R1 eksamenHøst 2022LK20

Matematikk R1 eksamen – høst 2022

ifingo
Norsk (Bokmål)

ifingo · Matematikk R1

Matematikk R1 - høsten 2022, LK20 (REA3056)

Løsningsforslag til eksamenssettet fra Utdanningsdirektoratet.

Del 1 - uten hjelpemidler

Del 1 - Oppgave 1aOmvendt funksjon og injektivitet

Oppgave 1a

Oppgave: Avgjør om \[f(x)=x^4,\qquad D_f=\mathbb R\] har en omvendt funksjon.
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skal avgjøre om funksjonen er en-til-en på hele definisjonsmengden.

Steg 1 - Kravet

En funksjon har omvendt funksjon på domenet sitt bare dersom ulike input alltid gir ulike output.

Steg 2 - To ulike input

Velg \(x=1\) og \(x=-1\).

Steg 3 - Samme funksjonsverdi

Vi får \(f(1)=1\) og \(f(-1)=1\).

Steg 4 - Horisontallinjetesten

En horisontal linje med \(y>0\) skjærer grafen to steder.

Steg 5 - Konklusjon

Funksjonen er ikke injektiv på \(\mathbb R\), og har derfor ikke en omvendt funksjon på dette domenet.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS/grafikk
1
Solve[x^4=1,x]
\(x=-1\) og \(x=1\)

Tolkning: To ulike x-verdier gir samme funksjonsverdi.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
x = sp.symbols("x", real=True)
f = x**4
solutions = sp.solve(sp.Eq(f, 1), x)
value_pos = f.subs(x, 1)
value_neg = f.subs(x, -1)
print("f(x) =", f)
print("Solutions of f(x)=1:", solutions)
print("f(1) =", value_pos)
print("f(-1) =", value_neg)
print("Different inputs:", 1 != -1)
print("Same outputs:", value_pos == value_neg)
Utskrift fra Python:
f(x) = x**4
Solutions of f(x)=1: [-1, 1]
f(1) = 1
f(-1) = 1
Different inputs: True
Same outputs: True

Fasit: Nei. \(f\) er ikke injektiv på \(\mathbb R\).

Vanlig feil: Å skrive \(f^{-1}(x)=\sqrt[4]{x}\) uten å ta hensyn til den negative grenen.
Sensorpunkt: Et konkret moteksempel eller horisontallinjetesten må brukes som begrunnelse.
Del 1 - Oppgave 1bOmvendt funksjon og monotoni

Oppgave 1b

Oppgave: Avgjør om \[g(x)=e^{-(x-2)^2},\qquad D_g=[2,\rightarrow\rangle\] har en omvendt funksjon.
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skal vise at domenebegrensningen \(x\ge2\) gjør funksjonen en-til-en.

Steg 1 - Deriver

\[g^{\prime}(x)=-2(x-2)e^{-(x-2)^2}.\]

Steg 2 - Fortegn

For \(x>2\) er \(g^{\prime}(x)<0\).

Steg 3 - Monotoni

Funksjonen er strengt avtakende på \([2,\infty)\), og derfor injektiv.

Steg 4 - Verdimengde

\(g(2)=1\), og \(g(x)\to0\). Dermed er \(V_g=(0,1]\).

Steg 5 - Invers

Fra \(y=e^{-(x-2)^2}\) får vi \[x=2+\sqrt{-\ln y}.\] Plussgrenen velges fordi \(x\ge2\).

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS/grafikk
1
Invert[exp(-(x-2)^2),x,2<=x]
\(g^{-1}(x)=2+\sqrt{-\ln x}\)

Tolkning: Domenebegrensningen bestemmer riktig rotgren.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
x, y = sp.symbols("x y", positive=True)
g = sp.exp(-(x-2)**2)
g_prime = sp.factor(sp.diff(g, x))
g_inverse = 2 + sp.sqrt(-sp.log(y))
composition = sp.simplify(g.subs(x, g_inverse))
print("g(x) =", g)
print("g'(x) =", g_prime)
print("g inverse(y) =", g_inverse)
print("g(g inverse(y)) =", composition)
print("Range: 0 < y <= 1")
print("Strictly decreasing for x > 2")
Utskrift fra Python:
g(x) = exp(-(x - 2)**2)
g'(x) = -2*(x - 2)*exp(-4)*exp(4*x)*exp(-x**2)
g inverse(y) = sqrt(-log(y)) + 2
g(g inverse(y)) = y
Range: 0 < y <= 1
Strictly decreasing for x > 2

Fasit: Ja. \(g^{-1}(x)=2+\sqrt{-\ln x}\), for \(0<x\le1\).

Vanlig feil: Å velge minusgrenen, som ligger utenfor domenet.
Sensorpunkt: Monotoni, verdimengde og korrekt rotgren skal framgå.
Del 1 - Oppgave 2Grenseverdi og definisjon av derivert

Oppgave 2

Oppgave: Bestem \[\lim_{h\to0}\frac{(4+h)^2-4^2}{h}.\]
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skal forenkle differansekvotienten før vi setter \(h=0\).

Steg 1 - Utvid kvadratet

\((4+h)^2=16+8h+h^2\).

Steg 2 - Trekk fra

Telleren blir \(8h+h^2\).

Steg 3 - Faktoriser

\[8h+h^2=h(8+h).\]

Steg 4 - Forkort

For \(h\ne0\) er brøken \(8+h\).

Steg 5 - Ta grensen

Når \(h\to0\), går \(8+h\to8\). Dette er også den deriverte av \(x^2\) i \(x=4\).

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS/grafikk
1
Limit[((4+h)^2-4^2)/h,h,0]
\(8\)

Tolkning: CAS forenkler differansekvotienten og tar grensen.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
h = sp.symbols("h", real=True)
numerator = sp.expand((4+h)**2 - 4**2)
quotient = sp.factor(numerator / h)
limit_value = sp.limit(quotient, h, 0)
print("Expanded numerator =", numerator)
print("Simplified quotient =", quotient)
print("Limit as h -> 0 =", limit_value)
x = sp.symbols("x")
derivative_check = sp.diff(x**2, x).subs(x, 4)
print("Derivative check =", derivative_check)
Utskrift fra Python:
Expanded numerator = h**2 + 8*h
Simplified quotient = h + 8
Limit as h -> 0 = 8
Derivative check = 8

Fasit: Grenseverdien er \(8\).

Vanlig feil: Å sette \(h=0\) før brøken er forkortet.
Sensorpunkt: Den algebraiske forkortingen og grenseovergangen må vises.
Del 1 - Oppgave 3Logaritmer og sammenlikning

Oppgave 3

Oppgave: Hvilke av tallene er mindre enn 10? \[\sqrt[3]{11},\qquad10\lg9,\qquad5\ln9.\]
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skal vurdere hvert tall ved hjelp av monotoni og enkle kjente grenser.

Steg 1 - Kubikkroten

Siden \(11<1000=10^3\), er \(\sqrt[3]{11}<10\).

Steg 2 - Tierlogaritmen

Siden \(9<10\), er \(\lg9<1\), og derfor \(10\lg9<10\).

Steg 3 - Naturlig logaritme

\(5\ln9=10\ln3\). Fordi \(3>e\), er \(\ln3>1\), og uttrykket er større enn 10.

Steg 4 - Numerisk kontroll

Tallene er omtrent \(2.224\), \(9.542\) og \(10.986\).

Steg 5 - Konklusjon

De to første er mindre enn 10. Det siste er større enn 10.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS/grafikk
1
Numeric({11^(1/3),10*log(10,9),5*ln(9)})
\(2.224,\ 9.542,\ 10.986\)

Tolkning: Numeriske verdier bekrefter ulikhetsargumentene.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
values = [sp.real_root(11, 3), 10*sp.log(9, 10), 5*sp.log(9)]
labels = ["cube root of 11", "10*lg(9)", "5*ln(9)"]
for label, value in zip(labels, values):
    numeric = sp.N(value, 12)
    print(label, "=", numeric)
    print("less than 10:", bool(numeric < 10))
print("11 < 10^3:", 11 < 10**3)
print("ln(3) > 1:", bool(sp.N(sp.log(3)) > 1))
Utskrift fra Python:
cube root of 11 = 2.22398009057
less than 10: True
10*lg(9) = 9.54242509439
less than 10: True
5*ln(9) = 10.9861228867
less than 10: False
11 < 10^3: True
ln(3) > 1: True

Fasit: \(\sqrt[3]{11}\) og \(10\lg9\) er mindre enn 10.

Vanlig feil: Å lese \(10\lg9\) som \(10^{\lg9}\).
Sensorpunkt: Hvert tall skal begrunnes separat.
Del 1 - Oppgave 4aVektorer og rett vinkel

Oppgave 4a

Oppgave: Punktene er \(A(1,1)\), \(B(9,7)\) og \(P(5,9)\). Vis at \(\angle APB=90^{\circ}\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skal bruke skalarproduktet mellom vektorene fra P til A og B.

Steg 1 - Vektorene

\[\overrightarrow{PA}=(-4,-8),\qquad\overrightarrow{PB}=(4,-2).\]

Steg 2 - Skalarprodukt

\[(-4)\cdot4+(-8)\cdot(-2)=-16+16=0.\]

Steg 3 - Tolkning

To ikke-null vektorer med skalarprodukt 0 står vinkelrett.

Steg 4 - Konklusjon

Dermed er vinkelen mellom \(PA\) og \(PB\) lik \(90^{\circ}\).

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS/grafikk
1
Vector[(5,9),(1,1)] * Vector[(5,9),(9,7)]
\(0\)

Tolkning: Null skalarprodukt viser at vektorene er ortogonale.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
A = sp.Matrix([1, 1])
B = sp.Matrix([9, 7])
P = sp.Matrix([5, 9])
PA = A - P
PB = B - P
dot_product = PA.dot(PB)
print("PA =", tuple(PA))
print("PB =", tuple(PB))
print("PA dot PB =", dot_product)
print("Right angle:", dot_product == 0)
print("Length PA =", sp.sqrt(PA.dot(PA)))
print("Length PB =", sp.sqrt(PB.dot(PB)))
Utskrift fra Python:
PA = (-4, -8)
PB = (4, -2)
PA dot PB = 0
Right angle: True
Length PA = 4*sqrt(5)
Length PB = 2*sqrt(5)

Fasit: \(\angle APB=90^{\circ}\).

Vanlig feil: Å bruke vektorer med ulike startpunkter.
Sensorpunkt: Korrekte vektorer, skalarprodukt og konklusjon.
Del 1 - Oppgave 4bParameterframstilling og sirkelgeometri

Oppgave 4b

Oppgave: Linjen \(\ell\) er parallell med \(AB\) og går gjennom \(P\). Finn det andre punktet \(Q\) på \(\ell\) slik at \(\angle AQB=90^{\circ}\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skal parameterframstille linjen og kreve at vektorene fra Q til A og B er ortogonale.

Steg 1 - Retningsvektor

\(\overrightarrow{AB}=(8,6)=2(4,3)\).

Steg 2 - Parameterframstilling

\[Q=(5+4t,9+3t).\]

Steg 3 - Rett vinkel

Sett \((A-Q)\cdot(B-Q)=0\).

Steg 4 - Løs likningen

Utregningen gir \(25t^2+30t=0\), altså \(t=0\) eller \(t=-6/5\).

Steg 5 - Velg det andre punktet

\(t=0\) gir P. Derfor bruker vi \(t=-6/5\).

Steg 6 - Koordinater

\[Q=\left(\frac15,\frac{27}{5}\right).\]

Geometrisk kontroll av A, B, P og Q.
Geometrisk kontroll av A, B, P og Q.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS/grafikk
1
Solve[Dot((1,1)-(5+4t,9+3t),(9,7)-(5+4t,9+3t))=0,t]
\(t=0\) eller \(t=-6/5\)

Tolkning: Den ikke-trivielle parameterverdien gir Q.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
t = sp.symbols("t", real=True)
A = sp.Matrix([1, 1])
B = sp.Matrix([9, 7])
Q = sp.Matrix([5 + 4*t, 9 + 3*t])
condition = sp.expand((A-Q).dot(B-Q))
solutions = sp.solve(sp.Eq(condition, 0), t)
print("Equation =", sp.factor(condition))
print("Parameter solutions =", solutions)
for value in solutions:
    print("t =", value, "Q =", tuple(Q.subs(t, value)))
other = Q.subs(t, sp.Rational(-6,5))
print("Other point =", tuple(other))
Utskrift fra Python:
Equation = 5*t*(5*t + 6)
Parameter solutions = [-6/5, 0]
t = -6/5 Q = (1/5, 27/5)
t = 0 Q = (5, 9)
Other point = (1/5, 27/5)

Fasit: \(Q=\left(\dfrac15,\dfrac{27}{5}\right)\).

Vanlig feil: Å stoppe ved \(t=0\), som bare gir P.
Sensorpunkt: Parameterframstilling, ortogonalitetslikning og riktig rot skal vises.
Del 1 - Oppgave 5Programforståelse og numerisk derivasjon

Oppgave 5

Oppgave: Marianne kjører programmet i oppgaven. Bestem verdien av variabelen \(b\) som defineres på linje 12.
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skal følge programflyten, identifisere sluttverdien av a og beregne b.

Steg 1 - Funksjonen

Programmet bruker \[f(x)=\frac{6x-3}{x-1}.\]

Steg 2 - Numerisk derivert

\(Df(x)=(f(x+h)-f(x))/h\) med \(h=10^{-5}\) er en framoverdifferanse.

Steg 3 - Eksakt kontroll

\[f^{\prime}(x)=-\frac3{(x-1)^2}.\] Likningen \(f^{\prime}(x)=-3\) gir \(x=2\) på den siden programmet søker.

Steg 4 - While-løkken

a økes med 0.001 fra 1.5 til den numeriske deriverte ikke lenger er mindre enn -3. Sluttverdien blir omtrent 2.

Steg 5 - Beregn b

Programmet gir \(b=f(a)-Df(a)a\approx14.99994\).

Steg 6 - Tolkning

Eksakt ved \(a=2\) er konstantleddet \(9-(-3)\cdot2=15\).

Programmet slik det står i originaleksamen.
Programmet slik det står i originaleksamen.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS/grafikk
1
Iteration[If[Derivative[(6x-3)/(x-1),x]<-3,x+0.001,x],1.5,600]
\(a\approx2\), \(b\approx14.99994\)

Tolkning: Programmet finner tilnærmet tangenten med stigningstall -3.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
def f(x):
    return (6*x - 3) / (x - 1)

h = 0.00001
def Df(x):
    return (f(x + h) - f(x)) / h

a = 1.5
iterations = 0
while Df(a) < -3:
    a = a + 0.001
    iterations += 1
b = f(a) - Df(a)*a
print("Iterations =", iterations)
print("a =", a)
print("Df(a) =", Df(a))
print("f(a) =", f(a))
print("b =", b)
print("Tangent: y = -3x +", b)
Utskrift fra Python:
Iterations = 500
a = 1.999999999999945
Df(a) = -2.9999700002392156
f(a) = 9.000000000000165
b = 14.999940000478432
Tangent: y = -3x + 14.999940000478432

Fasit: Programmet gir \(b\approx14.99994\), altså omtrent 15.

Vanlig feil: Å svare bare 15 uten å forklare den numeriske feilen.
Sensorpunkt: Programflyt, sluttverdi av a og faktisk beregning av b skal dokumenteres.

Del 2 - med hjelpemidler

Del 2 - Oppgave 1aLogistisk regresjon

Oppgave 1a

Oppgave: Bruk produksjonstallene til å lage en logistisk modell \(g\) for Norges energiproduksjon \(x\) år etter 1950.
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skal utføre logistisk regresjon og oppgi modellen med tydelig definisjon av x.

Steg 1 - Variabel

La \(x=0\) svare til 1950, \(x=10\) til 1960, og så videre.

Steg 2 - Modellform

Vi bruker \[g(x)=\frac{L}{1+A e^{-kx}},\] der \(L\) er et metningsnivå.

Steg 3 - Regresjon

Ikke-lineær minste kvadraters tilpasning gir omtrent \(L=157303\), \(A=9.6396\) og \(k=0.08672\).

Steg 4 - Modell

\[g(x)=\frac{157303}{1+9.6396e^{-0.08672x}}.\]

Steg 5 - Kontroll

Modellen gir \(g(70)\approx153876\) GWh, mens den observerte verdien i 2020 er 154197 GWh.

Steg 6 - Vurdering

Modellen beskriver S-formen i dataene, men er en empirisk modell og ingen sikker langtidsprognose.

Data og logistiske modeller for produksjon og forbruk.
Data og logistiske modeller for produksjon og forbruk.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS/grafikk
1
FitLogistic({(0,16924),(10,31121),(20,57606),(31,93397),(40,121848),(50,142816),(62,147716),(70,154197)})
\(157303/(1+9.6396e^{-0.08672x})\)

Tolkning: Logistisk regresjon gir et metningsnivå rundt 157 000 GWh.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import numpy as np
from scipy.optimize import curve_fit
x = np.array([0,10,20,31,40,50,62,70], dtype=float)
y = np.array([16924,31121,57606,93397,121848,142816,147716,154197], dtype=float)
def logistic(x, L, A, k):
    return L / (1 + A*np.exp(-k*x))
parameters, covariance = curve_fit(logistic, x, y, p0=[160000,10,0.08], maxfev=100000)
L, A, k = parameters
predicted = logistic(x, L, A, k)
rmse = np.sqrt(np.mean((predicted-y)**2))
print("L =", round(L, 3))
print("A =", round(A, 6))
print("k =", round(k, 8))
print("g(70) =", round(logistic(70,L,A,k), 3))
print("RMSE =", round(rmse, 3))
Utskrift fra Python:
L = 157303.076
A = 9.639559
k = 0.08672051
g(70) = 153876.404
RMSE = 1822.774

Fasit: En mulig modell er \(g(x)=\dfrac{157303}{1+9.6396e^{-0.08672x}}\).

Vanlig feil: Å bruke kalenderår direkte uten å forklare hva x betyr.
Sensorpunkt: Regresjonsmetode, parameterverdier, modellform og kontroll skal dokumenteres.
Del 2 - Oppgave 1bVendepunkt i logistisk modell

Oppgave 1b

Oppgave: I hvilket år økte produksjonen raskest ifølge modellen \(g\)?
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skal finne vendepunktet, der vekstfarten til den logistiske modellen er størst.

Steg 1 - Egenskap

For \(g(x)=L/(1+Ae^{-kx})\) er veksten størst når \(g=L/2\).

Steg 2 - Løs for x

Betingelsen gir \(Ae^{-kx}=1\), og derfor \[x=\frac{\ln A}{k}.\]

Steg 3 - Sett inn

\[x=\frac{\ln(9.6396)}{0.08672}\approx26.13.\]

Steg 4 - Kalenderår

\(1950+26.13\approx1976\).

Steg 5 - Tolkning

Modellen sier at den momentane økningen var størst omtrent i 1976.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS/grafikk
1
Extremum[Derivative[157303/(1+9.6396*exp(-0.08672x))]]
\(x\approx26.13\)

Tolkning: Maksimal vekst opptrer ved vendepunktet.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
L = sp.Float(157303.063)
A = sp.Float(9.63956448)
k = sp.Float(0.0867205366)
x_inflection = sp.log(A)/k
y_inflection = L/2
calendar_year = 1950 + x_inflection
print("x at maximum growth =", sp.N(x_inflection, 12))
print("Calendar year =", sp.N(calendar_year, 12))
print("Production at inflection =", sp.N(y_inflection, 12))
print("Rounded year =", round(float(calendar_year)))
Utskrift fra Python:
x at maximum growth = 26.1284814188
Calendar year = 1976.12848142
Production at inflection = 78651.5315000
Rounded year = 1976

Fasit: Produksjonen økte raskest omkring \(1976\).

Vanlig feil: Å lete etter største tabellforskjell i stedet for å bruke modellen.
Sensorpunkt: Vendepunktet og omregning til kalenderår må vises.
Del 2 - Oppgave 1cModellvurdering og prognose

Oppgave 1c

Oppgave: Lag en modell for forbruket som kan brukes til å vurdere om Norge på sikt vil være selvforsynt med elektrisk energi.
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skal velge en rimelig modell, sammenlikne den med produksjonsmodellen og diskutere usikkerhet.

Steg 1 - Forbruksmodell

Logistisk regresjon gir omtrent \[c(x)=\frac{136387}{1+7.4388e^{-0.08320x}}.\]

Steg 2 - Metningsnivåer

Produksjonsmodellen har \(L_p\approx157303\), mens forbruksmodellen har \(L_c\approx136387\).

Steg 3 - Lang sikt

Hvis modellene forblir gyldige, ligger produksjonen omtrent 20 900 GWh over forbruket på lang sikt.

Steg 4 - Framtidskontroll

I 2050 gir modellene omtrent 157044 GWh produksjon og 136141 GWh forbruk.

Steg 5 - Kritisk vurdering

Elektrifisering, industri, klima, politikk og eksport kan endre utviklingen. Konklusjonen må derfor være betinget.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS/grafikk
1
FitLogistic({(0,16924),(10,31253),(20,56770),(31,88168),(40,105941),(50,123761),(62,129900),(70,133725)})
\(c(x)\approx136387/(1+7.4388e^{-0.08320x})\)

Tolkning: Forbruksmodellens metningsnivå ligger under produksjonsmodellens.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import numpy as np
from scipy.optimize import curve_fit
x = np.array([0,10,20,31,40,50,62,70], dtype=float)
production = np.array([16924,31121,57606,93397,121848,142816,147716,154197], dtype=float)
consumption = np.array([16924,31253,56770,88168,105941,123761,129900,133725], dtype=float)
def logistic(x, L, A, k):
    return L/(1+A*np.exp(-k*x))
p_prod, _ = curve_fit(logistic, x, production, p0=[160000,10,0.08], maxfev=100000)
p_cons, _ = curve_fit(logistic, x, consumption, p0=[140000,8,0.08], maxfev=100000)
print("Production parameters =", np.round(p_prod, 6))
print("Consumption parameters =", np.round(p_cons, 6))
print("Long-run surplus =", round(p_prod[0]-p_cons[0], 3), "GWh")
for year in [2030,2050,2070]:
    t = year-1950
    surplus = logistic(t,*p_prod)-logistic(t,*p_cons)
    print(year, "model surplus =", round(surplus, 3), "GWh")
Utskrift fra Python:
Production parameters = [1.57303076e+05 9.63955900e+00 8.67210000e-02]
Consumption parameters = [1.3638659e+05 7.4387860e+00 8.3201000e-02]
Long-run surplus = 20916.486 GWh
2030 model surplus = 20750.916 GWh
2050 model surplus = 20903.812 GWh
2070 model surplus = 20917.43 GWh

Fasit: Modellene peker mot langsiktig selvforsyning, men bare under modellforutsetningene.

Vanlig feil: Å gi en kategorisk samfunnskonklusjon uten å drøfte ekstrapolasjon.
Sensorpunkt: Modellvalg, sammenlikning og kritisk vurdering teller alle.
Del 2 - Oppgave 2aOmvendt eksponentialfunksjon

Oppgave 2a

Oppgave: Ladningen er \[Q(t)=Q_0(1-e^{-2.3t}),\qquad t\ge0.\] Bestem den omvendte funksjonen.
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skal isolere t og oppgi riktig domene for den inverse funksjonen.

Steg 1 - Sett y lik Q(t)

\[y=Q_0(1-e^{-2.3t}).\]

Steg 2 - Divider med Q0

\[y/Q_0=1-e^{-2.3t}.\]

Steg 3 - Isoler eksponentialleddet

\[e^{-2.3t}=1-y/Q_0.\]

Steg 4 - Ta ln

\[-2.3t=\ln(1-y/Q_0).\]

Steg 5 - Isoler t

\[t=-\frac1{2.3}\ln\left(1-\frac{y}{Q_0}\right).\]

Steg 6 - Domene

Siden \(t\ge0\), er \(0\le y<Q_0\).

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS/grafikk
1
Solve[y=Q0*(1-exp(-2.3t)),t]
\(-\ln(1-y/Q_0)/2.3\)

Tolkning: CAS isolerer tiden som funksjon av ladningen.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
t, y, Q0 = sp.symbols("t y Q0", positive=True)
Q = Q0*(1-sp.exp(-sp.Rational(23,10)*t))
Q_inverse = -sp.log(1-y/Q0)/sp.Rational(23,10)
solutions = [Q_inverse]
composition = sp.simplify(Q.subs(t,Q_inverse))
print("Q(t) =", Q)
print("Solutions for t =", solutions)
print("Chosen inverse =", Q_inverse)
print("Q(Q inverse(y)) =", composition)
print("Inverse domain: 0 <= y < Q0")
Utskrift fra Python:
Q(t) = Q0*(1 - exp(-23*t/10))
Solutions for t = [-10*log(1 - y/Q0)/23]
Chosen inverse = -10*log(1 - y/Q0)/23
Q(Q inverse(y)) = y
Inverse domain: 0 <= y < Q0

Fasit: \(Q^{-1}(y)=-\dfrac1{2.3}\ln\left(1-\dfrac{y}{Q_0}\right)\).

Vanlig feil: Å glemme det ytre minustegnet.
Sensorpunkt: Riktig isolering, logaritme og domene skal være med.
Del 2 - Oppgave 2bEksponentiallikning i kontekst

Oppgave 2b

Oppgave: Hvor lang tid tar det før blitsen har 90 prosent av maksimal ladning?
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skal sette \(Q(t)=0.9Q_0\) og løse eksponentiallikningen.

Steg 1 - Sett inn 90 prosent

\[0.9Q_0=Q_0(1-e^{-2.3t}).\]

Steg 2 - Forkort

\[0.9=1-e^{-2.3t}.\]

Steg 3 - Isoler

\[e^{-2.3t}=0.1.\]

Steg 4 - Logaritme

\[-2.3t=\ln0.1=-\ln10.\]

Steg 5 - Tid

\[t=\frac{\ln10}{2.3}\approx1.001.\]

Steg 6 - Tolk

Blitsen er 90 prosent oppladet etter omtrent 1.00 sekund.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS/grafikk
1
Solve[0.9=1-exp(-2.3t),t]
\(t=\ln(10)/2.3\approx1.001\)

Tolkning: Q0 forkortes fra likningen.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
t = sp.symbols("t", nonnegative=True)
exact = sp.log(10)/sp.Rational(23,10)
numeric = sp.N(exact, 12)
charge_fraction = 1-sp.exp(-sp.Rational(23,10)*exact)
print("Exact time =", exact)
print("Time in seconds =", numeric)
print("Charge fraction =", sp.simplify(charge_fraction))
print("Rounded time =", round(float(numeric),2), "s")
Utskrift fra Python:
Exact time = 10*log(10)/23
Time in seconds = 1.00112395348
Charge fraction = 9/10
Rounded time = 1.0 s

Fasit: Omtrent \(1.00\) s.

Vanlig feil: Å bruke \(Q=90\) uten å ta hensyn til Q0.
Sensorpunkt: Likning, eksakt form og enhet skal framgå.
Del 2 - Oppgave 3aParameterframstilling

Oppgave 3a

Oppgave: Vis at \(C(24,10)\) ligger på strålen \(\ell:(x,y)=(12t,5t)\), \(t>0\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skal finne en felles positiv parameterverdi som gir begge koordinatene.

Steg 1 - x-koordinaten

\(12t=24\) gir \(t=2\).

Steg 2 - y-kontroll

Med \(t=2\) blir \(5t=10\).

Steg 3 - Parameterkrav

Parameteren 2 er positiv.

Steg 4 - Konklusjon

Begge koordinatlikningene oppfylles av samme gyldige t.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS/grafikk
1
Solve[{12t=24,5t=10},t]
\(t=2\)

Tolkning: Samme positive t oppfyller begge koordinatlikningene.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
t = sp.symbols("t", real=True)
solution_x = sp.solve(sp.Eq(12*t,24),t)
solution_y = sp.solve(sp.Eq(5*t,10),t)
point_at_two = (12*2,5*2)
print("Solution from x =", solution_x)
print("Solution from y =", solution_y)
print("Point at t=2 =", point_at_two)
print("t is positive:", 2 > 0)
print("C lies on ray:", point_at_two == (24,10))
Utskrift fra Python:
Solution from x = [2]
Solution from y = [2]
Point at t=2 = (24, 10)
t is positive: True
C lies on ray: True

Fasit: \(C\) ligger på \(\ell\) fordi \(t=2\).

Vanlig feil: Å kontrollere bare én koordinat.
Sensorpunkt: Begge koordinater og \(t>0\) skal kontrolleres.
Del 2 - Oppgave 3bVinkel mellom vektorer

Oppgave 3b

Oppgave: Bruk vektorregning til å bestemme \(\angle BAC\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skal bruke skalarproduktet på \(\overrightarrow{AB}\) og \(\overrightarrow{AC}\).

Steg 1 - Vektorene

\[\overrightarrow{AB}=(9,1),\quad\overrightarrow{AC}=(24,10).\]

Steg 2 - Skalarprodukt

\[9\cdot24+1\cdot10=226.\]

Steg 3 - Lengder

\(|AB|=\sqrt{82}\) og \(|AC|=26\).

Steg 4 - Cosinus

\[\cos\theta=\frac{226}{26\sqrt{82}}=\frac{113}{13\sqrt{82}}.\]

Steg 5 - Vinkel

\[\theta\approx16.28^{\circ}.\]

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS/grafikk
1
Angle[Vector[(0,0),(9,1)],Vector[(0,0),(24,10)]]
\(16.28^{\circ}\)

Tolkning: GeoGebra beregner vinkelen mellom vektorene.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
AB = sp.Matrix([9,1])
AC = sp.Matrix([24,10])
dot = AB.dot(AC)
length_AB = sp.sqrt(AB.dot(AB))
length_AC = sp.sqrt(AC.dot(AC))
cos_angle = sp.simplify(dot/(length_AB*length_AC))
angle_deg = sp.N(sp.acos(cos_angle)*180/sp.pi, 12)
print("AB =", tuple(AB))
print("AC =", tuple(AC))
print("Dot product =", dot)
print("Lengths =", length_AB, length_AC)
print("cos(angle) =", cos_angle)
print("angle =", angle_deg, "degrees")
Utskrift fra Python:
AB = (9, 1)
AC = (24, 10)
Dot product = 226
Lengths = sqrt(82) 26
cos(angle) = 113*sqrt(82)/1066
angle = 16.2796732021 degrees

Fasit: \(\angle BAC\approx16.28^{\circ}\).

Vanlig feil: Å blande vektorretningene og få supplementvinkelen.
Sensorpunkt: Vektorer, skalarprodukt, lengder og inverse cosinus skal vises.
Del 2 - Oppgave 3cVektorlikning med vinkelkrav

Oppgave 3c

Oppgave: Punktet D ligger på \(\ell\) og \(\angle ADB=120^{\circ}\). Bestem koordinatene til D.
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skal skrive D med parameter t og bruke skalarproduktformelen.

Steg 1 - Parameter

\[D=(12t,5t),\quad t>0.\]

Steg 2 - Vektorene

\[\overrightarrow{DA}=(-12t,-5t),\quad\overrightarrow{DB}=(9-12t,1-5t).\]

Steg 3 - Vinkelbetingelse

\[DA\cdot DB=-\frac12|DA||DB|.\]

Steg 4 - Kandidater

Etter kvadrering får vi \[t=\frac{113\pm11\sqrt3}{169}.\]

Steg 5 - Fortegnskontroll

Plussløsningen gir 60 grader. Minusløsningen gir 120 grader.

Steg 6 - Koordinater

\[D=\left(\frac{1356-132\sqrt3}{169},\frac{565-55\sqrt3}{169}\right)\approx(6.671,2.780).\]

Geometrisk plassering av C, D og E på strålen.
Geometrisk plassering av C, D og E på strålen.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS/grafikk
1
Solve[Angle[(0,0),(12t,5t),(9,1)]=120deg,t]
\(t=(113-11\sqrt3)/169\)

Tolkning: Fortegnet skiller 120-gradersløsningen fra 60-gradersløsningen.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
t = sp.symbols("t", positive=True)
A = sp.Matrix([0,0]); B = sp.Matrix([9,1]); D = sp.Matrix([12*t,5*t])
DA = A-D; DB = B-D
squared = sp.factor((DA.dot(DB))**2-sp.Rational(1,4)*(DA.dot(DA))*(DB.dot(DB)))
candidates = sp.solve(sp.Eq(squared,0),t)
print("Squared equation =", squared)
print("Candidates =", candidates)
for value in candidates:
    cosine = sp.simplify((DA.dot(DB)/(sp.sqrt(DA.dot(DA))*sp.sqrt(DB.dot(DB)))).subs(t,value))
    angle = sp.N(sp.acos(cosine)*180/sp.pi,10)
    print("t =", value, "D =", tuple(D.subs(t,value)), "angle =", angle)
chosen = candidates[0]
print("Chosen D approx =", tuple(sp.N(v,8) for v in D.subs(t,chosen)))
Utskrift fra Python:
Squared equation = 3*t**2*(28561*t**2 - 38194*t + 12406)/4
Candidates = [113/169 - 11*sqrt(3)/169, 11*sqrt(3)/169 + 113/169]
t = 113/169 - 11*sqrt(3)/169 D = (1356/169 - 132*sqrt(3)/169, 565/169 - 55*sqrt(3)/169) angle = 120.0000000
t = 11*sqrt(3)/169 + 113/169 D = (132*sqrt(3)/169 + 1356/169, 55*sqrt(3)/169 + 565/169) angle = 60.00000000
Chosen D approx = (6.6708242, 2.7795101)

Fasit: \(D=\left(\dfrac{1356-132\sqrt3}{169},\dfrac{565-55\sqrt3}{169}\right)\).

Vanlig feil: Å beholde begge kandidater etter kvadrering.
Sensorpunkt: Fortegnskontrollen etter kvadrering er avgjørende.
Del 2 - Oppgave 3dAreal ved determinant

Oppgave 3d

Oppgave: Punktet E ligger på \(\ell\), og arealet av \(\triangle ABE\) er 11. Bestem E eksakt.
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skal bruke determinantformelen og parameterframstillingen til E.

Steg 1 - Parameter

\[E=(12t,5t),\quad t>0.\]

Steg 2 - Areal

\[A=\frac12\left|\det\begin{pmatrix}9&1\12t&5t\end{pmatrix}\right|.\]

Steg 3 - Determinant

Determinanten er \(45t-12t=33t\), så arealet er \(33t/2\).

Steg 4 - Løs

\[33t/2=11\Rightarrow t=2/3.\]

Steg 5 - Punkt

\[E=(8,10/3).\]

Steg 6 - Kontroll

Determinanten blir 22, og halvparten er 11.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS/grafikk
1
Solve[abs(Det({{9,1},{12t,5t}}))/2=11,t]
\(t=2/3\)

Tolkning: Arealbetingelsen gir en entydig positiv parameter.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
t = sp.symbols("t", positive=True)
B = sp.Matrix([9,1])
E = sp.Matrix([12*t,5*t])
determinant = sp.det(sp.Matrix([[B[0],B[1]],[E[0],E[1]]]))
area = sp.simplify(abs(determinant)/2)
solution = sp.solve(sp.Eq(area,11),t)
point = E.subs(t,solution[0])
print("Determinant =", determinant)
print("Area expression =", area)
print("t =", solution[0])
print("E =", tuple(point))
print("Area check =", area.subs(t,solution[0]))
Utskrift fra Python:
Determinant = 33*t
Area expression = 33*t/2
t = 2/3
E = (8, 10/3)
Area check = 11

Fasit: \(E=\left(8,\dfrac{10}{3}\right)\).

Vanlig feil: Å glemme faktoren \(1/2\).
Sensorpunkt: Eksakt parameter, koordinater og kontroll skal vises.
Del 2 - Oppgave 4aLogisk påstand og moteksempel

Oppgave 4a

Oppgave: Avgjør om påstanden er sann: Hvis \(f(a)=f(b)\), så er \(a=b\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skal avgjøre om påstanden gjelder for alle funksjoner.

Steg 1 - Egenskapen

Påstanden beskriver injektivitet, men ikke alle funksjoner er injektive.

Steg 2 - Moteksempel

La \(f(x)=x^2\), \(a=1\) og \(b=-1\).

Steg 3 - Funksjonsverdier

\(f(1)=1\) og \(f(-1)=1\).

Steg 4 - Inputene

Likevel er \(1\ne-1\).

Steg 5 - Konklusjon

Påstanden er usann generelt, men sann for injektive funksjoner.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS/grafikk
1
Solve[x^2=1,x]
\(x=-1\) eller \(x=1\)

Tolkning: Kvadratfunksjonen gir et direkte moteksempel.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
x = sp.symbols("x", real=True)
f = x**2
a = 1
b = -1
print("f(x) =", f)
print("a =", a, "b =", b)
print("f(a) =", f.subs(x,a))
print("f(b) =", f.subs(x,b))
print("f(a) == f(b):", f.subs(x,a) == f.subs(x,b))
print("a == b:", a == b)
print("Statement valid for all functions: False")
Utskrift fra Python:
f(x) = x**2
a = 1 b = -1
f(a) = 1
f(b) = 1
f(a) == f(b): True
a == b: False
Statement valid for all functions: False

Fasit: Usann. Et moteksempel er \(f(x)=x^2\), \(a=1\), \(b=-1\).

Vanlig feil: Å anta at alle funksjoner er en-til-en.
Sensorpunkt: Ett gyldig moteksempel er nok til å avkrefte påstanden.
Del 2 - Oppgave 4bMonotoni til logaritmen

Oppgave 4b

Oppgave: Avgjør om påstanden er sann: Hvis \(0<a<b\), så er \(\ln a<\ln b\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skal bruke monotoniegenskapen til den naturlige logaritmen.

Steg 1 - Domene

Betingelsen sikrer at begge logaritmene er definert.

Steg 2 - Deriver

\[(\ln x)^{\prime}=1/x.\]

Steg 3 - Fortegn

For \(x>0\) er \(1/x>0\).

Steg 4 - Monotoni

Dermed er \(\ln x\) strengt voksende på \((0,\infty)\).

Steg 5 - Konklusjon

En strengt voksende funksjon bevarer streng ulikhet.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS/grafikk
1
Derivative[ln(x)]
\(1/x>0\) for \(x>0\)

Tolkning: Positiv derivert viser at ln er strengt voksende.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
x = sp.symbols("x", positive=True)
derivative = sp.diff(sp.log(x),x)
print("Derivative of ln(x) =", derivative)
for a,b in [(sp.Rational(1,2),2),(2,3),(10,100)]:
    difference = sp.N(sp.log(b)-sp.log(a),12)
    print("a =", a, "b =", b, "ln(b)-ln(a) =", difference)
print("Derivative positive on x>0: True")
print("Therefore ln is strictly increasing")
Utskrift fra Python:
Derivative of ln(x) = 1/x
a = 1/2 b = 2 ln(b)-ln(a) = 1.38629436112
a = 2 b = 3 ln(b)-ln(a) = 0.405465108108
a = 10 b = 100 ln(b)-ln(a) = 2.30258509299
Derivative positive on x>0: True
Therefore ln is strictly increasing

Fasit: Sann. \(\ln x\) er strengt voksende for \(x>0\).

Vanlig feil: Å glemme at logaritmen krever positive argumenter.
Sensorpunkt: Den positive deriverte gir en generell begrunnelse.
Del 2 - Oppgave 4cDerivasjon av logaritme med konstant faktor

Oppgave 4c

Oppgave: Avgjør om påstanden er sann: Hvis \(a>0\) og \(x>0\), så er \((\ln x)^{\prime}=(\ln(ax))^{\prime}\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skal derivere begge sider og bruke at a er en positiv konstant.

Steg 1 - Venstre side

\[(\ln x)^{\prime}=1/x.\]

Steg 2 - Logaritmeregel

\(\ln(ax)=\ln a+\ln x\).

Steg 3 - Deriver

\(\ln a\) er konstant, så \[(\ln(ax))^{\prime}=0+1/x.\]

Steg 4 - Alternativ kontroll

Kjerneregelen gir \((1/(ax))\cdot a=1/x\).

Steg 5 - Konklusjon

De to deriverte er like for alle \(a>0\), \(x>0\).

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS/grafikk
1
Simplify[Derivative[ln(a*x),x]-Derivative[ln(x),x]]
\(0\)

Tolkning: Forskjellen mellom de deriverte er null.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
x, a = sp.symbols("x a", positive=True)
left = sp.diff(sp.log(x),x)
right = sp.diff(sp.log(a*x),x)
difference = sp.simplify(right-left)
expanded = sp.expand_log(sp.log(a*x), force=True)
print("Left derivative =", left)
print("ln(a*x) expanded =", expanded)
print("Right derivative =", right)
print("Difference =", difference)
print("Statement true:", difference == 0)
Utskrift fra Python:
Left derivative = 1/x
ln(a*x) expanded = log(a) + log(x)
Right derivative = 1/x
Difference = 0
Statement true: True

Fasit: Sann. Begge deriverte er \(1/x\).

Vanlig feil: Å behandle a som en funksjon av x.
Sensorpunkt: Domenet og konstantrollen til a bør nevnes.
Del 2 - Oppgave 5aTangent og trekantareal

Oppgave 5a

Oppgave: For \(f(x)=1-x^2\) og \(P=(1/2,3/4)\): Bestem arealet av \(\triangle OAB\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skal finne tangentlikningen, akseavskjæringene og arealet.

Steg 1 - Deriver

\(f^{\prime}(x)=-2x\), så stigningstallet ved \(x=1/2\) er -1.

Steg 2 - Tangent

\[y-3/4=-1(x-1/2)\Rightarrow y=-x+5/4.\]

Steg 3 - y-akse

\(B=(0,5/4)\).

Steg 4 - x-akse

\(A=(5/4,0)\).

Steg 5 - Areal

\[A_{OAB}=\frac12\cdot\frac54\cdot\frac54=\frac{25}{32}.\]

Figuren fra originaleksamen.
Figuren fra originaleksamen.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS/grafikk
1
Tangent[1/2,1-x^2]
\(y=-x+5/4\)

Tolkning: Tangenten skjærer begge aksene i avstanden 5/4.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
x = sp.symbols("x", real=True)
f = 1-x**2
a = sp.Rational(1,2)
point_y = f.subs(x,a)
slope = sp.diff(f,x).subs(x,a)
tangent = sp.expand(point_y+slope*(x-a))
y_intercept = tangent.subs(x,0)
x_intercept = sp.solve(sp.Eq(tangent,0),x)[0]
area = sp.simplify(sp.Rational(1,2)*x_intercept*y_intercept)
print("P =", (a,point_y))
print("Slope =", slope)
print("Tangent y =", tangent)
print("A =", (x_intercept,0))
print("B =", (0,y_intercept))
print("Area =", area)
print("Area decimal =", sp.N(area,10))
Utskrift fra Python:
P = (1/2, 3/4)
Slope = -1
Tangent y = 5/4 - x
A = (5/4, 0)
B = (0, 5/4)
Area = 25/32
Area decimal = 0.7812500000

Fasit: \(A_{OAB}=\dfrac{25}{32}\).

Vanlig feil: Å bruke P som hjørne i trekanten.
Sensorpunkt: Tangent, avskjæringer og eksakt areal skal vises.
Del 2 - Oppgave 5bOptimering av tangentareal

Oppgave 5b

Oppgave: Bestem det minste arealet \(\triangle OAB\) kan ha når \(0<a<1\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skal uttrykke arealet som en funksjon av a og minimere den.

Steg 1 - Generell tangent

Tangenten i \(P=(a,1-a^2)\) er \[y=-2ax+1+a^2.\]

Steg 2 - Avskjæringer

\[B=(0,1+a^2),\quad A=((1+a^2)/(2a),0).\]

Steg 3 - Arealfunksjon

\[F(a)=\frac{(1+a^2)^2}{4a}.\]

Steg 4 - Deriver

\[F^{\prime}(a)=\frac{(1+a^2)(3a^2-1)}{4a^2}.\]

Steg 5 - Kritisk punkt

I \((0,1)\) får vi \(a=1/\sqrt3\).

Steg 6 - Minimum

\[F(1/\sqrt3)=4\sqrt3/9\approx0.7698.\] Den deriverte skifter fra minus til pluss.

Tangenttrekanten ved minimumsverdien.
Tangenttrekanten ved minimumsverdien.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS/grafikk
1
Extremum[(1+a^2)^2/(4a),0<a<1]
\(a=1/\sqrt3\), \(F_{min}=4\sqrt3/9\)

Tolkning: CAS finner det indre minimumspunktet.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
a = sp.symbols("a", positive=True)
area = (1+a**2)**2/(4*a)
derivative = sp.factor(sp.diff(area,a))
critical = sp.solve(sp.Eq(derivative,0),a)
valid = [v for v in critical if 0 < float(v) < 1]
minimum_a = valid[0]
minimum_area = sp.simplify(area.subs(a,minimum_a))
print("Area function =", area)
print("Derivative =", derivative)
print("Critical points =", critical)
print("Valid a =", minimum_a)
print("Minimum area =", minimum_area)
print("Minimum area decimal =", sp.N(minimum_area,12))
Utskrift fra Python:
Area function = (a**2 + 1)**2/(4*a)
Derivative = (a**2 + 1)*(3*a**2 - 1)/(4*a**2)
Critical points = [sqrt(3)/3]
Valid a = sqrt(3)/3
Minimum area = 4*sqrt(3)/9
Minimum area decimal = 0.769800358919

Fasit: Minste areal er \(4\sqrt3/9\), ved \(a=1/\sqrt3\).

Vanlig feil: Å ikke kontrollere intervallet eller minimumskarakteren.
Sensorpunkt: Arealfunksjon, derivasjon og minimumskontroll kreves.
Del 2 - Oppgave 6Programmering med vektorer

Oppgave 6

Oppgave: Lag et program som leser koordinatene til A, B og C og skriver ut tyngdepunktet \(T\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skal implementere formelen \(T=(A+B+C)/3\) komponentvis.

Steg 1 - Formel

\[T=\left(\frac{x_A+x_B+x_C}{3},\frac{y_A+y_B+y_C}{3}\right).\]

Steg 2 - Representasjon

Punktene lagres som tupler med to koordinater.

Steg 3 - Validering

Programmet kontrollerer at hvert punkt har to koordinater.

Steg 4 - Beregning

x- og y-koordinatene summeres separat og deles på 3.

Steg 5 - Test

Med \(A=(0,0)\), \(B=(9,1)\), \(C=(24,10)\) blir \(T=(11,11/3)\).

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS/grafikk
1
T=(A+B+C)/3
\(T=((x_A+x_B+x_C)/3,(y_A+y_B+y_C)/3)\)

Tolkning: Vektorformelen beregnes komponentvis.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
from fractions import Fraction

def centroid(A, B, C):
    points = (A, B, C)
    if any(len(point) != 2 for point in points):
        raise ValueError("Each point must have two coordinates")
    x_coordinate = sum(point[0] for point in points) / 3
    y_coordinate = sum(point[1] for point in points) / 3
    return (x_coordinate, y_coordinate)

A = (Fraction(0), Fraction(0))
B = (Fraction(9), Fraction(1))
C = (Fraction(24), Fraction(10))
T = centroid(A, B, C)
print("A =", A)
print("B =", B)
print("C =", C)
print("Centroid T =", T)
print("Decimal T =", tuple(float(value) for value in T))
Utskrift fra Python:
A = (Fraction(0, 1), Fraction(0, 1))
B = (Fraction(9, 1), Fraction(1, 1))
C = (Fraction(24, 1), Fraction(10, 1))
Centroid T = (Fraction(11, 1), Fraction(11, 3))
Decimal T = (11.0, 3.6666666666666665)

Fasit: Programmet skal beregne \(T=((x_A+x_B+x_C)/3,(y_A+y_B+y_C)/3)\).

Vanlig feil: Å dividere bare én koordinat eller bare det siste punktet med 3.
Sensorpunkt: Programmet skal være kjørbart, generelt og skrive ut begge koordinater.
Del 2 - Oppgave 7aVerdimengde til en derivert

Oppgave 7a

Oppgave: For \(f(x)=2x+5+1/(x-1)\): For hvilke k har \(f^{\prime}(x)=k\) løsning?
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skal bestemme verdimengden til den deriverte.

Steg 1 - Deriver

\[f^{\prime}(x)=2-\frac1{(x-1)^2}.\]

Steg 2 - Øvre grense

Brøken er positiv, så \(f^{\prime}(x)<2\).

Steg 3 - Løs generelt

\[(x-1)^2=1/(2-k).\]

Steg 4 - Reell betingelse

Høyresiden må være positiv, altså \(k<2\).

Steg 5 - Endepunkt

\(k=2\) oppnås aldri, fordi brøken aldri er null.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS/grafikk
1
Solve[2-1/(x-1)^2=k,x]
\(x=1\pm1/\sqrt{2-k}\), krever \(k<2\)

Tolkning: Løsningene er reelle akkurat når k er mindre enn 2.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
x, k = sp.symbols("x k", real=True)
f = 2*x+5+1/(x-1)
f_prime = sp.simplify(sp.diff(f,x))
solutions = sp.solve(sp.Eq(f_prime,k),x)
print("f(x) =", f)
print("f'(x) =", f_prime)
print("Formal solutions =", solutions)
print("Reality condition: 2-k > 0")
print("Therefore k < 2")
for value in [1,0,-2]:
    print("k =", value, "solutions =", sp.solve(sp.Eq(f_prime,value),x))
Utskrift fra Python:
f(x) = 2*x + 5 + 1/(x - 1)
f'(x) = 2 - 1/(x - 1)**2
Formal solutions = [1 - 1/sqrt(2 - k), 1 + 1/sqrt(2 - k)]
Reality condition: 2-k > 0
Therefore k < 2
k = 1 solutions = [0, 2]
k = 0 solutions = [1 - sqrt(2)/2, sqrt(2)/2 + 1]
k = -2 solutions = [1/2, 3/2]

Fasit: Likningen har løsning akkurat når \(k<2\).

Vanlig feil: Å inkludere \(k=2\) fordi grafen nærmer seg 2.
Sensorpunkt: Forskjellen mellom grenseverdi og oppnådd verdi skal være tydelig.
Del 2 - Oppgave 7bSymmetri i løsninger

Oppgave 7b

Oppgave: Velg ulike k-verdier og beskriv symmetrien i løsningene til \(f^{\prime}(x)=k\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skal finne den generelle løsningen og tolke de to røttene.

Steg 1 - Likningen

\[2-1/(x-1)^2=k.\]

Steg 2 - Løsning

For \(k<2\): \[x=1\pm1/\sqrt{2-k}.\]

Steg 3 - Symmetrilinje

Gjennomsnittet av røttene er 1.

Steg 4 - Eksempler

For \(k=1\): \(x=0,2\). For \(k=0\): \(x=1\pm1/\sqrt2\).

Steg 5 - Konklusjon

Alle løsningspar er symmetriske om \(x=1\).

Grafisk kontroll av symmetrien.
Grafisk kontroll av symmetrien.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS/grafikk
1
Solve[2-1/(x-1)^2=k,x]
\(x=1\pm1/\sqrt{2-k}\)

Tolkning: Pluss- og minusløsningen har samme avstand fra x=1.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
x = sp.symbols("x", real=True)
f_prime = 2-1/(x-1)**2
for k_value in [1,0,-2]:
    roots = sp.solve(sp.Eq(f_prime,k_value),x)
    midpoint = sp.simplify(sum(roots)/2)
    distances = [sp.simplify(abs(root-midpoint)) for root in roots]
    print("k =", k_value)
    print("roots =", roots)
    print("midpoint =", midpoint)
    print("distances =", distances)
print("All pairs are symmetric about x=1")
Utskrift fra Python:
k = 1
roots = [0, 2]
midpoint = 1
distances = [1, 1]
k = 0
roots = [1 - sqrt(2)/2, sqrt(2)/2 + 1]
midpoint = 1
distances = [sqrt(2)/2, sqrt(2)/2]
k = -2
roots = [1/2, 3/2]
midpoint = 1
distances = [1/2, 1/2]
All pairs are symmetric about x=1

Fasit: For hvert \(k<2\) er løsningene symmetriske om \(x=1\).

Vanlig feil: Å beskrive bare ett eksempel uten generell form.
Sensorpunkt: Generell form og konkrete eksempler gir en fullgod utforsking.
Del 2 - Oppgave 7cParameterbetingelse for reelle løsninger

Oppgave 7c

Oppgave: For \(g(x)=ax+b+1/(x+d)\): For hvilke a har \(g^{\prime}(x)=4\) løsning?
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skal derivere og avgjøre når den resulterende likningen har reelle løsninger.

Steg 1 - Deriver

\[g^{\prime}(x)=a-1/(x+d)^2.\]

Steg 2 - Sett lik 4

\[1/(x+d)^2=a-4.\]

Steg 3 - Positivitet

Venstresiden er strengt positiv for \(x\ne-d\).

Steg 4 - Betingelse

Derfor må \(a-4>0\).

Steg 5 - Konklusjon

Det finnes to reelle løsninger når \(a>4\). Ved \(a=4\) er likningen umulig.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS/grafikk
1
Solve[a-1/(x+d)^2=4,x]
\(x=-d\pm1/\sqrt{a-4}\)

Tolkning: Reelle løsninger krever a-4 positiv.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
x, a, d = sp.symbols("x a d", real=True)
g_prime = a-1/(x+d)**2
formal_solutions = sp.solve(sp.Eq(g_prime,4),x)
print("g'(x) =", g_prime)
print("Formal solutions =", formal_solutions)
print("Condition for real roots: a-4 > 0")
for a_value in [3,4,5,8]:
    roots = sp.solve(sp.Eq(g_prime.subs({a:a_value,d:2}),4),x)
    print("a =", a_value, "roots for d=2:", roots)
print("Conclusion: a > 4")
Utskrift fra Python:
g'(x) = a - 1/(d + x)**2
Formal solutions = [-d - 1/sqrt(a - 4), -d + 1/sqrt(a - 4)]
Condition for real roots: a-4 > 0
a = 3 roots for d=2: []
a = 4 roots for d=2: []
a = 5 roots for d=2: [-3, -1]
a = 8 roots for d=2: [-5/2, -3/2]
Conclusion: a > 4

Fasit: \(a>4\).

Vanlig feil: Å skrive \(a\ge4\); likhet gir ingen endelig x.
Sensorpunkt: Streng ulikhet og likhetstilfellet er viktig.
Del 2 - Oppgave 7dUtforsking av parameterfamilie

Oppgave 7d

Oppgave: La \(a=3\). Utforsk og beskriv løsningene til \(g^{\prime}(x)=k\) for ulike k.
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skal finne generell form, antall løsninger og symmetri.

Steg 1 - Derivert

\[g^{\prime}(x)=3-1/(x+d)^2.\]

Steg 2 - Løs

\[(x+d)^2=1/(3-k).\]

Steg 3 - Antall

For \(k<3\) finnes to løsninger. For \(k\ge3\) finnes ingen.

Steg 4 - Form

\[x=-d\pm1/\sqrt{3-k}.\]

Steg 5 - Symmetri

Løsningene er symmetriske om \(x=-d\).

Steg 6 - Variasjon

Når \(k\to3^-\), går løsningene langt fra asymptoten. Når k blir svært negativ, nærmer de seg asymptoten.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS/grafikk
1
Solve[3-1/(x+d)^2=k,x]
\(x=-d\pm1/\sqrt{3-k}\), \(k<3\)

Tolkning: Løsningene danner symmetriske par omkring x=-d.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
x, d = sp.symbols("x d", real=True)
g_prime = 3-1/(x+d)**2
for k_value in [2,1,-1]:
    roots = sp.solve(sp.Eq(g_prime,k_value),x)
    midpoint = sp.simplify(sum(roots)/2)
    print("k =", k_value)
    print("roots =", roots)
    print("midpoint =", midpoint)
print("k=3 roots =", sp.solve(sp.Eq(g_prime,3),x))
print("k=4 roots =", sp.solve(sp.Eq(g_prime,4),x))
print("Real solutions occur exactly for k < 3")
Utskrift fra Python:
k = 2
roots = [1 - d, -d - 1]
midpoint = -d
k = 1
roots = [-d - sqrt(2)/2, -d + sqrt(2)/2]
midpoint = -d
k = -1
roots = [1/2 - d, -d - 1/2]
midpoint = -d
k=3 roots = []
k=4 roots = []
Real solutions occur exactly for k < 3

Fasit: For \(k<3\): to løsninger. For \(k\ge3\): ingen.

Vanlig feil: Å si at \(k=3\) gir én løsning.
Sensorpunkt: Antall, generell form og symmetri skal beskrives.
Del 2 - Oppgave 7eBestemmelse av parametere

Oppgave 7e

Oppgave: La \(a=3\). Bestem b og d slik at \(g^{\prime}(-1)=g^{\prime}(5)\) og \(g(1)=7\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skal først finne d fra den deriverte og deretter b fra funksjonsverdien.

Steg 1 - Derivert

\[g^{\prime}(x)=3-1/(x+d)^2.\]

Steg 2 - Likhet

\[(d-1)^2=(d+5)^2.\]

Steg 3 - Finn d

Samme fortegn er umulig. Motsatt fortegn gir \(d-1=-(d+5)\), altså \(d=-2\).

Steg 4 - Sett inn

\[g(x)=3x+b+1/(x-2).\]

Steg 5 - Bruk g(1)=7

\[3+b-1=7\Rightarrow b=5.\]

Steg 6 - Kontroll

\(g^{\prime}(-1)=g^{\prime}(5)=3-1/9\), og \(g(1)=7\).

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS/grafikk
1
Solve[{3-1/(-1+d)^2=3-1/(5+d)^2,3+b+1/(1+d)=7},{b,d}]
\(b=5,\ d=-2\)

Tolkning: Systemet oppfyller begge betingelsene.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
b, d, x = sp.symbols("b d x", real=True)
g = 3*x+b+1/(x+d)
g_prime = sp.diff(g,x)
equation_one = sp.Eq(g_prime.subs(x,-1),g_prime.subs(x,5))
equation_two = sp.Eq(g.subs(x,1),7)
solutions = sp.solve([equation_one,equation_two],[b,d], dict=True)
print("g(x) =", g)
print("g'(x) =", g_prime)
print("Equation 1 =", equation_one)
print("Equation 2 =", equation_two)
print("Solutions =", solutions)
chosen = solutions[0]
print("g(1) check =", sp.simplify(g.subs(chosen).subs(x,1)))
print("Derivative difference =", sp.simplify(g_prime.subs(chosen).subs(x,-1)-g_prime.subs(chosen).subs(x,5)))
Utskrift fra Python:
g(x) = b + 3*x + 1/(d + x)
g'(x) = 3 - 1/(d + x)**2
Equation 1 = Eq(3 - 1/(d - 1)**2, 3 - 1/(d + 5)**2)
Equation 2 = Eq(b + 3 + 1/(d + 1), 7)
Solutions = [{b: 5, d: -2}]
g(1) check = 7
Derivative difference = 0

Fasit: \(b=5\) og \(d=-2\).

Vanlig feil: Å bruke bare samme fortegn når kvadratene settes lik hverandre.
Sensorpunkt: Begge betingelser skal brukes og kontrolleres.
Kilde og metode: Oppgavetekstene er transkribert fra Utdanningsdirektoratets eksamenssett REA3056 Matematikk R1, høsten 2022 (LK20). Løsningene er originale. Alle Python-blokker er kjørt ved generering, og lagret utskrift er hentet direkte fra kjøringen.