)^2 + (t-b)^2}
  3. Hvis d<rd < r: skriv ut «Punktet ligger innenfor sirkelen»
  4. Ellers hvis d=rd = r: skriv ut «Punktet ligger på sirkelen»
  5. Ellers: skriv ut «Punktet ligger utenfor sirkelen»
import math

a = float(input("Sentrum x-koordinat a: "))
b = float(input("Sentrum y-koordinat b: "))
r = float(input("Radius r: "))
s = float(input("Punkt x-koordinat s: "))
t = float(input("Punkt y-koordinat t: "))

avstand = math.sqrt((s - a)**2 + (t - b)**2)

if avstand < r:
    print("Punktet ligger innenfor sirkelen")
elif avstand == r:
    print("Punktet ligger på sirkelen")
else:
    print("Punktet ligger utenfor sirkelen")

Eksempel: Sentrum S(0,0)S(0, 0), radius r=5r = 5, punkt P(3,4)P(3, 4).

d=(30)2+(40)2=9+16=25=5d = \sqrt{(3-0)^2 + (4-0)^2} = \sqrt{9 + 16} = \sqrt{25} = 5

Siden d=r=5d = r = 5 ligger punktet sirkelen.

Merk: I praksis er det sjelden at et beregnet desimaltall blir nøyaktig lik rr på grunn av avrundingsfeil. I en mer robust løsning kan man i stedet sammenligne d2d^2 med r2r^2 (unngår kvadratrot) eller bruke en liten toleranse ved sjekk av likhet.

Oppgave 2-4 : Regresjonsmodeller for avkjøling av kaffe

Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.

Temperaturen i en kopp kaffe blir målt hvert fjerde minutt. Temperaturen i rommet der koppen står er 21,2 °C21{,}2 \text{ °C}. Resultatet av målingene er vist i tabellen nedenfor.

Tid (minutt)0481216
Temperatur (°C)7053423530

En elev har brukt et digitalt verktøy og kommet fram til følgende regresjonsmodeller ut fra tallene i tabellen:

f(x)=2,45x+65,6f(x) = -2{,}45x + 65{,}6 g(x)=0,13x24,45x+70g(x) = 0{,}13x^2 - 4{,}45x + 70 h(x)=21,2+49e0,11xh(x) = 21{,}2 + 49 \cdot e^{-0{,}11x}

Vis hvordan eleven kan ha kommet fram til modellen hh.

Vurder gyldighetsområdet til de ulike modellene ut fra den praktiske situasjonen.

Fasit

h(x)=21,2+49e0,11xh(x) = 21{,}2 + 49 \cdot e^{-0{,}11x} fremkommer ved å utføre eksponentiell regresjon på overtemperaturene y=T21,2y = T - 21{,}2.

hh er den eneste modellen som er fysisk realistisk for alle x0x \geq 0 — den nærmer seg romtemperaturen asymptotisk. ff gir negativ overtemperatur for store xx, og gg stiger igjen etter bunnpunktet.

LøsningsforslagKI-generert

Newtons avkjølingslov sier at temperaturen over romtemperatur avtar eksponentielt. Romtemperaturen er 21,2 °C21{,}2 \text{ °C}, så vi definerer overtemperaturen

y=T21,2y = T - 21{,}2

og leser av overtemperaturene fra målingene:

Tid xx (min)0481216
Overtemperatur yy (°C)48,831,820,813,88,8

Vi utfører eksponentiell regresjon y=aekxy = a \cdot e^{-kx} på disse punktene med digitalt verktøy og får

a48,849,k0,1070,11a \approx 48{,}8 \approx 49, \qquad k \approx 0{,}107 \approx 0{,}11

Se GeoGebra CAS nedenfor — linje 1 viser overtemperaturmodellen, linje 2 viser den endelige modellen etter at romtemperaturen er lagt til igjen:

GeoGebra CAS – modellutledning

Vi legger til romtemperaturen igjen:

h(x)=21,2+49e0,11x\boxed{h(x) = 21{,}2 + 49 \cdot e^{-0{,}11x}}

Vi kan kontrollere at modellen passer dataene godt:

xxh(x)h(x)Målt
070,270
452,853
841,542
1234,335
1629,630

h(x)=21,2+49e0,11xh(x) = 21{,}2 + 49 \cdot e^{-0{,}11x}

Vi vurderer hvert modellens gyldighetsområde ut fra den praktiske situasjonen: kaffen avkjøles fra 70 °C70 \text{ °C} mot romtemperaturen 21,2 °C21{,}2 \text{ °C}, og temperaturen kan verken synke under romtemperatur eller stige av seg selv.

f(x)=2,45x+65,6f(x) = -2{,}45x + 65{,}6 (lineær): Modellen treffer romtemperaturen ved f(x)=21,2f(x) = 21{,}2, som gir x18 minx \approx 18 \text{ min}. For x>18x > 18 gir modellen temperaturer under 21,2 °C21{,}2 \text{ °C}, noe som er urealistisk — kaffen kan ikke bli kaldere enn rommet. Modellen er kun brukbar for de første ca. 18 minuttene.

g(x)=0,13x24,45x+70g(x) = 0{,}13x^2 - 4{,}45x + 70 (kvadratisk): Modellen har bunnpunkt ved x=4,4520,1317 minx = \dfrac{4{,}45}{2 \cdot 0{,}13} \approx 17 \text{ min}. Etter bunnpunktet stiger gg igjen, noe som betyr at kaffen ifølge modellen begynner å varme seg opp — klart urealistisk. Modellen er kun brukbar fram til ca. x17 minx \approx 17 \text{ min}.

h(x)=21,2+49e0,11xh(x) = 21{,}2 + 49 \cdot e^{-0{,}11x} (eksponentiell): Eksponentialfunksjonen e0,11x>0e^{-0{,}11x} > 0 for alle xx, så h(x)>21,2h(x) > 21{,}2 alltid. Temperaturen nærmer seg romtemperaturen asymptotisk uten å gå under den. Dette er i tråd med Newtons avkjølingslov og er fysisk realistisk for alle x0x \geq 0.

Alle tre modellene passer måledataene godt i intervallet 0x160 \leq x \leq 16 min, men h\mathbf{h} er den eneste som er gyldig på lang sikt.

Oppgave 2-5 : Deriverbar stykkvis funksjon med parametere a og b

Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.

En funksjon ff er gitt ved

f(x)={2x2+3x+a,x<12x2+bx,x1f(x) = \begin{cases} 2x^2 + 3x + a, & x < 1 \\ -2x^2 + b \cdot x, & x \geq 1 \end{cases}

Bestem aa og bb slik at ff blir deriverbar i x=1x = 1.

Avgjør om grafen til ff har vendepunkt.

Fasit

a=4a = 4, b=11b = 11

Grafen har ikke vendepunkt.

LøsningsforslagKI-generert

a) Bestem aa og bb

For at ff skal være deriverbar i x=1x = 1, kreves to ting:

Krav 1 – Kontinuitet (venstresiden og høyresiden må møtes):

212+31+a=212+b12 \cdot 1^2 + 3 \cdot 1 + a = -2 \cdot 1^2 + b \cdot 1 5+a=2+b5 + a = -2 + b

Krav 2 – Lik derivert (samme tangentretning fra begge sider):

f(x)={4x+3,x<14x+b,x1f'(x) = \begin{cases} 4x + 3, & x < 1 \\ -4x + b, & x \geq 1 \end{cases} 41+3=41+b4 \cdot 1 + 3 = -4 \cdot 1 + b 7=4+b    b=117 = -4 + b \implies b = 11

Setter b=11b = 11 inn i kontinuitetskravet:

5+a=2+11=9    a=45 + a = -2 + 11 = 9 \implies a = 4 a=4,b=11a = 4, \quad b = 11

b) Vendepunkt?

Med a=4a = 4 og b=11b = 11 er funksjonen:

f(x)={2x2+3x+4,x<12x2+11x,x1f(x) = \begin{cases} 2x^2 + 3x + 4, & x < 1 \\ -2x^2 + 11x, & x \geq 1 \end{cases}

Vi finner andredeiverte for hvert uttrykk:

f(x)={4,x<14,x1f''(x) = \begin{cases} 4, & x < 1 \\ -4, & x \geq 1 \end{cases}

Begge uttrykk er andregradsfunksjoner med konstante andrederiverte (f=4f'' = 4 og f=4f'' = -4). Et vendepunkt krever at ff'' skifter fortegn i et punkt der ff er to ganger deriverbar.

  • For x<1x < 1: f(x)=4>0f''(x) = 4 > 0 — konstant, ingen fortegnsendring.
  • For x>1x > 1: f(x)=4<0f''(x) = -4 < 0 — konstant, ingen fortegnsendring.
  • I x=1x = 1: ff'' er ikke definert (andrederiverte fra venstre og høyre er ulike), og ff er ikke to ganger deriverbar her. Et eventuelt vendepunkt krever at ff er to ganger deriverbar — dette kravet er ikke oppfylt.

Grafen til ff har ikke vendepunkt.

Oppgave 2-6 : Topp- bunnpunkt og vendepunkt for funksjon med parameter C

Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.

Funksjonen ff er gitt ved

f(x)=exex+Cf(x) = \frac{e^x}{e^x + C}

der CC er en konstant.

Finnes det noen verdier for CC som gjør at grafen til ff har et topp- eller bunnpunkt?

Undersøk og bestem hvilke verdier for CC som gjør at grafen til ff har et vendepunkt.

Anta C>0C > 0. Vis at f(x+lnC)=exex+1f(x + \ln C) = \dfrac{e^x}{e^x + 1}.

Beskriv hvordan grafen til ff påvirkes når verdien til CC endres.

Anta C<0C < 0. Beskriv hvordan grafen til ff påvirkes når verdien til CC endres.

Fasit

Nei, grafen har ingen topp- eller bunnpunkt for noen verdi av CC.

C>0C > 0: vendepunkt i x=lnCx = \ln C. C0C \leq 0: ingen vendepunkt.

f(x+lnC)=exex+1f(x + \ln C) = \dfrac{e^x}{e^x + 1}. Grafen er den samme som for C=1C = 1, men forskjøvet lnC\ln C enheter til venstre.

Grafen er ikke kontinuerlig (brudd der ex=Ce^x = -C), og opptrer i to separate grener. Endring av C<0C < 0 forskyver bruddet horisontalt.

LøsningsforslagKI-generert

Vi har

f(x)=exex+Cf(x) = \frac{e^x}{e^x + C}

a) Topp- eller bunnpunkt?

Vi deriverer ff med kvotientregelen:

f(x)=ex(ex+C)exex(ex+C)2=Cex(ex+C)2f'(x) = \frac{e^x(e^x + C) - e^x \cdot e^x}{(e^x + C)^2} = \frac{C e^x}{(e^x + C)^2}

For et topp- eller bunnpunkt må f(x)=0f'(x) = 0, dvs.

Cex=0C e^x = 0

Siden ex>0e^x > 0 for alle xx, krever dette C=0C = 0. Men hvis C=0C = 0 er f(x)=exex=1f(x) = \frac{e^x}{e^x} = 1 (konstant), og det finnes heller ingen ekstremalverdi i vanlig forstand.

For C0C \neq 0 har f(x)=0f'(x) = 0 ingen løsning. Grafen til ff har ingen topp- eller bunnpunkt for noen verdi av CC.

b) Vendepunkt

Vi deriverer f(x)f'(x) på nytt. Med f(x)=Cex(ex+C)2f'(x) = C e^x (e^x + C)^{-2} bruker vi produktregelen:

f(x)=Cex(ex+C)2Cex2(ex+C)ex(ex+C)4=Cex[(ex+C)2ex](ex+C)3=Cex(Cex)(ex+C)3f''(x) = \frac{C e^x(e^x+C)^2 - Ce^x \cdot 2(e^x+C)e^x}{(e^x+C)^4} = \frac{Ce^x\bigl[(e^x+C) - 2e^x\bigr]}{(e^x+C)^3} = \frac{Ce^x(C - e^x)}{(e^x+C)^3}

For vendepunkt setter vi f(x)=0f''(x) = 0:

Cex(Cex)=0Ce^x(C - e^x) = 0

Siden ex>0e^x > 0 gir dette enten C=0C = 0 (ingen interessant tilfelle) eller Cex=0C - e^x = 0, dvs.

ex=C    x=lnCe^x = C \implies x = \ln C

Dette krever C>0C > 0 (siden lnC\ln C bare er definert for C>0C > 0, og ex>0e^x > 0 aldri kan være negativ).

Vi sjekker at fortegnet til ff'' faktisk skifter i x=lnCx = \ln C når C>0C > 0:

  • For x<lnCx < \ln C: ex<Ce^x < C, så Cex>0C - e^x > 0, og C>0C > 0 gir f(x)>0f''(x) > 0
  • For x>lnCx > \ln C: ex>Ce^x > C, så Cex<0C - e^x < 0, og f(x)<0f''(x) < 0

Fortegnet skifter, så grafen har et vendepunkt i x=lnCx = \ln C når C>0C > 0. For C0C \leq 0 finnes ingen vendepunkt.

c) Translasjon når C>0C > 0

Vi regner ut f(x+lnC)f(x + \ln C) for C>0C > 0:

f(x+lnC)=ex+lnCex+lnC+C=exelnCexelnC+C=CexCex+C=CexC(ex+1)=exex+1f(x + \ln C) = \frac{e^{x + \ln C}}{e^{x + \ln C} + C} = \frac{e^x \cdot e^{\ln C}}{e^x \cdot e^{\ln C} + C} = \frac{C e^x}{C e^x + C} = \frac{C e^x}{C(e^x + 1)} = \frac{e^x}{e^x + 1}

Altså er f(x+lnC)=exex+1f(x + \ln C) = \dfrac{e^x}{e^x + 1}, som er ff med C=1C = 1.

Dette betyr at grafen til ff er den samme kurven som for C=1C = 1, men forskjøvet lnC\ln C enheter i negativ xx-retning (til venstre for C>1C > 1, til høyre for 0<C<10 < C < 1). Formen på grafen endres ikke — bare posisjonen langs xx-aksen.

d) Når C<0C < 0

Nevneren ex+C=0e^x + C = 0 når ex=Ce^x = -C, dvs. x=ln(C)x = \ln(-C). Her er ff ikke definert, og grafen har en vertikal asymptote i x=ln(C)x = \ln(-C).

f(x)=Cex(ex+C)2f'(x) = \dfrac{Ce^x}{(e^x+C)^2}: telleren Cex<0Ce^x < 0 (siden C<0C < 0) og nevneren (ex+C)2>0(e^x+C)^2 > 0, så f(x)<0f'(x) < 0 overalt der ff er definert. Funksjonen er altså strengt avtagende på begge grener.

Når CC endres (fortsatt C<0C < 0), forskyves asymptoten x=ln(C)x = \ln(-C) horisontalt — mot høyre når C|C| øker. Grafens form (to avtagende grener med vertikal asymptote) er den samme for alle C<0C < 0.

Oppgave 2-7 : Tangent til tredjegradsfunksjon gjennom eksternt punkt

Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.

Vi har følgende resultat:

Anta at grafen til en tredjegradsfunksjon ff skjærer en linje \ell i tre punkter med xx-koordinater x1x_1, x2x_2 og x3x_3. La m=x1+x22m = \dfrac{x_1 + x_2}{2}.

Da vil tangenten til grafen til ff i punktet (m,f(m))(m, f(m)) gå gjennom punktet (x3,f(x3))(x_3, f(x_3)).

Vis at resultatet stemmer for funksjonen ff gitt ved

f(x)=x3x22x+3f(x) = x^3 - x^2 - 2x + 3

og linjen y=2x1y = 2x - 1 når x1=2x_1 = -2, x2=1x_2 = 1 og x3=2x_3 = 2.

La gg være en tredjegradsfunksjon. Anta at en linje y=ax+by = ax + b skjærer grafen til gg i (x1,f(x1))(x_1, f(x_1)), (x2,f(x2))(x_2, f(x_2)) og (x3,f(x3))(x_3, f(x_3)).

Forklar at vi kan skrive gg på formen

g(x)=k(xx1)(xx2)(xx3)+(ax+b),der kR.g(x) = k(x - x_1)(x - x_2)(x - x_3) + (ax + b), \quad \text{der } k \in \mathbb{R}.

Vis at tangenten til grafen til gg i m=x1+x22m = \dfrac{x_1 + x_2}{2} går gjennom (x3,g(x3))(x_3, g(x_3)).

Gitt funksjonen h(x)=x32x+1h(x) = x^3 - 2x + 1 og punktet P(2,5)P(2, 5). Vi ønsker å tegne en tangent til grafen til hh som går gjennom PP.

Forklar hvordan vi kan bruke linjen y=2x+1y = 2x + 1 til å bestemme tangeringspunktet.

Fasit

Tangenten i m=12m = -\tfrac{1}{2} er y=14x+72y = -\tfrac{1}{4}x + \tfrac{7}{2}, som gir y=3y = 3 ved x=2=x3x = 2 = x_3. ✓

g(x)(ax+b)g(x) - (ax+b) er et tredjegradspolynom med røtter x1,x2,x3x_1, x_2, x_3, altså =k(xx1)(xx2)(xx3)= k(x-x_1)(x-x_2)(x-x_3).

Vist algebraisk: g(x3)g(m)=g(m)(x3m)g(x_3) - g(m) = g'(m)(x_3 - m).

Tangeringspunktet er (1,2)(-1,\, 2); tangenten er y=x+3y = x + 3.

LøsningsforslagKI-generert

Vi har f(x)=x3x22x+3f(x) = x^3 - x^2 - 2x + 3, x1=2x_1 = -2, x2=1x_2 = 1, x3=2x_3 = 2 og

m=x1+x22=2+12=12m = \frac{x_1 + x_2}{2} = \frac{-2 + 1}{2} = -\frac{1}{2}

Vi bruker GeoGebra CAS til å beregne f(m)f(m), f(m)f'(m) og f(x3)f(x_3):

GeoGebra CAS – del a

Fra CAS (linje 3–6): f ⁣(12)=298f\!\left(-\tfrac{1}{2}\right) = \tfrac{29}{8}, f(x)=3x22x2f'(x) = 3x^2 - 2x - 2, f ⁣(12)=14f'\!\left(-\tfrac{1}{2}\right) = -\tfrac{1}{4}.

Tangentlinjen i punktet (12,298)\left(-\tfrac{1}{2},\, \tfrac{29}{8}\right) er (linje 5):

(x)=14x+72\ell(x) = -\frac{1}{4}x + \frac{7}{2}

Vi sjekker verdien ved x3=2x_3 = 2 (linje 6): (2)=3\ell(2) = 3.

Fra CAS (linje 7): f(2)=3f(2) = 3.

Siden (x3)=f(x3)=3\ell(x_3) = f(x_3) = 3, går tangenten gjennom (x3,f(x3))=(2,3)(x_3,\, f(x_3)) = (2,\, 3). \square

Siden gg er en tredjegradsfunksjon og y=ax+by = ax + b er en linje, er differansen

p(x)=g(x)(ax+b)p(x) = g(x) - (ax + b)

et tredjegradspolynom. Fordi linjen skjærer grafen til gg i punktene (x1,g(x1))(x_1, g(x_1)), (x2,g(x2))(x_2, g(x_2)) og (x3,g(x3))(x_3, g(x_3)), har pp røttene x1x_1, x2x_2 og x3x_3.

Et tredjegradspolynom med tre røtter faktoriserer som

p(x)=k(xx1)(xx2)(xx3),kR.p(x) = k(x - x_1)(x - x_2)(x - x_3), \quad k \in \mathbb{R}.

Derfor er

g(x)=k(xx1)(xx2)(xx3)+(ax+b).\boxed{g(x) = k(x - x_1)(x - x_2)(x - x_3) + (ax + b).}

Vi bruker formen fra b). La s=x1x2s = x_1 - x_2 og m=x1+x22m = \dfrac{x_1 + x_2}{2}. Da er

mx1=s2,mx2=s2,(mx1)(mx2)=s24.m - x_1 = -\frac{s}{2}, \qquad m - x_2 = \frac{s}{2}, \qquad (m-x_1)(m-x_2) = -\frac{s^2}{4}.

Verdien av gg i x3x_3 og mm:

g(x3)=k(x3x1)(x3x2)(x3x3)=0+(ax3+b)=ax3+bg(x_3) = k \underbrace{(x_3 - x_1)(x_3-x_2)(x_3-x_3)}_{= \,0} + (ax_3 + b) = ax_3 + b g(m)=k(s24)(mx3)+(am+b)g(m) = k\left(-\frac{s^2}{4}\right)(m - x_3) + (am + b)

Den deriverte i mm:

g(x)=k[(xx2)(xx3)+(xx1)(xx3)+(xx1)(xx2)]+ag'(x) = k\bigl[(x-x_2)(x-x_3) + (x-x_1)(x-x_3) + (x-x_1)(x-x_2)\bigr] + a

Ved x=mx = m:

(mx2)(mx3)=s2(mx3)(mx1)(mx3)=s2(mx3)(mx1)(mx2)=s24\begin{aligned} (m-x_2)(m-x_3) &= \frac{s}{2}(m-x_3) \\ (m-x_1)(m-x_3) &= -\frac{s}{2}(m-x_3) \\ (m-x_1)(m-x_2) &= -\frac{s^2}{4} \end{aligned}

De to første leddene kansellerer:

g(m)=k ⁣(s2(mx3)s2(mx3)s24)+a=aks24g'(m) = k\!\left(\frac{s}{2}(m-x_3) - \frac{s}{2}(m-x_3) - \frac{s^2}{4}\right) + a = a - \frac{ks^2}{4}

Vi viser at g(x3)g(m)=g(m)(x3m)g(x_3) - g(m) = g'(m)(x_3 - m):

g(x3)g(m)=(ax3+b)[k ⁣(s24)(mx3)+am+b]=a(x3m)+ks24(mx3)=(x3m) ⁣(aks24)=g(m)(x3m).\begin{aligned} g(x_3) - g(m) &= (ax_3 + b) - \left[k\!\left(-\frac{s^2}{4}\right)(m-x_3) + am + b\right] \\ &= a(x_3 - m) + \frac{ks^2}{4}(m - x_3) \\ &= (x_3 - m)\!\left(a - \frac{ks^2}{4}\right) \\ &= g'(m)\cdot(x_3 - m). \quad \square \end{aligned}

Dette viser at tangentlinjen til gg i (m,g(m))(m, g(m)) går gjennom (x3,g(x3))(x_3, g(x_3)).

Vi observerer at h(2)=2322+1=5h(2) = 2^3 - 2 \cdot 2 + 1 = 5, så P(2,5)P(2, 5) ligger på grafen til hh. Punktet PP er altså ikke et eksternt punkt, men et punkt på kurven selv.

Vi sjekker at PP også ligger på linjen y=2x+1y = 2x + 1: 22+1=52 \cdot 2 + 1 = 5. ✓

Linjen y=2x+1y = 2x + 1 skjærer grafen til h(x)=x32x+1h(x) = x^3 - 2x + 1 i tre punkter. Fra GeoGebra CAS:

GeoGebra CAS – del d

Skjæringspunktene er ved x1=2x_1 = -2, x2=0x_2 = 0 og x3=2x_3 = 2 (linje 4). Siden P=(x3,h(x3))P = (x_3, h(x_3)), kan vi bruke resultatet fra c):

Tangenten til hh i midtpunktet m=x1+x22=2+02=1m = \dfrac{x_1 + x_2}{2} = \dfrac{-2 + 0}{2} = -1 vil gå gjennom (x3,h(x3))=P(2,5)(x_3, h(x_3)) = P(2, 5).

Fra CAS (linjene 2–6): h(x)=3x22h'(x) = 3x^2 - 2, h(1)=1h'(-1) = 1, h(1)=2h(-1) = 2, og tangentlinjen er y=x+3y = x + 3.

Vi bekrefter: tangenten y=x+3y = x + 3 ved x=2x = 2 gir y=5y = 5 (linje 6). ✓

Fremgangsmåten for å finne tangeringspunktet er:

  1. Finn skjæringspunktene til y=2x+1y = 2x + 1 og h(x)=x32x+1h(x) = x^3 - 2x + 1.
  2. Bekreft at P(2,5)P(2, 5) er ett av disse punktene (dvs. x3=2x_3 = 2).
  3. De to øvrige skjæringspunktene er ved x1=2x_1 = -2 og x2=0x_2 = 0.
  4. Tangeringspunktet er m=x1+x22=1m = \dfrac{x_1 + x_2}{2} = -1, og tangenten går gjennom PP.

Tastatursnarveier

Navigasjon

⌘K / Ctrl+K
Åpne søk
G F
Gå til Fag
G E
Gå til Eksamener
G T
Gå til Temaer
G K
Gå til Kompetansemål
G H
Hjem
?
Vis snarveier

I oppgave

←/→ · J/K
Forrige / neste oppgave
0
Marker som ikke prøvd
1
Marker som prøvd
2
Marker som trenger hjelp
3
Marker som klart
S
Vis / skjul løsningsforslag
A
Legg til i liste
Esc
Tilbake / avslutt