R1 eksamenVår 2022

Matematikk R1 eksamen – vår 2022

ifingo
Norsk (Bokmål)

ifingo · Matematikk R1

Matematikk R1 - våren 2022, K06 (REA3022)

Løsningsforslag til eksamenssettet fra Utdanningsdirektoratet.

Del 1 - uten hjelpemidler

Del 1 - Oppgave 1aDerivasjon av potens og logaritme

Oppgave 1a

Oppgave: Deriver funksjonen \[f(x)=x^2+\ln x.\]
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi må derivere ledd for ledd og samtidig ta hensyn til definisjonsmengden til logaritmen.

Steg 1 – Definisjonsmengde

Fordi \(\ln x\) inngår, må \(x>0\).

Steg 2 – Potensregelen

Den deriverte av \(x^2\) er \(2x\).

Steg 3 – Logaritmeregelen

Den deriverte av \(\ln x\) er \(1/x\).

Steg 4 – Samle leddene

\[f\prime(x)=2x+\frac1x.\]

Steg 5 – Alternativ brøkform

\[f\prime(x)=\frac{2x^2+1}{x},\qquad x>0.\]

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS
1
Derivative[x^2+ln(x)]
\(2x+1/x\)

Tolkning: CAS deriverer begge ledd og beholder domenet x>0.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
x = sp.symbols("x", positive=True)
f = x**2 + sp.log(x)
f_prime = sp.diff(f, x)
expected = 2*x + 1/x
print("f(x) =", f)
print("f'(x) =", f_prime)
print("Expected =", expected)
print("Difference =", sp.simplify(f_prime-expected))
print("Domain: x > 0")
Utskrift fra Python:
f(x) = x**2 + log(x)
f'(x) = 2*x + 1/x
Expected = 2*x + 1/x
Difference = 0
Domain: x > 0

Fasit: \(f\prime(x)=2x+\dfrac1x\), for \(x>0\).

Vanlig feil: Å skrive den deriverte av ln(x) som ln(x).
Sensorpunkt: Både korrekt derivert og logaritmens domene skal framgå.
Del 1 - Oppgave 1bProduktregel og kjerneregel

Oppgave 1b

Oppgave: Deriver funksjonen \[g(x)=x\sqrt{1-2x}.\]
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Funksjonen er et produkt, og kvadratroten er en sammensatt funksjon.

Steg 1 – Domene

Vi må ha \(1-2x\ge0\), altså \(x\le1/2\).

Steg 2 – Velg faktorer

Sett \(u=x\) og \(v=(1-2x)^{1/2}\).

Steg 3 – Deriver faktorene

\(u\prime=1\), mens kjerneregelen gir \[v\prime=\frac12(1-2x)^{-1/2}(-2)=-\frac1{\sqrt{1-2x}}.\]

Steg 4 – Produktregelen

\[g\prime(x)=\sqrt{1-2x}-\frac{x}{\sqrt{1-2x}}.\]

Steg 5 – Felles nevner

\[g\prime(x)=\frac{1-2x-x}{\sqrt{1-2x}}=\frac{1-3x}{\sqrt{1-2x}}.\]

Steg 6 – Derivasjonsområde

Uttrykket for den deriverte gjelder for \(x<1/2\); ved endepunktet blir nevneren 0.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS
1
Derivative[x sqrt(1-2x)]
\((1-3x)/\sqrt{1-2x}\)

Tolkning: CAS kombinerer produktregelen og kjerneregelen.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
x = sp.symbols("x", real=True)
g = x*sp.sqrt(1-2*x)
g_prime = sp.simplify(sp.diff(g, x))
expected = (1-3*x)/sp.sqrt(1-2*x)
print("g(x) =", g)
print("g'(x) =", g_prime)
print("Expected =", expected)
print("Difference =", sp.simplify(g_prime-expected))
print("Function domain: x <= 1/2")
print("Derivative domain: x < 1/2")
Utskrift fra Python:
g(x) = x*sqrt(1 - 2*x)
g'(x) = (1 - 3*x)/sqrt(1 - 2*x)
Expected = (1 - 3*x)/sqrt(1 - 2*x)
Difference = 0
Function domain: x <= 1/2
Derivative domain: x < 1/2

Fasit: \(g\prime(x)=\dfrac{1-3x}{\sqrt{1-2x}}\) for \(x<1/2\).

Vanlig feil: Å glemme den indre deriverte -2.
Sensorpunkt: Produktregel, kjerneregel og riktig domene skal dokumenteres.
Del 1 - Oppgave 1cProduktregel og eksponentialfunksjon

Oppgave 1c

Oppgave: Deriver funksjonen \[h(x)=\frac{x}{e^{x^2}}.\]
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skriver brøken som et produkt med negativ eksponent og bruker produkt- og kjerneregel.

Steg 1 – Skriv om

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

Steg 2 – Deriver faktorene

Den deriverte av x er 1, og \[(e^{-x^2})\prime=-2x e^{-x^2}.\]

Steg 3 – Produktregelen

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

Steg 4 – Faktoriser

\[h\prime(x)=e^{-x^2}(1-2x^2).\]

Steg 5 – Skriv med samme nevner som originalen

\[h\prime(x)=\frac{1-2x^2}{e^{x^2}}.\]

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS
1
Derivative[x/exp(x^2)]
\((1-2x^2)/e^{x^2}\)

Tolkning: CAS bekrefter produkt- og kjerneregelen.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
x = sp.symbols("x", real=True)
h = x/sp.exp(x**2)
h_prime = sp.factor(sp.diff(h, x))
expected = (1-2*x**2)/sp.exp(x**2)
print("h(x) =", h)
print("h'(x) =", h_prime)
print("Expected =", expected)
print("Difference =", sp.simplify(h_prime-expected))
print("h'(0) =", h_prime.subs(x,0))
Utskrift fra Python:
h(x) = x*exp(-x**2)
h'(x) = -(2*x**2 - 1)*exp(-x**2)
Expected = (1 - 2*x**2)*exp(-x**2)
Difference = 0
h'(0) = 1

Fasit: \(h\prime(x)=\dfrac{1-2x^2}{e^{x^2}}\).

Vanlig feil: Å derivere nevneren uten kvotientregel eller omskriving.
Sensorpunkt: Den indre deriverte -2x må være med.
Del 1 - Oppgave 2aLogaritmelikning

Oppgave 2a

Oppgave: Løs likningen \[\lg(x^3)-2\lg x=3.\]
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi må først angi domenet og deretter bruke logaritmereglene.

Steg 1 – Domene

Begge logaritmene krever \(x>0\).

Steg 2 – Potensregelen

For positive x er \(\lg(x^3)=3\lg x\).

Steg 3 – Forenkle likningen

\[3\lg x-2\lg x=3\quad\Rightarrow\quad\lg x=3.\]

Steg 4 – Gå tilbake fra logaritme

\[x=10^3=1000.\]

Steg 5 – Kontroller

\(\lg(1000^3)-2\lg(1000)=9-6=3\).

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS
1
Solve[log(10,x^3)-2 log(10,x)=3,x]
\(x=1000\)

Tolkning: Løsningen oppfyller domenekravet x>0.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
x = sp.symbols("x", positive=True)
solution = sp.Integer(1000)
lhs = sp.log(solution**3,10)-2*sp.log(solution,10)
print("Domain: x > 0")
print("Reduced equation: log10(x) = 3")
print("Solution x =", solution)
print("Left side at x=1000 =", sp.simplify(lhs))
print("Equation satisfied =", sp.simplify(lhs-3)==0)
Utskrift fra Python:
Domain: x > 0
Reduced equation: log10(x) = 3
Solution x = 1000
Left side at x=1000 = 3
Equation satisfied = True

Fasit: \(x=1000\).

Vanlig feil: Å glemme at x må være positiv.
Sensorpunkt: Logaritmeregelen og domenekontrollen skal framgå.
Del 1 - Oppgave 2bEksponentiallikning med substitusjon

Oppgave 2b

Oppgave: Løs likningen \[e^x-2e^{-x}-1=0.\]
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi innfører en positiv hjelpevariabel for å få en andregradslikning.

Steg 1 – Substitusjon

Sett \(y=e^x\). Da er \(y>0\) og \(e^{-x}=1/y\).

Steg 2 – Sett inn

\[y-\frac2y-1=0.\]

Steg 3 – Multipliser med y

\[y^2-y-2=0.\]

Steg 4 – Faktoriser

\[(y-2)(y+1)=0.\]

Steg 5 – Bruk positiviteten

\(y=-1\) forkastes, mens \(y=2\).

Steg 6 – Tilbake til x

\[e^x=2\quad\Rightarrow\quad x=\ln2.\]

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS
1
Solve[exp(x)-2exp(-x)-1=0,x]
\(x=\ln2\)

Tolkning: CAS beholder bare den reelle løsningen som svarer til e^x>0.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
x, y = sp.symbols("x y", real=True)
quadratic = y**2-y-2
roots = sp.solve(sp.Eq(quadratic,0),y)
valid = [r for r in roots if r.is_positive]
solution = sp.log(valid[0])
print("Quadratic in y =", quadratic)
print("Roots for y =", roots)
print("Positive root =", valid[0])
print("Solution x =", solution)
print("Original left side =", sp.simplify(sp.exp(solution)-2*sp.exp(-solution)-1))
Utskrift fra Python:
Quadratic in y = y**2 - y - 2
Roots for y = [-1, 2]
Positive root = 2
Solution x = log(2)
Original left side = 0

Fasit: \(x=\ln2\).

Vanlig feil: Å godta y=-1 selv om y=e^x alltid er positiv.
Sensorpunkt: Substitusjonen og forkastingen av den ugyldige roten må forklares.
Del 1 - Oppgave 3aPolynomdivisjon

Oppgave 3a

Oppgave: Utfør polynomdivisjonen \[(x^3+2x^2-5x-6):(x-2).\]
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi dividerer leddvis og kontrollerer til slutt ved multiplikasjon.

Steg 1 – Første ledd

\(x^3/x=x^2\). Multipliser: \(x^2(x-2)=x^3-2x^2\).

Steg 2 – Trekk fra

Vi får \(4x^2-5x-6\).

Steg 3 – Neste ledd

\(4x^2/x=4x\). Multipliser: \(4x(x-2)=4x^2-8x\).

Steg 4 – Trekk fra igjen

Vi får \(3x-6\).

Steg 5 – Siste ledd

\((3x)/x=3\), og \(3(x-2)=3x-6\).

Steg 6 – Rest

Resten er 0, så kvotienten er \(x^2+4x+3\).

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS
1
Div[x^3+2x^2-5x-6,x-2]
\(x^2+4x+3\)

Tolkning: CAS viser kvotient uten rest.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
x = sp.symbols("x")
P = x**3+2*x**2-5*x-6
Q, R = sp.div(P,x-2)
print("Dividend =", P)
print("Divisor =", x-2)
print("Quotient =", Q)
print("Remainder =", R)
print("Reconstruction =", sp.expand((x-2)*Q+R))
print("Difference =", sp.expand(P-((x-2)*Q+R)))
Utskrift fra Python:
Dividend = x**3 + 2*x**2 - 5*x - 6
Divisor = x - 2
Quotient = x**2 + 4*x + 3
Remainder = 0
Reconstruction = x**3 + 2*x**2 - 5*x - 6
Difference = 0

Fasit: Kvotienten er \(x^2+4x+3\), og resten er 0.

Vanlig feil: Å miste fortegn når delproduktene trekkes fra.
Sensorpunkt: Alle divisjonstrinn eller en tydelig kontroll skal være med.
Del 1 - Oppgave 3bTredjegradslikning

Oppgave 3b

Oppgave: Løs likningen \[x^3+2x^2=5x+6.\]
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi samler alt på én side og bruker faktoriseringen fra polynomdivisjonen.

Steg 1 – Samle ledd

\[x^3+2x^2-5x-6=0.\]

Steg 2 – Bruk oppgave 3a

\[x^3+2x^2-5x-6=(x-2)(x^2+4x+3).\]

Steg 3 – Faktoriser andregradsuttrykket

\[x^2+4x+3=(x+1)(x+3).\]

Steg 4 – Nullproduktregelen

\[(x-2)(x+1)(x+3)=0.\]

Steg 5 – Les av røttene

\[x=2,\quad x=-1,\quad x=-3.\]

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS
1
Solve[x^3+2x^2=5x+6,x]
\(x=-3,-1,2\)

Tolkning: CAS gir de tre reelle røttene.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
x = sp.symbols("x")
P = x**3+2*x**2-5*x-6
factored = sp.factor(P)
roots = sp.solve(sp.Eq(P,0),x)
print("Polynomial =", P)
print("Factorized =", factored)
print("Roots =", roots)
for root in roots:
    print(f"P({root}) =", sp.expand(P.subs(x,root)))
Utskrift fra Python:
Polynomial = x**3 + 2*x**2 - 5*x - 6
Factorized = (x - 2)*(x + 1)*(x + 3)
Roots = [-3, -1, 2]
P(-3) = 0
P(-1) = 0
P(2) = 0

Fasit: \(x\in\{-3,-1,2\}\).

Vanlig feil: Å stoppe etter å ha funnet bare roten x=2.
Sensorpunkt: Alle tre faktorene og løsningene må med.
Del 1 - Oppgave 4Optimering av grunnflate

Oppgave 4

Oppgave: Volumet er \(V(x)=x^3-4x^2+2x+7\), og høyden er \(h=x+1\). Bestem h slik at arealet av grunnflaten blir minst mulig.
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Grunnflatearealet er volum delt på høyde. Deretter minimerer vi den resulterende funksjonen.

Steg 1 – Finn arealfunksjonen

\[A(x)=\frac{V(x)}{h}=\frac{x^3-4x^2+2x+7}{x+1}.\]

Steg 2 – Divider polynomene

\[x^3-4x^2+2x+7=(x+1)(x^2-5x+7).\] Dermed \(A(x)=x^2-5x+7\).

Steg 3 – Deriver

\[A\prime(x)=2x-5.\]

Steg 4 – Finn kritisk punkt

\[2x-5=0\quad\Rightarrow\quad x=\frac52.\]

Steg 5 – Bekreft minimum

\(A\prime\prime(x)=2>0\), så punktet gir minimum.

Steg 6 – Finn høyden

\[h=x+1=\frac52+1=\frac72.\]

Illustrasjon til Oppgave 4
Parabelen har sitt minimum ved x=5/2.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS
1
A(x):=(x^3-4x^2+2x+7)/(x+1)
\(x^2-5x+7\)
2
Extremum[A]
\((2.5,0.75)\)

Tolkning: Minimumspunktet har x=2,5, og høyden blir x+1=3,5.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
x = sp.symbols("x", real=True)
V = x**3-4*x**2+2*x+7
h = x+1
A = sp.cancel(V/h)
critical = sp.solve(sp.Eq(sp.diff(A,x),0),x)[0]
height = sp.simplify(critical+1)
print("V(x) =", V)
print("h(x) =", h)
print("Base area A(x) =", A)
print("A'(x) =", sp.diff(A,x))
print("Critical x =", critical)
print("A''(x) =", sp.diff(A,x,2))
print("Optimal height h =", height)
print("Minimum area =", sp.simplify(A.subs(x,critical)))
Utskrift fra Python:
V(x) = x**3 - 4*x**2 + 2*x + 7
h(x) = x + 1
Base area A(x) = x**2 - 5*x + 7
A'(x) = 2*x - 5
Critical x = 5/2
A''(x) = 2
Optimal height h = 7/2
Minimum area = 3/4

Fasit: Den optimale høyden er \(h=\dfrac72=3{,}5\).

Vanlig feil: Å minimere volumet i stedet for grunnflatearealet.
Sensorpunkt: Arealfunksjonen, kritisk punkt og minimumskontroll skal dokumenteres.
Del 1 - Oppgave 5Grenseverdi ved faktorisering

Oppgave 5

Oppgave: Bestem grenseverdien \[\lim_{x\to1}\frac{x^2-1}{x-1}.\]
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Direkte innsetting gir 0/0, så vi faktoriserer før vi tar grensen.

Steg 1 – Identifiser ubestemt form

Ved x=1 blir både teller og nevner 0.

Steg 2 – Faktoriser telleren

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

Steg 3 – Forkort for x ulik 1

\[\frac{x^2-1}{x-1}=x+1.\]

Steg 4 – Ta grensen

\[\lim_{x\to1}(x+1)=2.\]

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS
1
Limit[(x^2-1)/(x-1),x,1]
\(2\)

Tolkning: CAS beregner grensen etter at den fjernbare diskontinuiteten er håndtert.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
x = sp.symbols("x")
expr = (x**2-1)/(x-1)
factored = sp.factor(x**2-1)
simplified = sp.cancel(expr)
limit_value = sp.limit(expr,x,1)
print("Expression =", expr)
print("Factored numerator =", factored)
print("Simplified for x != 1 =", simplified)
print("Limit as x -> 1 =", limit_value)
print("Direct substitution gives 0/0, not the limit")
Utskrift fra Python:
Expression = (x**2 - 1)/(x - 1)
Factored numerator = (x - 1)*(x + 1)
Simplified for x != 1 = x + 1
Limit as x -> 1 = 2
Direct substitution gives 0/0, not the limit

Fasit: Grenseverdien er \(2\).

Vanlig feil: Å konkludere med at grensen er 0/0.
Sensorpunkt: Faktorisering og forkorting må gjøres før innsetting.
Del 1 - Oppgave 6aKontinuitet i stykkevis funksjon

Oppgave 6a

Oppgave: Bestem k slik at \[f(x)=\begin{cases}x^2+1,&x<2\\x-k,&x\ge2\end{cases}\] blir kontinuerlig.
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Kontinuitet i skjøtepunktet krever at venstre grenseverdi er lik funksjonsverdien fra høyre uttrykk.

Steg 1 – Venstre grense

\[\lim_{x\to2^-}(x^2+1)=2^2+1=5.\]

Steg 2 – Funksjonsverdien ved 2

Siden andre uttrykk gjelder for x=2, er \[f(2)=2-k.\]

Steg 3 – Kontinuitetskravet

\[2-k=5.\]

Steg 4 – Løs

\[-k=3\quad\Rightarrow\quad k=-3.\]

Steg 5 – Kontroll

Når k=-3, er høyre uttrykk x+3 og gir 5 ved x=2.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS
1
Solve[2-k=2^2+1,k]
\(k=-3\)

Tolkning: Begge funksjonsgrenene får verdien 5 i skjøtepunktet.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
k = sp.symbols("k", real=True)
left_value = 2**2+1
right_value = 2-k
solution = sp.solve(sp.Eq(right_value,left_value),k)[0]
print("Left limit at x=2 =", left_value)
print("Right value f(2) =", right_value)
print("Continuity equation =", sp.Eq(right_value,left_value))
print("k =", solution)
print("Right value with k=-3 =", right_value.subs(k,solution))
Utskrift fra Python:
Left limit at x=2 = 5
Right value f(2) = 2 - k
Continuity equation = Eq(2 - k, 5)
k = -3
Right value with k=-3 = 5

Fasit: \(k=-3\).

Vanlig feil: Å sette de deriverte like i en kontinuitetsoppgave.
Sensorpunkt: Venstre grense og f(2) må settes lik hverandre.
Del 1 - Oppgave 6bDeriverbarhet i skjøtepunkt

Oppgave 6b

Oppgave: Avgjør om f er deriverbar i x=2 når \(k=-3\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? En kontinuerlig stykkevis funksjon er deriverbar bare dersom de ensidige deriverte også er like.

Steg 1 – Venstre gren

For x<2 er \(f(x)=x^2+1\), så \(f\prime(x)=2x\).

Steg 2 – Venstrederivert

\[f\prime_-(2)=2\cdot2=4.\]

Steg 3 – Høyre gren

Når k=-3 er høyre gren \(f(x)=x+3\), med derivert 1.

Steg 4 – Høyrederivert

\[f\prime_+(2)=1.\]

Steg 5 – Sammenlign

Siden 4 ikke er lik 1, har grafen et knekkpunkt og f er ikke deriverbar i x=2.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS
1
LeftLimit[Derivative[x^2+1],x,2]
\(4\)
2
RightLimit[Derivative[x+3],x,2]
\(1\)

Tolkning: Ulike ensidige deriverte betyr at funksjonen ikke er deriverbar.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
x = sp.symbols("x", real=True)
left_branch = x**2+1
right_branch = x+3
left_slope = sp.diff(left_branch,x).subs(x,2)
right_slope = sp.diff(right_branch,x).subs(x,2)
print("Left branch =", left_branch)
print("Right branch =", right_branch)
print("Left derivative at 2 =", left_slope)
print("Right derivative at 2 =", right_slope)
print("Differentiable at x=2 =", left_slope==right_slope)
Utskrift fra Python:
Left branch = x**2 + 1
Right branch = x + 3
Left derivative at 2 = 4
Right derivative at 2 = 1
Differentiable at x=2 = False

Fasit: Nei. Venstrederivert er 4, mens høyrederivert er 1.

Vanlig feil: Å anta at kontinuitet automatisk gir deriverbarhet.
Sensorpunkt: Begge ensidige deriverte skal beregnes og sammenlignes.
Del 1 - Oppgave 7aPermutasjoner

Oppgave 7a

Oppgave: På hvor mange måter kan fire forskjellige sommerdekk plasseres på fire bestemte plasser?
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi teller alle permutasjoner av fire forskjellige objekter.

Steg 1 – Første plass

Det finnes 4 valg for første plass.

Steg 2 – Andre plass

Etter første valg gjenstår 3 dekk.

Steg 3 – Siste plasser

Deretter er det 2 valg og til slutt 1 valg.

Steg 4 – Produktregelen

\[4\cdot3\cdot2\cdot1=4!=24.\]

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS
1
nPr[4,4]
\(24\)

Tolkning: Antall bijektive plasseringer er 4 fakultet.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import math
positions = 4
count = math.factorial(positions)
print("Number of tires =", positions)
print("Choices by position = 4 * 3 * 2 * 1")
print("4! =", count)
print("Total placements =", count)
print("Each placement is assumed equally likely")
Utskrift fra Python:
Number of tires = 4
Choices by position = 4 * 3 * 2 * 1
4! = 24
Total placements = 24
Each placement is assumed equally likely

Fasit: Det finnes \(24\) mulige plasseringer.

Vanlig feil: Å bruke 4^4, som tillater samme dekk flere steder.
Sensorpunkt: Det skal framgå at dekkene og plassene er forskjellige.
Del 1 - Oppgave 7bDerangement og sannsynlighet

Oppgave 7b

Oppgave: Bestem sannsynligheten for at alle fire dekkene plasseres på feil plass.
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi teller permutasjonene uten faste punkter, altså derangements.

Steg 1 – Totalt antall

Fra a) har vi 24 like sannsynlige plasseringer.

Steg 2 – Tell derangements

For fire objekter er antallet \(!4=9\). Dette kan finnes ved inklusjon–eksklusjon.

Steg 3 – Sannsynlighet

\[P=\frac{9}{24}.\]

Steg 4 – Forkort

\[P=\frac38=0{,}375.\]

Steg 5 – Tolkning

Det er 37,5 prosent sannsynlighet for at ingen dekk havner riktig.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS
1
Subfactorial[4]
\(9\)
2
9/Factorial[4]
\(3/8\)

Tolkning: Derangement-tallet 9 divideres på alle 24 plasseringer.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import itertools, math
permutations = list(itertools.permutations(range(4)))
derangements = [p for p in permutations if all(p[i] != i for i in range(4))]
probability = len(derangements)/len(permutations)
print("Total placements =", len(permutations))
print("Derangements =", len(derangements))
print("Exact probability = 9/24 = 3/8")
print("Decimal probability =", probability)
print("Percent =", 100*probability)
Utskrift fra Python:
Total placements = 24
Derangements = 9
Exact probability = 9/24 = 3/8
Decimal probability = 0.375
Percent = 37.5

Fasit: Sannsynligheten er \(\dfrac38=37{,}5\%\).

Vanlig feil: Å anta at hendelsene «dekk i feil posisjon» er uavhengige.
Sensorpunkt: Gunstige og mulige plasseringer skal telles korrekt.
Del 1 - Oppgave 8Sirkelgeometri

Oppgave 8

Oppgave: Bestem vinklene u, v og w når AB er diameter, \(\angle CBS=52^{\circ}\) og \(\angle DEB=79^{\circ}\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi bruker likebeint trekant, sentralvinkel, periferivinkel, vinkelen i en halvsirkel og trekantvinkelsum.

Steg 1 – Trekant SBC

Fordi SB=SC, er trekanten SBC likebeint. Dermed er \(\angle BCS=52^{\circ}\).

Steg 2 – Sentralvinkelen BSC

\[\angle BSC=180^{\circ}-52^{\circ}-52^{\circ}=76^{\circ}.\]

Steg 3 – Vinkelen v

SA og SB ligger på samme rette linje, så \[v=180^{\circ}-76^{\circ}=104^{\circ}.\]

Steg 4 – Periferivinkelen CDB

Den spenner over samme bue CB som sentralvinkelen 76 grader, derfor \[\angle CDB=38^{\circ}.\]

Steg 5 – Vinkelen u

AB er diameter, så \(\angle ADB=90^{\circ}\). Dermed \[u=90^{\circ}-38^{\circ}=52^{\circ}.\]

Steg 6 – Vinkelen ved E i trekant AED

\(\angle AED=180^{\circ}-79^{\circ}=101^{\circ}\).

Steg 7 – Vinkelen w

I trekant AED er \[w=180^{\circ}-101^{\circ}-52^{\circ}=27^{\circ}.\]

Illustrasjon til Oppgave 8
Figuren er konstruert slik at de oppgitte vinklene og de beregnede verdiene stemmer.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS
1
v=180°-(180°-2*52°)
\(104^{\circ}\)
2
u=90°-(180°-2*52°)/2
\(52^{\circ}\)
3
w=180°-(180°-79°)-u
\(27^{\circ}\)

Tolkning: Vinkelrelasjonene gir u=52°, v=104° og w=27°.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
from fractions import Fraction
angle_CBS = 52
angle_DEB = 79
angle_BSC = 180-2*angle_CBS
v = 180-angle_BSC
angle_CDB = angle_BSC/2
u = 90-angle_CDB
angle_AED = 180-angle_DEB
w = 180-angle_AED-u
print("angle BSC =", angle_BSC)
print("v =", v)
print("angle CDB =", angle_CDB)
print("u =", u)
print("angle AED =", angle_AED)
print("w =", w)
print("Triangle AED check =", w+u+angle_AED)
Utskrift fra Python:
angle BSC = 76
v = 104
angle CDB = 38.0
u = 52.0
angle AED = 101
w = 27.0
Triangle AED check = 180.0

Fasit: \(u=52^{\circ}\), \(v=104^{\circ}\) og \(w=27^{\circ}\).

Vanlig feil: Å blande sammen sentralvinkel og periferivinkel uten faktor 2.
Sensorpunkt: Hver vinkel må begrunnes med en navngitt sirkel- eller trekantregel.
Del 1 - Oppgave 9aFullføre kvadratet i sirkel

Oppgave 9a

Oppgave: Vis at (2,4) er sentrum i sirkelen \[x^2+y^2-4x-8y=5\] og bestem radiusen.
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi samler x- og y-leddene og fullfører kvadratene.

Steg 1 – Gruppér

\[(x^2-4x)+(y^2-8y)=5.\]

Steg 2 – Fullfør x-kvadratet

\[x^2-4x=(x-2)^2-4.\]

Steg 3 – Fullfør y-kvadratet

\[y^2-8y=(y-4)^2-16.\]

Steg 4 – Sett inn

\[(x-2)^2-4+(y-4)^2-16=5.\]

Steg 5 – Standardform

\[(x-2)^2+(y-4)^2=25.\]

Steg 6 – Les av

Sentrum er (2,4), og radius er \(\sqrt{25}=5\).

Illustrasjon til Oppgave 9a
Sirkelen har sentrum (2,4) og radius 5.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS
1
CompleteSquare[x^2+y^2-4x-8y=5]
\((x-2)^2+(y-4)^2=25\)

Tolkning: Standardformen viser sentrum og radius direkte.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
x, y = sp.symbols("x y", real=True)
original = x**2+y**2-4*x-8*y-5
standard = (x-2)**2+(y-4)**2-25
print("Original left minus right =", original)
print("Standard left minus right =", sp.expand(standard))
print("Difference =", sp.expand(original-standard))
print("Center = (2, 4)")
print("Radius squared =", 25)
print("Radius =", sp.sqrt(25))
Utskrift fra Python:
Original left minus right = x**2 - 4*x + y**2 - 8*y - 5
Standard left minus right = x**2 - 4*x + y**2 - 8*y - 5
Difference = 0
Center = (2, 4)
Radius squared = 25
Radius = 5

Fasit: Sentrum er \((2,4)\), og radiusen er \(5\).

Vanlig feil: Å lese sentrum som (-2,-4) uten å fullføre kvadratene.
Sensorpunkt: Standardformen og radiusen må oppgis.
Del 1 - Oppgave 9bSkjæring mellom sirkel og x-akse

Oppgave 9b

Oppgave: Bestem skjæringspunktene mellom sirkelen og x-aksen.
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? På x-aksen er y=0. Vi setter dette inn i sirkelens standardform.

Steg 1 – Bruk y=0

\[(x-2)^2+(0-4)^2=25.\]

Steg 2 – Forenkle

\[(x-2)^2+16=25.\]

Steg 3 – Isoler kvadratet

\[(x-2)^2=9.\]

Steg 4 – Ta kvadratrot

\[x-2=\pm3.\]

Steg 5 – Finn x-verdiene

\[x=-1\quad\text{eller}\quad x=5.\]

Steg 6 – Punktene

Skjæringspunktene er \((-1,0)\) og \((5,0)\).

Illustrasjon til Oppgave 9b
De to markerte punktene er skjæringene med x-aksen.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS
1
Intersect[(x-2)^2+(y-4)^2=25,y=0]
\((-1,0),(5,0)\)

Tolkning: Begge punktene ligger fem enheter fra sentrum.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
x = sp.symbols("x", real=True)
equation = sp.Eq((x-2)**2+16,25)
solutions = sp.solve(equation,x)
print("Equation on x-axis =", equation)
print("x-solutions =", solutions)
points = [(value,0) for value in solutions]
print("Intersection points =", points)
for value in solutions:
    print(f"Circle check for x={value}:", sp.simplify((value-2)**2+16))
Utskrift fra Python:
Equation on x-axis = Eq((x - 2)**2 + 16, 25)
x-solutions = [-1, 5]
Intersection points = [(-1, 0), (5, 0)]
Circle check for x=-1: 25
Circle check for x=5: 25

Fasit: Skjæringspunktene er \((-1,0)\) og \((5,0)\).

Vanlig feil: Å glemme den negative kvadratroten.
Sensorpunkt: Begge punktene skal oppgis som koordinatpar.
Del 1 - Oppgave 10Vinkel mellom linjer

Oppgave 10

Oppgave: Linjen \(\ell\) har retningsvektor \((2,-1)\), og m går gjennom (0,0) og (2,4). Bestem vinkelen mellom linjene.
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi finner en retningsvektor for m og bruker skalarprodukt.

Steg 1 – Retning for l

Fra parameterframstillingen får vi \(\vec u=(2,-1)\).

Steg 2 – Retning for m

\[\vec v=(2-0,4-0)=(2,4).\]

Steg 3 – Skalarprodukt

\[\vec u\cdot\vec v=2\cdot2+(-1)\cdot4=4-4=0.\]

Steg 4 – Normalitet

Når skalarproduktet er 0, står retningsvektorene normalt på hverandre.

Steg 5 – Vinkel

Den minste vinkelen mellom linjene er derfor \(90^{\circ}\).

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS
1
Angle[Vector[(2,-1)],Vector[(2,4)]]
\(90^{\circ}\)

Tolkning: Null skalarprodukt gir rett vinkel.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
u = sp.Matrix([2,-1])
v = sp.Matrix([2,4])
dot = u.dot(v)
cosine = sp.simplify(dot/(sp.sqrt(u.dot(u))*sp.sqrt(v.dot(v))))
angle = sp.acos(cosine)*180/sp.pi
print("Direction l =", tuple(u))
print("Direction m =", tuple(v))
print("Dot product =", dot)
print("cos(angle) =", cosine)
print("Angle in degrees =", sp.simplify(angle))
Utskrift fra Python:
Direction l = (2, -1)
Direction m = (2, 4)
Dot product = 0
cos(angle) = 0
Angle in degrees = 90

Fasit: Vinkelen mellom linjene er \(90^{\circ}\).

Vanlig feil: Å bruke punktene på m som om de var to separate retningsvektorer.
Sensorpunkt: Retningsvektorene og skalarproduktet skal vises.
Del 1 - Oppgave 11Normal til parabel og tangentsirkel

Oppgave 11

Oppgave: En sirkel tangerer \(y=x^2\) i \((3/2,9/4)\) og \((-3/2,9/4)\). Bestem sirkelens sentrum.
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Symmetrien viser at sentrum ligger på y-aksen. Radiusen i et tangeringspunkt står normalt på tangenten.

Steg 1 – Symmetri

Tangeringspunktene er speilbilder om y-aksen, så sentrum har form \(S=(0,a)\).

Steg 2 – Tangentstigning

For \(f(x)=x^2\) er \(f\prime(x)=2x\). Ved \(x=3/2\) er stigningen 3.

Steg 3 – Tangentvektor

En tangentvektor kan være \((1,3)\).

Steg 4 – Radiusvektor

Fra S til punktet er \[\left(\frac32,\frac94-a\right).\]

Steg 5 – Normalitetskravet

\[\left(\frac32,\frac94-a\right)\cdot(1,3)=0.\]

Steg 6 – Løs likningen

\[\frac32+3\left(\frac94-a\right)=0\Rightarrow \frac{33}{4}-3a=0\Rightarrow a=\frac{11}{4}.\]

Steg 7 – Sentrum

\[S=\left(0,\frac{11}{4}\right).\]

Illustrasjon til Oppgave 11
Sirkelen tangerer parablen i de to symmetriske punktene.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS
1
Intersect[Line[(3/2,9/4),(3/2,9/4)+(-3,1)],yAxis]
\((0,11/4)\)

Tolkning: Normalen i tangeringspunktet skjærer symmetriaksen i sirkelens sentrum.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
a = sp.symbols("a", real=True)
point = sp.Matrix([sp.Rational(3,2),sp.Rational(9,4)])
center = sp.Matrix([0,a])
tangent = sp.Matrix([1,3])
radius_vector = point-center
equation = sp.Eq(radius_vector.dot(tangent),0)
solution = sp.solve(equation,a)[0]
print("Point of tangency =", tuple(point))
print("Tangent direction =", tuple(tangent))
print("Radius vector =", tuple(radius_vector))
print("Perpendicular equation =", equation)
print("a =", solution)
print("Center =", (0,solution))
print("Radius =", sp.simplify(sp.sqrt((point-sp.Matrix([0,solution])).dot(point-sp.Matrix([0,solution])))))
Utskrift fra Python:
Point of tangency = (3/2, 9/4)
Tangent direction = (1, 3)
Radius vector = (3/2, 9/4 - a)
Perpendicular equation = Eq(33/4 - 3*a, 0)
a = 11/4
Center = (0, 11/4)
Radius = sqrt(10)/2

Fasit: Sirkelens sentrum er \(\left(0,\dfrac{11}{4}\right)\).

Vanlig feil: Å bruke tangentstigningen som radiusstigning uten å ta negativ invers.
Sensorpunkt: Symmetri og normalitetskravet skal begge begrunnes.

Del 2 - med hjelpemidler

Del 2 - Oppgave 1aVilkår for binomisk forsøk

Oppgave 1a

Oppgave: Hva må antas for at de 12 oppkjøringene kan modelleres som et binomisk forsøk?
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi identifiserer de fire standardvilkårene for en binomisk modell.

Steg 1 – Fast antall forsøk

Det er på forhånd bestemt at 12 elever skal kjøre opp.

Steg 2 – To utfall

Hver elev består eller består ikke.

Steg 3 – Konstant sannsynlighet

Vi må anta at hver elev har samme sannsynlighet \(p=0{,}74\) for å bestå.

Steg 4 – Uavhengighet

Vi må anta at resultatet for én elev ikke påvirker de andre.

Steg 5 – Modell

Da kan antall beståtte modelleres som \(X\sim\operatorname{Bin}(12,0{,}74)\).

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS
1
BinomialDist[12,0.74]
Binomisk modell med n=12 og p=0.74

Tolkning: Modellen er gyldig bare under antakelsene om lik p og uavhengighet.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
n = 12
p = 0.74
outcomes = ("bestått", "ikke bestått")
print("Fixed number of trials n =", n)
print("Two outcomes =", outcomes)
print("Constant success probability p =", p)
print("Assumption: trials are independent")
print("Model: X ~ Binomial(12, 0.74)")
Utskrift fra Python:
Fixed number of trials n = 12
Two outcomes = ('bestått', 'ikke bestått')
Constant success probability p = 0.74
Assumption: trials are independent
Model: X ~ Binomial(12, 0.74)

Fasit: Fast n=12, to utfall, samme p=0,74 og uavhengige forsøk.

Vanlig feil: Å tro at historisk 74 prosent automatisk garanterer identisk sannsynlighet for hver elev.
Sensorpunkt: Alle binomiske vilkår skal nevnes.
Del 2 - Oppgave 1bKumulativ binomisk sannsynlighet

Oppgave 1b

Oppgave: Bestem sannsynligheten for at minst 8 av de 12 elevene består.
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi summerer binomiske sannsynligheter fra 8 til 12.

Steg 1 – Modell

\(X\sim\operatorname{Bin}(12,0{,}74)\).

Steg 2 – Hendelsen

«Minst 8» betyr \(X\ge8\).

Steg 3 – Sum

\[P(X\ge8)=\sum_{k=8}^{12}\binom{12}{k}0{,}74^k0{,}26^{12-k}.\]

Steg 4 – Beregn

\[P(X\ge8)\approx0{,}821031.\]

Steg 5 – Prosent

Dette er omtrent 82,1 prosent.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS
1
1-BinomialDist[12,0.74,7,true]
\(0.8210314102\)

Tolkning: Komplementet til P(X≤7) gir P(X≥8).

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
from math import comb
n = 12
p = 0.74
terms = [comb(n,k)*p**k*(1-p)**(n-k) for k in range(8,n+1)]
probability = sum(terms)
print("Model: Binomial(n=12, p=0.74)")
print("k-values =", list(range(8,13)))
print("Individual terms =", [round(v,12) for v in terms])
print("P(X >= 8) =", probability)
print("Percent =", 100*probability)
Utskrift fra Python:
Model: Binomial(n=12, p=0.74)
k-values = [8, 9, 10, 11, 12]
Individual terms = [0.203400655722, 0.257293137152, 0.219688755568, 0.113685090294, 0.026963771416]
P(X >= 8) = 0.8210314101524017
Percent = 82.10314101524017

Fasit: \(P(X\ge8)\approx0{,}8210\), altså ca. \(82{,}1\%\).

Vanlig feil: Å beregne bare P(X=8).
Sensorpunkt: Summen eller komplementmetoden må være tydelig dokumentert.
Del 2 - Oppgave 1cBinomisk punkt­sannsynlighet

Oppgave 1c

Oppgave: Bestem sannsynligheten for at akkurat 5 av de 7 guttene består.
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi bruker en egen binomisk modell for de sju guttene.

Steg 1 – Modell

La \(G\sim\operatorname{Bin}(7,0{,}74)\).

Steg 2 – Formel

\[P(G=5)=\binom75 0{,}74^5 0{,}26^2.\]

Steg 3 – Kombinasjonsfaktor

\(\binom75=21\).

Steg 4 – Beregn

\[P(G=5)\approx0{,}315010.\]

Steg 5 – Prosent

Omtrent 31,5 prosent.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS
1
BinomialDist[7,0.74,5,false]
\(0.3150101803\)

Tolkning: Punkt­sannsynligheten gjelder nøyaktig fem beståtte.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
from math import comb
n = 7
k = 5
p = 0.74
coefficient = comb(n,k)
probability = coefficient*p**k*(1-p)**(n-k)
print("n =", n, "k =", k, "p =", p)
print("Binomial coefficient =", coefficient)
print("Success factor =", p**k)
print("Failure factor =", (1-p)**(n-k))
print("P(G=5) =", probability)
print("Percent =", 100*probability)
Utskrift fra Python:
n = 7 k = 5 p = 0.74
Binomial coefficient = 21
Success factor = 0.22190066239999998
Failure factor = 0.06760000000000001
P(G=5) = 0.31501018034304
Percent = 31.501018034304

Fasit: \(P(G=5)\approx0{,}3150\), altså ca. \(31{,}5\%\).

Vanlig feil: Å bruke n=12 i stedet for n=7.
Sensorpunkt: Riktig gruppe, kombinasjonsfaktor og eksponenter skal brukes.
Del 2 - Oppgave 1dProdukt av uavhengige binomiske hendelser

Oppgave 1d

Oppgave: Bestem sannsynligheten for at akkurat 5 gutter og akkurat 4 jenter består.
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Under uavhengighetsantakelsen multipliserer vi sannsynlighetene for de to gruppene.

Steg 1 – Guttene

\[P(G=5)=\binom75 0{,}74^5 0{,}26^2.\]

Steg 2 – Jentene

\[P(J=4)=\binom54 0{,}74^4 0{,}26.\]

Steg 3 – Uavhengighet

\[P(G=5\text{ og }J=4)=P(G=5)P(J=4).\]

Steg 4 – Sett inn

\[\approx0{,}31501018\cdot0{,}38947613.\]

Steg 5 – Resultat

\[P\approx0{,}122799.\]

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS
1
BinomialDist[7,0.74,5,false]*BinomialDist[5,0.74,4,false]
\(0.1227989973\)

Tolkning: Produktet er gyldig fordi de to gruppenes resultater antas uavhengige.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
from math import comb
p = 0.74
p_boys = comb(7,5)*p**5*(1-p)**2
p_girls = comb(5,4)*p**4*(1-p)
combined = p_boys*p_girls
print("P(exactly 5 boys) =", p_boys)
print("P(exactly 4 girls) =", p_girls)
print("Product under independence =", combined)
print("Percent =", 100*combined)
print("Check combined is below each factor =", combined < p_boys and combined < p_girls)
Utskrift fra Python:
P(exactly 5 boys) = 0.31501018034304
P(exactly 4 girls) = 0.38982548799999994
Product under independence = 0.12279899727719357
Percent = 12.279899727719357
Check combined is below each factor = True

Fasit: Sannsynligheten er omtrent \(0{,}1228=12{,}28\%\).

Vanlig feil: Å bruke én binomisk sannsynlighet med n=12 og k=9 uten å ta hensyn til kjønnskravet.
Sensorpunkt: De to separate hendelsene og produktregelen skal vises.
Del 2 - Oppgave 1eEksponentiell ulikhet

Oppgave 1e

Oppgave: Alle n elever besto, og sannsynligheten for dette er mindre enn 2 prosent. Finn minste n.
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Når alle består, er sannsynligheten \(0{,}74^n\). Vi løser en eksponentiell ulikhet.

Steg 1 – Modell

\[P(\text{alle består})=0{,}74^n.\]

Steg 2 – Krav

\[0{,}74^n<0{,}02.\]

Steg 3 – Logaritmer

Siden \(\ln0{,}74<0\), snur ulikhetstegnet når vi dividerer: \[n>\frac{\ln0{,}02}{\ln0{,}74}\approx12{,}9922.\]

Steg 4 – Minste heltall

Dermed er minste mulige n lik 13.

Steg 5 – Kontroller nabotall

\(0{,}74^{12}\approx0{,}02696>0{,}02\), mens \(0{,}74^{13}\approx0{,}01995<0{,}02\).

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS
1
Solve[0.74^n<0.02,n]
\(n>12.9922\)

Tolkning: Siden n er et helt antall elever, blir minste verdi 13.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import math
p = 0.74
threshold = 0.02
boundary = math.log(threshold)/math.log(p)
n = 1
while p**n >= threshold:
    n += 1
print("Real-valued boundary =", boundary)
print("Minimum integer n =", n)
print("0.74^(n-1) =", p**(n-1))
print("0.74^n =", p**n)
print("Condition satisfied =", p**n < threshold)
Utskrift fra Python:
Real-valued boundary = 12.992217996908751
Minimum integer n = 13
0.74^(n-1) = 0.02696377141592078
0.74^n = 0.01995319084778138
Condition satisfied = True

Fasit: Minst \(13\) elever må ha hatt oppkjøring.

Vanlig feil: Å glemme at n må være et heltall, eller å ikke kontrollere n=12 og n=13.
Sensorpunkt: Den strenge ulikheten og heltallsavrundingen skal begrunnes.
Del 2 - Oppgave 2aVektorlikning

Oppgave 2a

Oppgave: Bestem k slik at \(3\vec a+5\vec b=(-6,13)\), der \(\vec a=(3,1)\) og \(\vec b=(k,2)\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi utfører vektorregningen komponentvis.

Steg 1 – Multipliser a

\[3\vec a=3(3,1)=(9,3).\]

Steg 2 – Multipliser b

\[5\vec b=5(k,2)=(5k,10).\]

Steg 3 – Legg sammen

\[3\vec a+5\vec b=(9+5k,13).\]

Steg 4 – Sammenlign første komponent

\[9+5k=-6.\]

Steg 5 – Løs

\[5k=-15\Rightarrow k=-3.\]

Steg 6 – Andre komponent

Den andre komponenten er allerede 13, som krevd.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS
1
Solve[3(3,1)+5(k,2)=(-6,13),k]
\(k=-3\)

Tolkning: Begge komponentene stemmer når k=-3.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
k = sp.symbols("k", real=True)
a = sp.Matrix([3,1])
b = sp.Matrix([k,2])
expression = 3*a+5*b
solution = sp.solve(sp.Eq(expression[0],-6),k)[0]
print("a =", tuple(a))
print("b =", tuple(b))
print("3a + 5b =", tuple(expression))
print("k =", solution)
print("Vector at k=-3 =", tuple(expression.subs(k,solution)))
Utskrift fra Python:
a = (3, 1)
b = (k, 2)
3a + 5b = (5*k + 9, 13)
k = -3
Vector at k=-3 = (-6, 13)

Fasit: \(k=-3\).

Vanlig feil: Å løse bare den andre komponenten, som ikke inneholder k.
Sensorpunkt: Komponentvis likhet og kontroll av begge komponenter skal vises.
Del 2 - Oppgave 2bVinkelulikhet for vektorer

Oppgave 2b

Oppgave: Bestem k slik at vinkelen mellom \(\vec a=(3,1)\) og \(\vec b=(k,2)\) er større enn \(60^{\circ}\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi bruker cosinusformelen for vinkelen mellom vektorer og løser ulikheten med fortegnskontroll.

Steg 1 – Cosinusuttrykk

\[\cos\theta=\frac{\vec a\cdot\vec b}{|\vec a||\vec b|}=\frac{3k+2}{\sqrt{10}\sqrt{k^2+4}}.\]

Steg 2 – Oversett vinkelkravet

For \(0^{\circ}\le\theta\le180^{\circ}\) er cosinus avtakende, så \[\theta>60^{\circ}\iff\cos\theta<\frac12.\]

Steg 3 – Negativ teller

Hvis \(3k+2<0\), altså \(k<-2/3\), er ulikheten automatisk oppfylt.

Steg 4 – Ikke-negativ teller

For \(k\ge-2/3\) kan vi kvadrere: \[2(3k+2)^2<5(k^2+4).\]

Steg 5 – Forenkle

\[13k^2+24k-12<0.\]

Steg 6 – Nullpunkter

Røttene er \[k=\frac{-12\pm10\sqrt3}{13}.\]

Steg 7 – Samle intervallene

Kombinert med tilfellet med negativ teller får vi \[k<\frac{-12+10\sqrt3}{13}.\]

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS
1
Solve[(3k+2)/(sqrt(10)sqrt(k^2+4))<1/2,k]
\(k<(-12+10\sqrt3)/13\)

Tolkning: Grenseverdien er omtrent 0,4092; alle mindre k gir vinkel over 60 grader.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
k = sp.symbols("k", real=True)
cosine = (3*k+2)/(sp.sqrt(10)*sp.sqrt(k**2+4))
boundary = sp.solve(sp.Eq(cosine,sp.Rational(1,2)),k)[0]
solution = sp.solve_univariate_inequality(cosine < sp.Rational(1,2),k)
quadratic = sp.expand(2*(3*k+2)**2-5*(k**2+4))
print("cos(theta) =", cosine)
print("Boundary equation root =", boundary)
print("Decimal boundary =", sp.N(boundary,12))
print("Squared-case polynomial =", quadratic)
print("Complete solution =", solution)
for value in [-2,0,1]:
    print(f"k={value}: cos(theta)=", sp.N(cosine.subs(k,value),8))
Utskrift fra Python:
cos(theta) = sqrt(10)*(3*k + 2)/(10*sqrt(k**2 + 4))
Boundary equation root = -12/13 + 10*sqrt(3)/13
Decimal boundary = 0.409269851976
Squared-case polynomial = 13*k**2 + 24*k - 12
Complete solution = k < -12/13 + 10*sqrt(3)/13
k=-2: cos(theta)= -0.44721360
k=0: cos(theta)= 0.31622777
k=1: cos(theta)= 0.70710678

Fasit: \(k<\dfrac{-12+10\sqrt3}{13}\approx0{,}4092\).

Vanlig feil: Å kvadrere uten å håndtere fortegnet til 3k+2.
Sensorpunkt: Cosinusulikheten og fortegnsdrøftingen må være gyldige.
Del 2 - Oppgave 3aBanefart fra parameterfunksjon

Oppgave 3a

Oppgave: For \(\vec r(t)=(-12t e^{-t/2},t^2+kt)\), bestem k slik at banefarten ved t=0 er 13.
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Banefarten er lengden av hastighetsvektoren \(ec r\prime(t)\).

Steg 1 – Deriver x-komponenten

\[(-12t e^{-t/2})\prime=-12e^{-t/2}+6t e^{-t/2}=6(t-2)e^{-t/2}.\]

Steg 2 – Deriver y-komponenten

\[(t^2+kt)\prime=2t+k.\]

Steg 3 – Hastighet ved t=0

\[\vec r\prime(0)=(-12,k).\]

Steg 4 – Banefart

\[|\vec r\prime(0)|=\sqrt{(-12)^2+k^2}=13.\]

Steg 5 – Løs

\[144+k^2=169\Rightarrow k^2=25.\]

Steg 6 – Verdiene

\[k=5\quad\text{eller}\quad k=-5.\]

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS
1
Solve[Length[(-12,k)]=13,k]
\(k=-5,5\)

Tolkning: Begge fortegn gir samme fart fordi k inngår kvadrert.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
t, k = sp.symbols("t k", real=True)
r = sp.Matrix([-12*t*sp.exp(-t/2), t**2+k*t])
velocity = sp.diff(r,t)
v0 = velocity.subs(t,0)
speed0 = sp.sqrt(v0.dot(v0))
solutions = sp.solve(sp.Eq(speed0,13),k)
print("r(t) =", tuple(r))
print("r'(t) =", tuple(velocity))
print("r'(0) =", tuple(v0))
print("Speed at t=0 =", speed0)
print("Solutions for k =", solutions)
for value in solutions:
    print(f"Speed for k={value} =", sp.simplify(speed0.subs(k,value)))
Utskrift fra Python:
r(t) = (-12*t*exp(-t/2), k*t + t**2)
r'(t) = (6*t*exp(-t/2) - 12*exp(-t/2), k + 2*t)
r'(0) = (-12, k)
Speed at t=0 = sqrt(k**2 + 144)
Solutions for k = [-5, 5]
Speed for k=-5 = 13
Speed for k=5 = 13

Fasit: \(k=\pm5\).

Vanlig feil: Å velge bare k=-5 fordi denne verdien brukes videre i oppgaven.
Sensorpunkt: Begge løsningene i del a skal oppgis.
Del 2 - Oppgave 3bTegning av parameterkurve

Oppgave 3b

Oppgave: Tegn grafen til \(\vec r(t)=(-12t e^{-t/2},t^2-5t)\) for \(-1\le t\le6\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi må tegne en parameterkurve, ikke grafen til hver komponent som funksjon av t i samme koordinatsystem.

Steg 1 – Komponentene

\[x(t)=-12t e^{-t/2},\qquad y(t)=t^2-5t.\]

Steg 2 – Parameterintervall

Vi bruker hele intervallet \([-1,6]\).

Steg 3 – Kontrollpunkter

\(\vec r(-1)=(12e^{1/2},6)\), \(\vec r(0)=(0,0)\), og \(\vec r(5)=(-60e^{-5/2},0)\).

Steg 4 – Retning

Kurven gjennomløpes i retning av økende t.

Steg 5 – Digital tegning

En dynamisk kurvekommando med parameter t gir korrekt bane og form.

Illustrasjon til Oppgave 3b
Parameterkurven når k=-5; det markerte punktet besøkes to ganger.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS
1
Curve[-12t exp(-t/2),t^2-5t,t,-1,6]
Parameterkurven for hele intervallet

Tolkning: Curve-kommandoen tegner x(t) mot y(t), ikke komponentgrafene mot t.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import numpy as np
import math
samples = [-1,0,1,2.5,5,6]
def position(t):
    return (-12*t*math.exp(-t/2), t*t-5*t)
print("Parameter interval = [-1, 6]")
print("x(t) = -12*t*exp(-t/2)")
print("y(t) = t^2-5*t")
for value in samples:
    print(f"r({value}) =", tuple(round(v,8) for v in position(value)))
points = np.array([position(v) for v in np.linspace(-1,6,701)])
print("Number of plotted sample points =", len(points))
print("x-range approximately =", (points[:,0].min(),points[:,0].max()))
print("y-range =", (points[:,1].min(),points[:,1].max()))
Utskrift fra Python:
Parameter interval = [-1, 6]
x(t) = -12*t*exp(-t/2)
y(t) = t^2-5*t
r(-1) = (19.78465525, 6)
r(0) = (0.0, 0)
r(1) = (-7.27836792, -4)
r(2.5) = (-8.59514391, -6.25)
r(5) = (-4.92509992, 0)
r(6) = (-3.58466892, 6)
Number of plotted sample points = 701
x-range approximately = (np.float64(-8.829106588114616), np.float64(19.78465524840154))
y-range = (np.float64(-6.25), np.float64(6.0))

Fasit: Grafen er parameterkurven vist i figuren for \(-1\le t\le6\).

Vanlig feil: Å tegne y som funksjon av x uten å respektere parameterens gjennomløpsretning.
Sensorpunkt: Kommando, intervall og tydelig parameterkurve skal dokumenteres.
Del 2 - Oppgave 3cSelvskjæring i parameterkurve

Oppgave 3c

Oppgave: Bestem de to ulike tidspunktene der partikkelen er i samme posisjon.
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi setter begge koordinatene like for to tidspunkter og utnytter faktoriseringen i y-komponenten.

Steg 1 – La tidspunktene være t1 og t2

Vi krever \(x(t_1)=x(t_2)\) og \(y(t_1)=y(t_2)\).

Steg 2 – Bruk y-komponenten

\[t_1^2-5t_1=t_2^2-5t_2.\]

Steg 3 – Faktoriser

\[(t_1-t_2)(t_1+t_2-5)=0.\] For ulike tider må \(t_1+t_2=5\).

Steg 4 – Sett t2=5-t1 i x-likningen

\[t_1e^{-t_1/2}=(5-t_1)e^{-(5-t_1)/2}.\]

Steg 5 – Numerisk løsning

Ligningen har den ikke-trivielle løsningen \(t_1\approx0{,}7239705\).

Steg 6 – Andre tidspunkt

\[t_2=5-t_1\approx4{,}2760295.\]

Steg 7 – Kontroll av posisjon

Begge gir omtrent \((-6{,}04914,-3{,}09572)\).

Illustrasjon til Oppgave 3c
Selvskjæringspunktet svarer til de to beregnede tidspunktene.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS
1
Solve[t exp(-t/2)=(5-t)exp(-(5-t)/2),t]
\(t\approx0.7239705,2.5,4.2760295\)

Tolkning: t=2,5 er den trivielle løsningen t1=t2; de to andre er de ulike tidspunktene.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
t = sp.symbols("t", real=True)
expr = t*sp.exp(-t/2)-(5-t)*sp.exp(-(5-t)/2)
t1 = sp.nsolve(expr,0.7,prec=40)
t2 = 5-t1
x1 = -12*t1*sp.exp(-t1/2)
y1 = t1**2-5*t1
x2 = -12*t2*sp.exp(-t2/2)
y2 = t2**2-5*t2
print("Equation after t2=5-t1:", expr)
print("t1 =", sp.N(t1,14))
print("t2 =", sp.N(t2,14))
print("t1+t2 =", sp.N(t1+t2,14))
print("Position at t1 =", (sp.N(x1,12),sp.N(y1,12)))
print("Position at t2 =", (sp.N(x2,12),sp.N(y2,12)))
print("Coordinate differences =", (sp.N(x1-x2,8),sp.N(y1-y2,8)))
Utskrift fra Python:
Equation after t2=5-t1: t*exp(-t/2) - (5 - t)*exp(t/2 - 5/2)
t1 = 0.72397054128032
t2 = 4.2760294587197
t1+t2 = 5.0000000000000
Position at t1 = (-6.04914417213, -3.09571936176)
Position at t2 = (-6.04914417213, -3.09571936176)
Coordinate differences = (0, 9.1835496e-41)

Fasit: Tidspunktene er \(t\approx0{,}724\) og \(t\approx4{,}276\).

Vanlig feil: Å ta med t=2,5 som to forskjellige tidspunkter.
Sensorpunkt: Begge koordinatlikningene og den numeriske kontrollen skal dokumenteres.
Del 2 - Oppgave 4Bestemme koeffisienter fra nullpunkt og vendepunkt

Oppgave 4

Oppgave: Bestem a, b og c i \(f(x)=ax^3+bx^2+cx+1\) når x=1 er nullpunkt og P(2,-3) er vendepunkt.
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Opplysningene gir tre likninger: funksjonsverdi ved 1, funksjonsverdi ved 2 og andrederivert ved 2.

Steg 1 – Nullpunktet

\[f(1)=a+b+c+1=0.\]

Steg 2 – Punktet P

\[f(2)=8a+4b+2c+1=-3.\]

Steg 3 – Andrederivert

\[f\prime\prime(x)=6ax+2b.\]

Steg 4 – Vendepunktkravet

\[f\prime\prime(2)=12a+2b=0.\]

Steg 5 – Løs likningssystemet

Løsningen blir \[a=\frac13,\qquad b=-2,\qquad c=\frac23.\]

Steg 6 – Kontroll

Funksjonen får f(1)=0, f(2)=-3 og f(2)=0.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS
1
Solve[{a+b+c+1=0,8a+4b+2c+1=-3,12a+2b=0},{a,b,c}]
\(a=1/3,b=-2,c=2/3\)

Tolkning: De tre uavhengige betingelsene bestemmer koeffisientene entydig.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
x, a, b, c = sp.symbols("x a b c", real=True)
f = a*x**3+b*x**2+c*x+1
equations = [sp.Eq(f.subs(x,1),0),sp.Eq(f.subs(x,2),-3),sp.Eq(sp.diff(f,x,2).subs(x,2),0)]
solution = sp.solve(equations,[a,b,c],dict=True)[0]
f_solution = sp.expand(f.subs(solution))
print("Equations =", equations)
print("Solution =", solution)
print("f(x) =", f_solution)
print("f(1) =", f_solution.subs(x,1))
print("f(2) =", f_solution.subs(x,2))
print("f''(2) =", sp.diff(f_solution,x,2).subs(x,2))
Utskrift fra Python:
Equations = [Eq(a + b + c + 1, 0), Eq(8*a + 4*b + 2*c + 1, -3), Eq(12*a + 2*b, 0)]
Solution = {a: 1/3, b: -2, c: 2/3}
f(x) = x**3/3 - 2*x**2 + 2*x/3 + 1
f(1) = 0
f(2) = -3
f''(2) = 0

Fasit: \(a=\dfrac13\), \(b=-2\) og \(c=\dfrac23\).

Vanlig feil: Å bruke f′(2)=0; et vendepunkt trenger ikke ha horisontal tangent.
Sensorpunkt: Alle tre betingelsene må oversettes korrekt til likninger.
Del 2 - Oppgave 5aAreal som funksjon av parameter

Oppgave 5a

Oppgave: For \(g(x)=x^3-3x^2-13x+15\) og \(1<s<5\), bestem et uttrykk for arealet av trekanten med A(1,0), B(s,0) og P(s,g(s)).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? AB er en horisontal grunnlinje, og den vertikale høyden er absoluttverdien av g(s).

Steg 1 – Grunnlinjen

\[AB=s-1.\]

Steg 2 – Faktoriser g

\[g(s)=(s-5)(s-1)(s+3).\]

Steg 3 – Fortegn

For \(1<s<5\) er g(s)<0, så høyden er \(|g(s)|=-g(s)\).

Steg 4 – Arealformelen

\[A(s)=\frac12(s-1)(-g(s)).\]

Steg 5 – Faktorisert uttrykk

\[A(s)=\frac12(s-1)^2(5-s)(s+3).\]

Steg 6 – Utvidet uttrykk

\[A(s)=-\frac12s^4+2s^3+5s^2-14s+\frac{15}{2}.\]

Illustrasjon til Oppgave 5a
Arealfunksjonen er positiv mellom 1 og 5 og går mot 0 ved endepunktene.

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS
1
Factor[(1/2)(s-1)(-(s^3-3s^2-13s+15))]
\((s-1)^2(5-s)(s+3)/2\)

Tolkning: På intervallet er høyden -g(s), fordi grafpunktet ligger under x-aksen.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
s = sp.symbols("s", real=True)
g = s**3-3*s**2-13*s+15
factor_g = sp.factor(g)
area = sp.factor(sp.Rational(1,2)*(s-1)*(-g))
expanded = sp.expand(area)
print("g(s) =", g)
print("Factorized g(s) =", factor_g)
print("For 1 < s < 5, g(s) is negative")
print("Area A(s) =", area)
print("Expanded A(s) =", expanded)
print("A(1) =", area.subs(s,1), "A(5) =", area.subs(s,5))
Utskrift fra Python:
g(s) = s**3 - 3*s**2 - 13*s + 15
Factorized g(s) = (s - 5)*(s - 1)*(s + 3)
For 1 < s < 5, g(s) is negative
Area A(s) = -(s - 5)*(s - 1)**2*(s + 3)/2
Expanded A(s) = -s**4/2 + 2*s**3 + 5*s**2 - 14*s + 15/2
A(1) = 0 A(5) = 0

Fasit: \(A(s)=\dfrac12(s-1)^2(5-s)(s+3)\), for \(1<s<5\).

Vanlig feil: Å bruke g(s) direkte som høyde selv om g(s) er negativ.
Sensorpunkt: Grunnlinje, høyde og fortegn skal begrunnes.
Del 2 - Oppgave 5bMaksimering av areal

Oppgave 5b

Oppgave: Bestem eksakt s som gir størst areal, og finn maksimalarealet.
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi deriverer arealfunksjonen, finner kritiske punkter i intervallet og sammenligner.

Steg 1 – Deriver

Fra det utvidede uttrykket får vi \[A\prime(s)=-2s^3+6s^2+10s-14.\]

Steg 2 – Faktoriser den deriverte

\[A\prime(s)=-2(s-1)(s^2-2s-7).\]

Steg 3 – Kritiske punkter

\[s=1\quad\text{eller}\quad s=1\pm2\sqrt2.\]

Steg 4 – Bruk intervallet

I \(1<s<5\) ligger bare \[s=1+2\sqrt2.\]

Steg 5 – Maksimumskontroll

Arealet er 0 ved grensene s=1 og s=5, og positivt inne i intervallet. Det eneste indre kritiske punktet gir derfor maksimum.

Steg 6 – Sett inn

\[A(1+2\sqrt2)=32.\]

Steg 7 – Konklusjon

Maksimalarealet er 32 arealenheter.

Illustrasjon til Oppgave 5b
Maksimumspunktet har eksakte koordinater (1+2√2, 32).

GeoGebra/CAS-kontroll

GeoGebra - CAS
1
Extremum[(s-1)^2(5-s)(s+3)/2,1,5]
\((1+2\sqrt2,32)\)

Tolkning: Det eneste indre ekstremalpunktet er maksimumspunktet.

Python-kontroll med SymPy

Python 3 - faktisk kjøring
import sympy as sp
s = sp.symbols("s", real=True)
area = sp.Rational(1,2)*(s-1)**2*(5-s)*(s+3)
derivative = sp.factor(sp.diff(area,s))
critical = sp.solve(sp.Eq(derivative,0),s)
s_max = 1+2*sp.sqrt(2)
max_area = sp.simplify(area.subs(s,s_max))
print("A(s) =", sp.expand(area))
print("A'(s) =", derivative)
print("All critical values =", critical)
print("Critical value in (1,5) =", s_max)
print("Decimal s =", sp.N(s_max,12))
print("Maximum area =", max_area)
print("Endpoint values =", area.subs(s,1), area.subs(s,5))
Utskrift fra Python:
A(s) = -s**4/2 + 2*s**3 + 5*s**2 - 14*s + 15/2
A'(s) = -2*(s - 1)*(s**2 - 2*s - 7)
All critical values = [1, 1 - 2*sqrt(2), 1 + 2*sqrt(2)]
Critical value in (1,5) = 1 + 2*sqrt(2)
Decimal s = 3.82842712475
Maximum area = 32
Endpoint values = 0 0

Fasit: \(s=1+2\sqrt2\), og det største arealet er \(32\).

Vanlig feil: Å velge den negative roten eller glemme å kontrollere intervallet.
Sensorpunkt: Eksakt s-verdi, intervallkontroll og maksimalareal skal oppgis.
Kilde og metode: Oppgavetekstene er transkribert fra Utdanningsdirektoratets eksamenssett REA3022 Matematikk R1, våren 2022 (K06). Sidebildene fra original-PDF-en er brukt som autoritativ kilde ved symboler og figurer. Løsningene, figurene og kontrollkodene er originale ifingo-utarbeidelser. Python-utskriftene er generert ved faktisk kjøring av hver kodeblokk under produksjonen.