To vektorer [x1,y1] og [x2,y2] er parallelle hvis og bare hvis den ene er en skalarmultippel av den andre, dvs. x1y2−x2y1=0 (determinanten er null). Vi sjekker alle par:
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 = 0.0001x = 0while (f(x+h)-f(x))/h > 0: x = x + 0.01print("x=", x)
a)
Hva ønsker eleven å finne ut?
b)
Forklar hva som skjer når programmet kjøres. Hva blir resultatet?
Fasit
a)
Eleven ønsker å finne x-verdien til toppunktet på grafen til f.
b)
Programmet skriver ut x= 1.0 (tilnærmet). Toppunktet er (1,21).
LøsningsforslagKI-generert
a)
Eleven beregner den numeriske tilnærmingen til den deriverte
f′(x)≈hf(x+h)−f(x)
og sjekker om den er positiv. Så lenge f′(x)>0 øker funksjonen, og while-løkken fortsetter. Løkken stopper første gang f′(x)≤0, det vil si når funksjonen slutter å vokse.
Eleven ønsker altså å finne x-koordinaten til toppunktet på grafen til f.
b)
Vi følger programmet steg for steg:
Definisjon og startverdier:
def f(x): return x/(1+x**2)h = 0.0001x = 0
Funksjonen f(x)=1+x2x defineres.
Skrittstørrelsen h=0,0001 brukes til numerisk derivasjon.
Startpunktet settes til x=0.
While-løkken:
while (f(x+h)-f(x))/h > 0: x = x + 0.01
Betingelsen sjekker om f′(x)≈hf(x+h)−f(x)>0.
Ved x=0 er f′(0)>0 (funksjonen stiger), så løkken starter.
For hvert steg økes x med 0,01.
Løkken fortsetter så lenge funksjonen stiger, og stopper første gang den slutter å stige.
Utskrift:
print("x=", x)
Programmet skriver ut x-verdien der funksjonen slutter å stige, altså x-koordinaten til toppunktet.
Resultatet:
Programmet skriver ut:
x= 1.0
Kontroll analytisk: Vi finner toppunktet ved å løse f′(x)=0:
Fotpunktet er altså F(0,4) – som er nettopp punktet A vi valgte. Det betyr at normalen fra P treffer linjen akkurat i (0,4).
Sjekk:FP=(6−3) og d=(12). Prikkprodukt: 6⋅1+(−3)⋅2=0 ✓ — de er ortogonale.
Steg 3 – Beregn speilpunktet P′
F er midtpunktet mellom P og speilpunktet P′, så
OP′=2OF−OP=2(04)−(61)=(08)−(61)=(−67)
Speilpunktet er P′(−6,7).
Oppgavedata
Kategori
2
Vanskegrad
2
Temaer
Vektorer, Geometri
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 f er gitt ved
f(x)=4x⋅e−x
En av grafene nedenfor er grafen til f.
Begrunn hvilken av grafene nedenfor som er grafen til f.
Fasit
Graf II.
LøsningsforslagKI-generert
Vi analyserer egenskapene til f(x)=4x⋅e−x og bruker dem til å utelukke grafer.
Nullpunkt
f(x)=0 krever 4x=0 siden e−x>0 for alle x. Funksjonen har derfor bare ett nullpunkt: x=0. En riktig graf må krysse x-aksen nøyaktig én gang, i origo.
Fortegn
For x>0: 4x>0 og e−x>0, så f(x)>0.
For x<0: 4x<0 og e−x>0, så f(x)<0.
Grafen er negativ til venstre for origo og positiv til høyre.
Toppunkt
Vi deriverer med produktregelen:
f′(x)=4⋅e−x+4x⋅(−e−x)=4e−x(1−x)
f′(x)=0 gir 1−x=0, altså x=1.
For x<1: f′(x)>0 (voksende)
For x>1: f′(x)<0 (avtagende)
Funksjonen har et globalt maksimum ved x=1 med funksjonsverdi
f(1)=4⋅1⋅e−1=e4≈1,47
Oppførsel i det uendelige
Når x→+∞: eksponentleddet e−x→0 raskere enn x vokser, så f(x)→0+ (grafen nærmer seg x-aksen fra over).
Når x→−∞: 4x→−∞ og e−x→+∞, så f(x)→−∞.
Konklusjon
Den riktige grafen kjennetegnes av:
Nøyaktig ett nullpunkt i origo
Negativ for x<0, positiv for x>0
Ett toppunkt ved (1,4/e)≈(1;1,47)
Går mot 0 fra over når x→+∞
Går mot −∞ når x→−∞
Bare graf II oppfyller alle disse egenskapene: toppunktet ligger nøyaktig ved x=1, og kurven avtar langsomt mot x-aksen uten å krysse den på nytt. Graf I har toppunkt for langt til venstre (ved x≈0,5), graf III krysser x-aksen på nytt ved x=2 (to nullpunkter), og graf IV avtar for raskt.
Oppgavedata
Kategori
2
Vanskegrad
2
Temaer
Graftolkning, Eksponentialfunksjon, Derivasjon
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.
En fotballspiller tok et frispark. Han sparket ballen i retning av motstandernes mål. Ballens posisjon t sekunder etter at frisparket ble tatt er gitt ved vektorfunksjonen
r(t)=[28t−3t2,10t−5t2]
Enheten langs aksene er meter.
a)
Bestem banefarten ballen fikk da den ble sparket.
b)
Hvor lang tid tok det fra ballen ble sparket til den traff bakken?
c)
Bestem ballens banefart da den var i sitt høyeste punkt.
Fasit
a)
2221≈29,7 m/s
b)
t=2 s
c)
22 m/s
LøsningsforslagKI-generert
Vi har posisjonsvektor r(t)=[28t−3t2,10t−5t2] der t er tid i sekunder og enheten langs aksene er meter.
Fartsvektoren er den deriverte av posisjonsvektoren:
v(t)=r′(t)=[28−6t,10−10t]
Banefarten er lengden av fartsvektoren:
∣v(t)∣=(28−6t)2+(10−10t)2a)
Vi setter t=0:
∣v(0)∣=282+102=784+100=884=2221≈29,7 m/sb)
Ballen treffer bakken når y-komponenten av posisjonsvektoren er null:
10t−5t2=05t(2−t)=0t=0ellert=2
t=0 er tidspunktet da ballen ble sparket, så ballen treffer bakken etter t=2 sekunder.
c)
I toppunktet er den vertikale fartskomponenten lik null:
10−10t=0⟹t=1
Banefarten i toppunktet:
∣v(1)∣=(28−6⋅1)2+(10−10⋅1)2=222+02=22 m/s
Oppgavedata
Kategori
2
Vanskegrad
2
Temaer
Vektorer, Derivasjon
Oppgave 2-2:Omvendt funksjon for fjerdegradsfunksjon med parameter b
Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.
Funksjonen f er gitt ved
f(x)=x4−b⋅x3+2,Df=[−3,→⟩
For hvilke verdier av b har f en omvendt funksjon?
LøsningsforslagKI-generert
For at f skal ha en omvendt funksjon på Df=[−3,→⟩, må f være strengt monoton (voksende eller avtagende) på hele definisjonsmengden.
Vi deriverer:
f′(x)=4x3−3bx2=x2(4x−3b)
Siden x2≥0 for alle x, bestemmes fortegnet til f′(x) av faktoren (4x−3b).
f′(x)=0 når x=0 eller x=43b.
For at f skal være strengt voksende på [−3,→⟩, må f′(x)≥0 for alle x∈[−3,→⟩, med f′(x)=0 kun i isolerte punkter. Det betyr at (4x−3b)≥0 for alle x≥−3.
Det kritiske stedet er x=−3 (det minste x-verdien i Df):
4⋅(−3)−3b≥0⟹−12−3b≥0⟹b≤−4
Kontroll for b=−4: Da er f′(x)=x2(4x+12)=4x2(x+3).
For x∈[−3,→⟩ er x2≥0 og (x+3)≥0, så f′(x)≥0. Likhet inntreffer kun i x=−3 og x=0, som er isolerte punkter – f er likevel strengt voksende. ✓
For b<−4: Nullpunktet x=43b<−3 ligger utenfor Df, og (4x−3b)>0 for alle x>−3, så f′(x)>0 på ⟨−3,→⟩. ✓
For b>−4: Nullpunktet x=43b>−3 ligger inne i Df, og f′ skifter fortegn der – f er ikke monoton. ✗
f har omvendt funksjon på [−3,→⟩ når
b≤−4
Oppgavedata
Kategori
3
Vanskegrad
3
Temaer
Funksjoner, Derivasjon
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 C kan beskrives ved å oppgi sentrum S(a,b) og radius r.
a)
Beskriv en algoritme som du kan bruke til å avgjør om et gitt punkt P(s,t) ligger på, inni eller utenfor sirkelen C.
b)
Skriv en kode basert på algoritmen fra oppgave a). Input skal være a, b, r, s og t. Output skal være en av følgende tekster:
Punktet ligger innenfor sirkelen
Punktet ligger på sirkelen
Punktet ligger utenfor sirkelen
Fasit
a)
Algoritme: Beregn avstanden d=(s−a)2+(t−b)2 fra P(s,t) til sentrum S(a,b). Hvis d<r: inni. Hvis d=r: på. Hvis d>r: utenfor.
b)
Se løsningsforslag.
LøsningsforslagKI-generert
a)
Et punkt P(s,t) og sirkelens sentrum S(a,b) har avstand
d=(s−a)2+(t−b)2
Vi sammenligner denne avstanden med radius r:
Hvis d<r: punktet ligger innenfor sirkelen
Hvis d=r: punktet ligger på sirkelen
Hvis d>r: punktet ligger utenfor sirkelen
Algoritme:
Ta inn verdiene a, b, r, s og t
Beregn d=(s−a)2+(t−b)2
Hvis d<r: skriv ut «Punktet ligger innenfor sirkelen»
Ellers hvis d=r: skriv ut «Punktet ligger på sirkelen»
Ellers: skriv ut «Punktet ligger utenfor sirkelen»
b)
import matha = 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), radius r=5, punkt P(3,4).
d=(3−0)2+(4−0)2=9+16=25=5
Siden d=r=5 ligger punktet på sirkelen.
Merk: I praksis er det sjelden at et beregnet desimaltall blir nøyaktig lik r på grunn av avrundingsfeil. I en mer robust løsning kan man i stedet sammenligne d2 med r2 (unngår kvadratrot) eller bruke en liten toleranse ved sjekk av likhet.
Oppgavedata
Kategori
2
Vanskegrad
2
Temaer
Programmering, Sirkel, Geometri
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 °C. Resultatet av målingene er vist i tabellen nedenfor.
Tid (minutt)
0
4
8
12
16
Temperatur (°C)
70
53
42
35
30
En elev har brukt et digitalt verktøy og kommet fram til følgende regresjonsmodeller ut fra tallene i tabellen:
Vis hvordan eleven kan ha kommet fram til modellen h.
b)
Vurder gyldighetsområdet til de ulike modellene ut fra den praktiske situasjonen.
Fasit
a)
h(x)=21,2+49⋅e−0,11x fremkommer ved å utføre eksponentiell regresjon på overtemperaturene y=T−21,2.
b)
h er den eneste modellen som er fysisk realistisk for alle x≥0 — den nærmer seg romtemperaturen asymptotisk. f gir negativ overtemperatur for store x, og g stiger igjen etter bunnpunktet.
LøsningsforslagKI-generert
a)
Newtons avkjølingslov sier at temperaturen over romtemperatur avtar eksponentielt. Romtemperaturen er 21,2 °C, så vi definerer overtemperaturen
y=T−21,2
og leser av overtemperaturene fra målingene:
Tid x (min)
0
4
8
12
16
Overtemperatur y (°C)
48,8
31,8
20,8
13,8
8,8
Vi utfører eksponentiell regresjony=a⋅e−kx på disse punktene med digitalt verktøy og får
a≈48,8≈49,k≈0,107≈0,11
Se GeoGebra CAS nedenfor — linje 1 viser overtemperaturmodellen, linje 2 viser den endelige modellen etter at romtemperaturen er lagt til igjen:
Vi legger til romtemperaturen igjen:
h(x)=21,2+49⋅e−0,11x
Vi kan kontrollere at modellen passer dataene godt:
x
h(x)
Målt
0
70,2
70
4
52,8
53
8
41,5
42
12
34,3
35
16
29,6
30
h(x)=21,2+49⋅e−0,11x
b)
Vi vurderer hvert modellens gyldighetsområde ut fra den praktiske situasjonen: kaffen avkjøles fra 70 °C mot romtemperaturen 21,2 °C, og temperaturen kan verken synke under romtemperatur eller stige av seg selv.
f(x)=−2,45x+65,6 (lineær):
Modellen treffer romtemperaturen ved f(x)=21,2, som gir x≈18 min. For x>18 gir modellen temperaturer under 21,2 °C, noe som er urealistisk — kaffen kan ikke bli kaldere enn rommet. Modellen er kun brukbar for de første ca. 18 minuttene.
g(x)=0,13x2−4,45x+70 (kvadratisk):
Modellen har bunnpunkt ved x=2⋅0,134,45≈17 min. Etter bunnpunktet stiger g igjen, noe som betyr at kaffen ifølge modellen begynner å varme seg opp — klart urealistisk. Modellen er kun brukbar fram til ca. x≈17 min.
h(x)=21,2+49⋅e−0,11x (eksponentiell):
Eksponentialfunksjonen e−0,11x>0 for alle x, så h(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 x≥0.
Alle tre modellene passer måledataene godt i intervallet 0≤x≤16 min, men her den eneste som er gyldig på lang sikt.
Oppgavedata
Kategori
2
Vanskegrad
2
Temaer
Modellering, Eksponentialfunksjon
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 f er gitt ved
f(x)={2x2+3x+a,−2x2+b⋅x,x<1x≥1a)
Bestem a og b slik at f blir deriverbar i x=1.
b)
Avgjør om grafen til f har vendepunkt.
Fasit
a)
a=4, b=11
b)
Grafen har ikke vendepunkt.
LøsningsforslagKI-generert
a) Bestem a og b
For at f skal være deriverbar i x=1, kreves to ting:
Krav 1 – Kontinuitet (venstresiden og høyresiden må møtes):
2⋅12+3⋅1+a=−2⋅12+b⋅15+a=−2+b
Krav 2 – Lik derivert (samme tangentretning fra begge sider):
f′(x)={4x+3,−4x+b,x<1x≥14⋅1+3=−4⋅1+b7=−4+b⟹b=11
Setter b=11 inn i kontinuitetskravet:
5+a=−2+11=9⟹a=4a=4,b=11
b) Vendepunkt?
Med a=4 og b=11 er funksjonen:
f(x)={2x2+3x+4,−2x2+11x,x<1x≥1
Vi finner andredeiverte for hvert uttrykk:
f′′(x)={4,−4,x<1x≥1
Begge uttrykk er andregradsfunksjoner med konstante andrederiverte (f′′=4 og f′′=−4). Et vendepunkt krever at f′′ skifter fortegn i et punkt der f er to ganger deriverbar.
For x<1: f′′(x)=4>0 — konstant, ingen fortegnsendring.
For x>1: f′′(x)=−4<0 — konstant, ingen fortegnsendring.
I x=1: f′′ er ikke definert (andrederiverte fra venstre og høyre er ulike), og f er ikke to ganger deriverbar her. Et eventuelt vendepunkt krever at f er to ganger deriverbar — dette kravet er ikke oppfylt.
Grafen til f har ikke vendepunkt.
Oppgavedata
Kategori
3
Vanskegrad
3
Temaer
Derivasjon, Funksjoner
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 f er gitt ved
f(x)=ex+Cex
der C er en konstant.
a)
Finnes det noen verdier for C som gjør at grafen til f har et topp- eller bunnpunkt?
b)
Undersøk og bestem hvilke verdier for C som gjør at grafen til f har et vendepunkt.
c)
Anta C>0. Vis at f(x+lnC)=ex+1ex.
Beskriv hvordan grafen til f påvirkes når verdien til C endres.
d)
Anta C<0. Beskriv hvordan grafen til f påvirkes når verdien til C endres.
Fasit
a)
Nei, grafen har ingen topp- eller bunnpunkt for noen verdi av C.
b)
C>0: vendepunkt i x=lnC. C≤0: ingen vendepunkt.
c)
f(x+lnC)=ex+1ex. Grafen er den samme som for C=1, men forskjøvet lnC enheter til venstre.
d)
Grafen er ikke kontinuerlig (brudd der ex=−C), og opptrer i to separate grener. Endring av C<0 forskyver bruddet horisontalt.
LøsningsforslagKI-generert
Vi har
f(x)=ex+Cex
a) Topp- eller bunnpunkt?
Vi deriverer f med kvotientregelen:
f′(x)=(ex+C)2ex(ex+C)−ex⋅ex=(ex+C)2Cex
For et topp- eller bunnpunkt må f′(x)=0, dvs.
Cex=0
Siden ex>0 for alle x, krever dette C=0. Men hvis C=0 er f(x)=exex=1 (konstant), og det finnes heller ingen ekstremalverdi i vanlig forstand.
For C=0 har f′(x)=0 ingen løsning. Grafen til f har ingen topp- eller bunnpunkt for noen verdi av C.
b) Vendepunkt
Vi deriverer f′(x) på nytt. Med f′(x)=Cex(ex+C)−2 bruker vi produktregelen:
Dette betyr at grafen til f er den samme kurven som for C=1, men forskjøvet lnC enheter i negativ x-retning (til venstre for C>1, til høyre for 0<C<1). Formen på grafen endres ikke — bare posisjonen langs x-aksen.
d) Når C<0
Nevneren ex+C=0 når ex=−C, dvs. x=ln(−C). Her er fikke definert, og grafen har en vertikal asymptote i x=ln(−C).
f′(x)=(ex+C)2Cex: telleren Cex<0 (siden C<0) og nevneren (ex+C)2>0, så f′(x)<0 overalt der f er definert. Funksjonen er altså strengt avtagende på begge grener.
Når C endres (fortsatt C<0), forskyves asymptoten x=ln(−C) horisontalt — mot høyre når ∣C∣ øker. Grafens form (to avtagende grener med vertikal asymptote) er den samme for alle C<0.
Oppgavedata
Kategori
3
Vanskegrad
3
Temaer
Derivasjon, Funksjoner, Eksponentialfunksjon
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 f skjærer en linje ℓ i tre punkter med x-koordinater x1, x2 og x3. La m=2x1+x2.
Da vil tangenten til grafen til f i punktet (m,f(m)) gå gjennom punktet (x3,f(x3)).
a)
Vis at resultatet stemmer for funksjonen f gitt ved
f(x)=x3−x2−2x+3
og linjen y=2x−1 når x1=−2, x2=1 og x3=2.
La g være en tredjegradsfunksjon. Anta at en linje y=ax+b skjærer grafen til g i (x1,f(x1)), (x2,f(x2)) og (x3,f(x3)).
b)
Forklar at vi kan skrive g på formen
g(x)=k(x−x1)(x−x2)(x−x3)+(ax+b),der k∈R.c)
Vis at tangenten til grafen til g i m=2x1+x2 går gjennom (x3,g(x3)).
Gitt funksjonen h(x)=x3−2x+1 og punktet P(2,5). Vi ønsker å tegne en tangent til grafen til h som går gjennom P.
d)
Forklar hvordan vi kan bruke linjen y=2x+1 til å bestemme tangeringspunktet.
Fasit
a)
Tangenten i m=−21 er y=−41x+27, som gir y=3 ved x=2=x3. ✓
b)
g(x)−(ax+b) er et tredjegradspolynom med røtter x1,x2,x3, altså =k(x−x1)(x−x2)(x−x3).
c)
Vist algebraisk: g(x3)−g(m)=g′(m)(x3−m).
d)
Tangeringspunktet er (−1,2); tangenten er y=x+3.
LøsningsforslagKI-generert
a)
Vi har f(x)=x3−x2−2x+3, x1=−2, x2=1, x3=2 og
m=2x1+x2=2−2+1=−21
Vi bruker GeoGebra CAS til å beregne f(m), f′(m) og f(x3):
Fra CAS (linje 3–6): f(−21)=829, f′(x)=3x2−2x−2, f′(−21)=−41.
Tangentlinjen i punktet (−21,829) er (linje 5):
ℓ(x)=−41x+27
Vi sjekker verdien ved x3=2 (linje 6): ℓ(2)=3.
Fra CAS (linje 7): f(2)=3.
Siden ℓ(x3)=f(x3)=3, går tangenten gjennom (x3,f(x3))=(2,3). □
b)
Siden g er en tredjegradsfunksjon og y=ax+b er en linje, er differansen
p(x)=g(x)−(ax+b)
et tredjegradspolynom. Fordi linjen skjærer grafen til g i punktene (x1,g(x1)), (x2,g(x2)) og (x3,g(x3)), har p røttene x1, x2 og x3.
Et tredjegradspolynom med tre røtter faktoriserer som
p(x)=k(x−x1)(x−x2)(x−x3),k∈R.
Derfor er
g(x)=k(x−x1)(x−x2)(x−x3)+(ax+b).c)
Vi bruker formen fra b). La s=x1−x2 og m=2x1+x2. Da er