R2 eksamenHøst 2013

Matematikk R2 eksamen – høst 2013

ifingo
Norsk (Bokmål)

Matematikk R2 — eksamen høst 2013 (REA3024)

Løsningsforslag til eksamenssettet fra Utdanningsdirektoratet.

34deloppgaver
34Python-kontroller
34CAS-kontroller
7visualiseringer

Del 1 – uten hjelpemidler

Del 1 · Oppgave 1aDerivasjon

Oppgave 1a

Oppgave: Deriver funksjonen \(f(x)=5x\cos x\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skal derivere et produkt av \(5x\) og \(\cos x\). Produktregelen er derfor hovedmetoden.

Steg 1 — Del funksjonen i to faktorer

Sett \(u(x)=5x\) og \(v(x)=\cos x\). Da er \(u\cdot v=f\).

Steg 2 — Deriver hver faktor

\[u'(x)=5,\qquad v'(x)=-\sin x\]

Steg 3 — Bruk produktregelen

\[f'(x)=u'v+uv'\]

Steg 4 — Sett inn uttrykkene

\[f'(x)=5\cos x+5x(-\sin x)\]

Steg 5 — Forenkle

\[f'(x)=5\cos x-5x\sin x\]

Steg 6 — Kontroller strukturen

Svaret har ett ledd fra derivasjonen av \(5x\) og ett ledd fra derivasjonen av \(\cos x\), slik produktregelen krever.

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1Derivative(5*x*cos(x),x)
Resultat: \(5\cos x-5x\sin x\)

Tolkning: CAS viser begge produktleddene og bekrefter fortegnet foran sinusleddet.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import symbols, cos, sin, diff, simplify
x = symbols('x', real=True)
f = 5*x*cos(x)
derivative = diff(f, x)
expected = 5*cos(x) - 5*x*sin(x)
print("f(x) =", f)
print("f'(x) =", derivative)
print("Forventet uttrykk =", expected)
print("Kontrollforskjell =", simplify(derivative - expected))
print("f'(0) =", derivative.subs(x, 0))
f(x) = 5*x*cos(x)
f'(x) = -5*x*sin(x) + 5*cos(x)
Forventet uttrykk = -5*x*sin(x) + 5*cos(x)
Kontrollforskjell = 0
f'(0) = 5

Fasit: \(f'(x)=5\cos x-5x\sin x\).

Vanlig feil: Å derivere bare én av faktorene, eller å glemme minustegnet i \((\cos x)'=-\sin x\).
Sensorpunkt: Sensor ser etter korrekt produktregel, begge mellomleddene og riktig fortegn.
Del 1 · Oppgave 1bKvotientregel og kjerneregel

Oppgave 1b

Oppgave: Deriver funksjonen \(g(x)=\dfrac{\sin(2x)}{x}\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Funksjonen er en kvotient. Telleren må i tillegg deriveres med kjerneregelen.

Steg 1 — Identifiser teller og nevner

Sett \(u(x)=\sin(2x)\) og \(v(x)=x\).

Steg 2 — Deriver telleren med kjerneregelen

\[u'(x)=2\cos(2x)\]

Steg 3 — Deriver nevneren

\[v'(x)=1\]

Steg 4 — Bruk kvotientregelen

\[g'(x)=\frac{u'v-uv'}{v^2}\]

Steg 5 — Sett inn

\[g'(x)=\frac{2\cos(2x)\cdot x-\sin(2x)\cdot1}{x^2}\]

Steg 6 — Skriv sluttformen og domenet

\[g'(x)=\frac{2x\cos(2x)-\sin(2x)}{x^2},\qquad x\ne0\]

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1Derivative(sin(2*x)/x,x)
Resultat: \((2x\cos(2x)-\sin(2x))/x^2\)

Tolkning: CAS bekrefter både faktoren 2 fra kjerneregelen og nevneren \(x^2\).

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import symbols, sin, cos, diff, simplify
x = symbols('x', real=True, nonzero=True)
g = sin(2*x)/x
derivative = simplify(diff(g, x))
expected = (2*x*cos(2*x) - sin(2*x))/x**2
print("g(x) =", g)
print("g'(x) =", derivative)
print("Forventet uttrykk =", expected)
print("Kontrollforskjell =", simplify(derivative - expected))
print("Definisjonskrav: x != 0")
g(x) = sin(2*x)/x
g'(x) = (2*x*cos(2*x) - sin(2*x))/x**2
Forventet uttrykk = (2*x*cos(2*x) - sin(2*x))/x**2
Kontrollforskjell = 0
Definisjonskrav: x != 0

Fasit: \(g'(x)=\dfrac{2x\cos(2x)-\sin(2x)}{x^2}\), for \(x\ne0\).

Vanlig feil: Å glemme faktoren 2 når \(\sin(2x)\) deriveres, eller å bytte rekkefølgen i telleren.
Sensorpunkt: Sensor ser etter kvotientregelen skrevet korrekt før innsetting.
Del 1 · Oppgave 2aBestemt integral

Oppgave 2a

Oppgave: Bestem integralet \(\displaystyle\int_0^1 2e^{2x}\,dx\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skal finne en stamfunksjon og deretter bruke analysens fundamentalteorem med grensene 0 og 1.

Steg 1 — Kjenn igjen kjernen

Den indre funksjonen i eksponenten er \(2x\), med derivert 2. Faktoren 2 står allerede foran.

Steg 2 — Finn en stamfunksjon

\[\int 2e^{2x}\,dx=e^{2x}+C\]

Steg 3 — Sett inn øvre grense

\[F(1)=e^{2}\]

Steg 4 — Sett inn nedre grense

\[F(0)=e^{0}=1\]

Steg 5 — Trekk nedre verdi fra øvre

\[\int_0^1 2e^{2x}\,dx=e^2-1\]

Steg 6 — Vurder fortegnet

Integranden er positiv på hele intervallet, og svaret \(e^2-1>0\) er derfor rimelig.

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1Integral(2*exp(2*x),x,0,1)
Resultat: \(e^2-1\)

Tolkning: CAS evaluerer det bestemte integralet eksakt.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import symbols, exp, integrate, simplify, N
x = symbols('x', real=True)
integrand = 2*exp(2*x)
antiderivative = integrate(integrand, x)
value = integrate(integrand, (x, 0, 1))
expected = exp(2) - 1
print("Integrand =", integrand)
print("Stamfunksjon =", antiderivative)
print("F(1) - F(0) =", value)
print("Kontrollforskjell =", simplify(value - expected))
print("Desimalverdi =", N(value, 12))
Integrand = 2*exp(2*x)
Stamfunksjon = exp(2*x)
F(1) - F(0) = -1 + exp(2)
Kontrollforskjell = 0
Desimalverdi = 6.38905609893

Fasit: \(\displaystyle e^2-1\approx6{,}389\).

Vanlig feil: Å dele på 2 en ekstra gang selv om faktoren 2 allerede står foran integralet.
Sensorpunkt: Sensor ser etter stamfunksjon, tydelig innsetting av begge grenser og eksakt svar.
Del 1 · Oppgave 2bDelvis integrasjon

Oppgave 2b

Oppgave: Bestem integralet \(\displaystyle\int 2x\,e^x\,dx\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Produktet av et polynom og en eksponentialfunksjon gjør delvis integrasjon naturlig.

Steg 1 — Velg delene

Sett \(u=2x\) og \(dv=e^x\,dx\). Polynomdelen blir enklere når den deriveres.

Steg 2 — Finn du og v

\[du=2\,dx,\qquad v=e^x\]

Steg 3 — Bruk formelen

\[\int u\,dv=uv-\int v\,du\]

Steg 4 — Sett inn

\[\int 2xe^x\,dx=2xe^x-\int2e^x\,dx\]

Steg 5 — Integrer restleddet

\[2xe^x-2e^x+C\]

Steg 6 — Faktoriser

\[\int2xe^x\,dx=2e^x(x-1)+C\]

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1Integral(2*x*exp(x),x)
Resultat: \(2e^x(x-1)\)

Tolkning: CAS gir en ekvivalent faktorisert stamfunksjon.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import symbols, exp, integrate, diff, simplify, factor
x = symbols('x', real=True)
integrand = 2*x*exp(x)
F = 2*exp(x)*(x - 1)
cas_result = integrate(integrand, x)
print("Integrand =", integrand)
print("CAS-stamfunksjon =", cas_result)
print("Valgt faktorisert form =", F)
print("Derivert av valgt form =", diff(F, x))
print("Kontrollforskjell =", simplify(diff(F, x) - integrand))
print("Faktorisert CAS-resultat =", factor(cas_result))
Integrand = 2*x*exp(x)
CAS-stamfunksjon = (2*x - 2)*exp(x)
Valgt faktorisert form = 2*(x - 1)*exp(x)
Derivert av valgt form = 2*(x - 1)*exp(x) + 2*exp(x)
Kontrollforskjell = 0
Faktorisert CAS-resultat = 2*(x - 1)*exp(x)

Fasit: \(\displaystyle\int2xe^x\,dx=2e^x(x-1)+C\).

Vanlig feil: Å glemme minusleddet \(-\int v\,du\), eller å utelate integrasjonskonstanten.
Sensorpunkt: Sensor ser etter et begrunnet valg av \(u\), korrekt formel og en kontrollérbar sluttform.
Del 1 · Oppgave 3aVektorer i rommet

Oppgave 3a

Oppgave: Gitt punktene \(A(2,0,0)\), \(B(0,3,0)\), \(C(0,0,4)\) og \(O(0,0,0)\). Bestem \(\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}\) og \(\overrightarrow{AB}\times\overrightarrow{AC}\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi må først danne de to retningsvektorene fra A og deretter bruke definisjonene av skalar- og vektorprodukt.

Steg 1 — Finn vektorene

\[\overrightarrow{AB}=B-A=(-2,3,0),\qquad\overrightarrow{AC}=C-A=(-2,0,4)\]

Steg 2 — Beregn skalarproduktet

\[\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}=(-2)(-2)+3\cdot0+0\cdot4=4\]

Steg 3 — Sett opp vektorproduktet

\[\overrightarrow{AB}\times\overrightarrow{AC}=\begin{vmatrix}\mathbf i&\mathbf j&\mathbf k\\-2&3&0\\-2&0&4\end{vmatrix}\]

Steg 4 — Regn x-komponenten

\[3\cdot4-0\cdot0=12\]

Steg 5 — Regn y- og z-komponenten

\[0\cdot(-2)-(-2)\cdot4=8,\qquad(-2)\cdot0-3\cdot(-2)=6\]

Steg 6 — Kontroller ortogonalitet

\[(12,8,6)\cdot(-2,3,0)=0,\qquad(12,8,6)\cdot(-2,0,4)=0\]
Tetraederet med koordinataksenes skjæringspunkter.
Tetraederet med koordinataksenes skjæringspunkter.

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1Dot(Vector((-2,3,0)),Vector((-2,0,4)))
Resultat: \(4\)
2Cross(Vector((-2,3,0)),Vector((-2,0,4)))
Resultat: \((12,8,6)\)

Tolkning: Vektorproduktet er ortogonalt på begge inngangsvektorene.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import Matrix
A = Matrix([2, 0, 0])
B = Matrix([0, 3, 0])
C = Matrix([0, 0, 4])
AB = B - A
AC = C - A
dot_product = AB.dot(AC)
cross_product = AB.cross(AC)
print("AB =", AB.T)
print("AC =", AC.T)
print("AB dot AC =", dot_product)
print("AB cross AC =", cross_product.T)
print("Kontroll mot AB =", cross_product.dot(AB))
print("Kontroll mot AC =", cross_product.dot(AC))
AB = Matrix([[-2, 3, 0]])
AC = Matrix([[-2, 0, 4]])
AB dot AC = 4
AB cross AC = Matrix([[12, 8, 6]])
Kontroll mot AB = 0
Kontroll mot AC = 0

Fasit: \(\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}=4\) og \(\overrightarrow{AB}\times\overrightarrow{AC}=(12,8,6)\).

Vanlig feil: Å bruke punktkoordinatene direkte i stedet for å danne vektorene fra samme startpunkt.
Sensorpunkt: Sensor ser etter korrekte vektorer, alle komponentregninger og riktig orientering på vektorproduktet.
Del 1 · Oppgave 3bVolum med determinant

Oppgave 3b

Oppgave: Bestem volumet av tetraederet \(ABCO\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Tetraederets volum er en sjettedel av absoluttverdien til et trippelprodukt.

Steg 1 — Velg tre kantvektorer fra O

\[\overrightarrow{OA}=(2,0,0),\quad\overrightarrow{OB}=(0,3,0),\quad\overrightarrow{OC}=(0,0,4)\]

Steg 2 — Skriv volumformelen

\[V=\frac16\left|\overrightarrow{OA}\cdot(\overrightarrow{OB}\times\overrightarrow{OC})\right|\]

Steg 3 — Finn vektorproduktet

\[\overrightarrow{OB}\times\overrightarrow{OC}=(12,0,0)\]

Steg 4 — Finn trippelproduktet

\[\overrightarrow{OA}\cdot(12,0,0)=24\]

Steg 5 — Del på 6

\[V=\frac{|24|}{6}=4\]

Steg 6 — Tolk enheten

Koordinatene er uten oppgitt fysisk enhet, så volumet oppgis i kubikkenheter.

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1Abs(Determinant({{2,0,0},{0,3,0},{0,0,4}}))/6
Resultat: \(4\)

Tolkning: CAS beregner determinanten 24 og tetraedervolumet 4.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import Matrix, Abs, Rational
OA = Matrix([2, 0, 0])
OB = Matrix([0, 3, 0])
OC = Matrix([0, 0, 4])
M = Matrix.hstack(OA, OB, OC)
determinant = M.det()
volume = Rational(1, 6)*Abs(determinant)
print("Matrise med kantvektorer:")
print(M)
print("Determinant =", determinant)
print("Parallellipipedvolum =", Abs(determinant))
print("Tetraedervolum =", volume)
Matrise med kantvektorer:
Matrix([[2, 0, 0], [0, 3, 0], [0, 0, 4]])
Determinant = 24
Parallellipipedvolum = 24
Tetraedervolum = 4

Fasit: \(V=4\) kubikkenheter.

Vanlig feil: Å glemme faktoren \(1/6\). Determinanten gir volumet av parallellipipedet, ikke tetraederet.
Sensorpunkt: Sensor ser etter riktig trippelprodukt og eksplisitt deling på 6.
Del 1 · Oppgave 3cPlanlikning

Oppgave 3c

Oppgave: Punktene \(A\), \(B\) og \(C\) ligger i planet \(\alpha\). Vis at likningen til planet \(\alpha\) kan skrives \(\dfrac{x}{2}+\dfrac{y}{3}+\dfrac{z}{4}=1\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi kan bruke vektorproduktet fra oppgave a som normalvektor og deretter kontrollere skjæringsformen.

Steg 1 — Bruk normalvektoren

Fra oppgave a har vi en normalvektor \(\vec n=(12,8,6)\), som kan forkortes til \((6,4,3)\).

Steg 2 — Sett opp punkt-normal-form

\[6(x-2)+4(y-0)+3(z-0)=0\]

Steg 3 — Utvid

\[6x+4y+3z=12\]

Steg 4 — Del hele likningen på 12

\[\frac{x}{2}+\frac{y}{3}+\frac{z}{4}=1\]

Steg 5 — Kontroller A og B

\[A:\ 2/2=1,\qquad B:\ 3/3=1\]

Steg 6 — Kontroller C

\[C:\ 4/4=1\]

Steg 7 — Konkluder

Alle tre punktene ligger i planet, og normalvektoren er parallell med koeffisientvektoren.

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1Plane(A,B,C)
Resultat: \(6x+4y+3z=12\)
2Simplify((6*x+4*y+3*z)/12)
Resultat: \(x/2+y/3+z/4\)

Tolkning: CAS gir samme plan i standardform og skjæringsform.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import Matrix, symbols, simplify
x, y, z = symbols('x y z', real=True)
A = Matrix([2, 0, 0]); B = Matrix([0, 3, 0]); C = Matrix([0, 0, 4])
normal = (B - A).cross(C - A)
plane_expression = normal.dot(Matrix([x, y, z]) - A)
normalized = simplify((6*x + 4*y + 3*z)/12)
print("Normalvektor =", normal.T)
print("Planuttrykk =", plane_expression.expand())
print("Standardform: 6*x + 4*y + 3*z = 12")
print("Normalisert venstreside =", normalized)
for name, point in [("A",A),("B",B),("C",C)]:
    value = simplify(point[0]/2 + point[1]/3 + point[2]/4)
    print(f"Kontroll {name} =", value)
Normalvektor = Matrix([[12, 8, 6]])
Planuttrykk = 12*x + 8*y + 6*z - 24
Standardform: 6*x + 4*y + 3*z = 12
Normalisert venstreside = x/2 + y/3 + z/4
Kontroll A = 1
Kontroll B = 1
Kontroll C = 1

Fasit: \(\alpha:\ \dfrac{x}{2}+\dfrac{y}{3}+\dfrac{z}{4}=1\).

Vanlig feil: Å bruke \((12,8,6)\) som punkt i stedet for som normalvektor, eller å dele koeffisientene ulikt.
Sensorpunkt: Sensor ser etter normalvektor, punkt-normal-form og kontroll av skjæringspunktene.
Del 1 · Oppgave 4aUendelig geometrisk rekke

Oppgave 4a

Oppgave: En rekke er gitt ved \(1+e^{-1}+e^{-2}+e^{-3}+\cdots\). Forklar at dette er en konvergent, geometrisk rekke. Bestem summen av den uendelige rekken.
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skal identifisere første ledd og kvotient, kontrollere konvergenskravet og bruke sumformelen.

Steg 1 — Finn første ledd

\[a_1=1\]

Steg 2 — Finn kvotienten

\[k=\frac{e^{-1}}1=e^{-1}=\frac1e\]

Steg 3 — Kontroller at kvotienten er konstant

\[\frac{e^{-2}}{e^{-1}}=e^{-1},\qquad\frac{e^{-3}}{e^{-2}}=e^{-1}\]

Steg 4 — Kontroller konvergens

\[|k|=\frac1e<1\]

Steg 5 — Bruk sumformelen

\[S=\frac{a_1}{1-k}=\frac1{1-e^{-1}}\]

Steg 6 — Forenkle

\[S=\frac{e}{e-1}\]

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1Sum(exp(-n),n,0,infinity)
Resultat: \(e/(e-1)\)

Tolkning: CAS bekrefter at rekken konvergerer og gir den eksakte summen.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import symbols, exp, summation, oo, simplify, N
n = symbols('n', integer=True, nonnegative=True)
ratio = exp(-1)
series_sum = summation(exp(-n), (n, 0, oo))
formula_sum = 1/(1 - ratio)
print("Første ledd =", 1)
print("Kvotient =", ratio)
print("Kvotientens desimalverdi =", N(ratio, 12))
print("Er |k| < 1?", bool(N(abs(ratio)) < 1))
print("Sum fra SymPy =", series_sum)
print("Sumformel =", simplify(formula_sum))
print("Kontrollforskjell =", simplify(series_sum - formula_sum))
Første ledd = 1
Kvotient = exp(-1)
Kvotientens desimalverdi = 0.367879441171
Er |k| < 1? True
Sum fra SymPy = 1/(1 - exp(-1))
Sumformel = E/(-1 + E)
Kontrollforskjell = 0

Fasit: Rekken konvergerer fordi \(|e^{-1}|<1\), og \(S=\dfrac{e}{e-1}\).

Vanlig feil: Å bruke \(e\) som kvotient i stedet for \(e^{-1}\), eller å hoppe over konvergenskravet.
Sensorpunkt: Sensor ser etter både geometrisk struktur, \(|k|<1\) og korrekt sumformel.
Del 1 · Oppgave 4bParameteravhengig rekke

Oppgave 4b

Oppgave: En geometrisk rekke er gitt ved \(1+e^{-x}+e^{-2x}+e^{-3x}+\cdots\). Bestem konvergensområdet og summen av rekken.
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Kvotienten avhenger av x. Vi må løse konvergensulikheten før vi bruker sumformelen.

Steg 1 — Identifiser første ledd og kvotient

\[a_1=1,\qquad k=e^{-x}\]

Steg 2 — Skriv konvergenskravet

\[|e^{-x}|<1\]

Steg 3 — Bruk at eksponentialfunksjonen er positiv

\[e^{-x}<1\]

Steg 4 — Løs ulikheten

Siden \(e^u<1\) akkurat når \(u<0\), får vi \(-x<0\), altså \(x>0\).

Steg 5 — Bruk sumformelen for x > 0

\[S(x)=\frac1{1-e^{-x}}\]

Steg 6 — Skriv en alternativ form

\[S(x)=\frac{e^x}{e^x-1}\]

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1Solve(abs(exp(-x))<1,x)
Resultat: \(x>0\)
2Sum(exp(-n*x),n,0,infinity)
Resultat: \(1/(1-e^{-x})\), for \(x>0\)

Tolkning: CAS viser at summen bare eksisterer på området der kvotientens absoluttverdi er mindre enn 1.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import symbols, exp, summation, oo, simplify, N
x = symbols('x', real=True)
n = symbols('n', integer=True, nonnegative=True)
ratio = exp(-x)
closed_form = 1/(1 - ratio)
print("Første ledd = 1")
print("Kvotient k(x) =", ratio)
print("Konvergenskrav: exp(-x) < 1")
print("Dette gir: x > 0")
print("Lukket sumform =", closed_form)
print("Alternativ form =", simplify(exp(x)/(exp(x)-1)))
for value in [1, 2]:
    partial = sum(float(exp(-value*j)) for j in range(20))
    exact = float(closed_form.subs(x, value))
    print(f"x={value}: 20-ledds sum = {partial:.12f}, eksakt = {exact:.12f}")
Første ledd = 1
Kvotient k(x) = exp(-x)
Konvergenskrav: exp(-x) < 1
Dette gir: x > 0
Lukket sumform = 1/(1 - exp(-x))
Alternativ form = exp(x)/(exp(x) - 1)
x=1: 20-ledds sum = 1.581976703609, eksakt = 1.581976706869
x=2: 20-ledds sum = 1.156517642750, eksakt = 1.156517642750

Fasit: Konvergensområdet er \(x>0\), og \(S(x)=\dfrac1{1-e^{-x}}=\dfrac{e^x}{e^x-1}\).

Vanlig feil: Å tro at rekken konvergerer for alle x fordi leddene inneholder negative eksponenter.
Sensorpunkt: Sensor ser etter en korrekt løst ulikhet og at sumformelen bare oppgis på konvergensområdet.
Del 1 · Oppgave 5Differensial og initialbetingelse

Oppgave 5

Oppgave: Antall individer i en populasjon etter \(t\) timer kan beskrives av funksjonen \(N(t)\). Vi antar at \(N'(t)=4t+3\) og \(N(0)=800\). Bestem antall individer i populasjonen etter 10 h.
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi kjenner vekstfarten og må integrere den. Initialbetingelsen bestemmer integrasjonskonstanten.

Steg 1 — Integrer den deriverte

\[N(t)=\int(4t+3)\,dt=2t^2+3t+C\]

Steg 2 — Bruk initialbetingelsen

\[N(0)=2\cdot0^2+3\cdot0+C=800\]

Steg 3 — Bestem konstanten

\[C=800\]

Steg 4 — Skriv populasjonsfunksjonen

\[N(t)=2t^2+3t+800\]

Steg 5 — Sett inn t = 10

\[N(10)=2\cdot10^2+3\cdot10+800\]

Steg 6 — Regn ferdig

\[N(10)=200+30+800=1030\]

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1Integral(4*t+3,t)
Resultat: \(2t^2+3t+C\)
2Substitute(t=10,2*t^2+3*t+800)
Resultat: \(1030\)

Tolkning: CAS integrerer vekstfarten og bekrefter initialverdien og sluttverdien.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import symbols, integrate, diff, simplify
t = symbols('t', real=True)
rate = 4*t + 3
primitive_without_constant = integrate(rate, t)
C = 800
N_function = primitive_without_constant + C
value_after_10 = N_function.subs(t, 10)
print("N'(t) =", rate)
print("Integrert uten konstant =", primitive_without_constant)
print("Initialbetingelsen gir C =", C)
print("N(t) =", N_function)
print("Kontroll av N'(t) =", diff(N_function, t))
print("Kontroll av N(0) =", N_function.subs(t, 0))
print("N(10) =", value_after_10)
N'(t) = 4*t + 3
Integrert uten konstant = 2*t**2 + 3*t
Initialbetingelsen gir C = 800
N(t) = 2*t**2 + 3*t + 800
Kontroll av N'(t) = 4*t + 3
Kontroll av N(0) = 800
N(10) = 1030

Fasit: Etter 10 timer er det \(1030\) individer.

Vanlig feil: Å bruke \(N'(10)\) som antall individer. Det er vekstfarten, ikke selve populasjonen.
Sensorpunkt: Sensor ser etter integrasjon, initialbetingelse og korrekt tolkning med individer som enhet.
Del 1 · Oppgave 6aVendepunkter

Oppgave 6a

Oppgave: En funksjon er gitt ved \(f(x)=\dfrac12x^4-2x^3+\dfrac52x\), \(D_f=\mathbb R\). Bestem koordinatene til eventuelle vendepunkter på grafen til \(f\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vendepunkter finnes der den andrederiverte er null og faktisk skifter fortegn.

Steg 1 — Deriver én gang

\[f'(x)=2x^3-6x^2+\frac52\]

Steg 2 — Deriver en gang til

\[f''(x)=6x^2-12x=6x(x-2)\]

Steg 3 — Finn kandidatene

\[f''(x)=0\Rightarrow x=0\ \text{eller}\ x=2\]

Steg 4 — Kontroller fortegnsskifte

Produktet \(6x(x-2)\) er positivt for \(x<0\), negativt for \(0<x<2\) og positivt for \(x>2\). Begge kandidater er vendepunkter.

Steg 5 — Finn y-koordinaten ved x = 0

\[f(0)=0\]

Steg 6 — Finn y-koordinaten ved x = 2

\[f(2)=\frac12\cdot16-2\cdot8+\frac52\cdot2=8-16+5=-3\]

Steg 7 — Oppgi punktene

Vendepunktene er \((0,0)\) og \((2,-3)\).

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1Derivative(f,x,2)
Resultat: \(6x(x-2)\)
2Solve(6*x*(x-2)=0)
Resultat: \(x=0,2\)

Tolkning: CAS finner kandidatene; fortegnsskiftet må fortsatt begrunnes matematisk.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import symbols, Rational, diff, factor, solve
x = symbols('x', real=True)
f = Rational(1,2)*x**4 - 2*x**3 + Rational(5,2)*x
first = diff(f, x)
second = factor(diff(f, x, 2))
candidates = solve(second, x)
print("f(x) =", f)
print("f'(x) =", first)
print("f''(x) =", second)
print("Kandidater fra f''(x)=0:", candidates)
for point in candidates:
    print(f"f({point}) =", f.subs(x, point))
for test in [-1, 1, 3]:
    print(f"f''({test}) =", second.subs(x, test))
f(x) = x**4/2 - 2*x**3 + 5*x/2
f'(x) = 2*x**3 - 6*x**2 + 5/2
f''(x) = 6*x*(x - 2)
Kandidater fra f''(x)=0: [0, 2]
f(0) = 0
f(2) = -3
f''(-1) = 18
f''(1) = -6
f''(3) = 18

Fasit: Vendepunktene er \((0,0)\) og \((2,-3)\).

Vanlig feil: Å stoppe etter \(f''(x)=0\) uten å kontrollere fortegnsskifte.
Sensorpunkt: Sensor ser etter andrederivert, fortegnsvurdering og begge koordinatene.
Del 1 · Oppgave 6bVendetangenter

Oppgave 6b

Oppgave: Bestem likningen for eventuelle vendetangenter på grafen til \(f\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi bruker vendepunktene fra a og finner stigningstallet med den førstederiverte.

Steg 1 — Bruk den førstederiverte

\[f'(x)=2x^3-6x^2+\frac52\]

Steg 2 — Finn stigningstallet ved x = 0

\[f'(0)=\frac52\]

Steg 3 — Sett inn punktet (0,0)

\[y-0=\frac52(x-0)\Rightarrow y=\frac52x\]

Steg 4 — Finn stigningstallet ved x = 2

\[f'(2)=16-24+\frac52=-\frac{11}{2}\]

Steg 5 — Bruk punktet (2,-3)

\[y+3=-\frac{11}{2}(x-2)\]

Steg 6 — Forenkle den andre tangenten

\[y=-\frac{11}{2}x+8\]

Steg 7 — Kontroller at linjene går gjennom punktene

Den første gir \(y=0\) ved \(x=0\), og den andre gir \(y=-3\) ved \(x=2\).

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1Tangent(f,(0,f(0)))
Resultat: \(y=5x/2\)
2Tangent(f,(2,f(2)))
Resultat: \(y=-11x/2+8\)

Tolkning: CAS bruker punkt og lokal derivert og gir de samme tangentlinjene.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import symbols, Rational, diff, expand, simplify
x = symbols('x', real=True)
f = Rational(1,2)*x**4 - 2*x**3 + Rational(5,2)*x
fp = diff(f, x)
points = [0, 2]
print("f'(x) =", fp)
for x0 in points:
    y0 = f.subs(x, x0)
    slope = fp.subs(x, x0)
    tangent = expand(y0 + slope*(x - x0))
    print(f"Punkt ved x={x0}: ({x0}, {y0})")
    print("Stigningstall =", slope)
    print("Tangent y =", tangent)
    print("Punktkontroll =", simplify(tangent.subs(x, x0) - y0))
f'(x) = 2*x**3 - 6*x**2 + 5/2
Punkt ved x=0: (0, 0)
Stigningstall = 5/2
Tangent y = 5*x/2
Punktkontroll = 0
Punkt ved x=2: (2, -3)
Stigningstall = -11/2
Tangent y = 8 - 11*x/2
Punktkontroll = 0

Fasit: Vendetangentene er \(y=\dfrac52x\) og \(y=-\dfrac{11}{2}x+8\).

Vanlig feil: Å bruke \(f''(x)\) som tangentstigning. Tangentens stigning er \(f'(x)\).
Sensorpunkt: Sensor ser etter punkt-stigning-form og korrekt forenkling av begge tangentene.
Del 1 · Oppgave 7Induksjonsbevis

Oppgave 7

Oppgave: Bruk induksjon til å bevise påstanden \(P(n):\ \dfrac1{1\cdot2}+\dfrac1{2\cdot3}+\dfrac1{3\cdot4}+\cdots+\dfrac1{n(n+1)}=\dfrac{n}{n+1}\), \(n\in\mathbb N\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi må vise grunntrinnet, formulere induksjonshypotesen tydelig og bevise overgangen fra k til k+1.

Steg 1 — Grunntrinn n = 1

\[\text{Venstre side}=\frac1{1\cdot2}=\frac12,\qquad\text{høyre side}=\frac1{1+1}=\frac12\]

Steg 2 — Konkluder grunntrinnet

Påstanden er sann for \(n=1\).

Steg 3 — Induksjonshypotese

Anta at påstanden er sann for et vilkårlig \(k\in\mathbb N\):

\[\sum_{i=1}^{k}\frac1{i(i+1)}=\frac{k}{k+1}\]

Steg 4 — Skriv summen for k + 1

\[\sum_{i=1}^{k+1}\frac1{i(i+1)}=\sum_{i=1}^{k}\frac1{i(i+1)}+\frac1{(k+1)(k+2)}\]

Steg 5 — Bruk induksjonshypotesen

\[=\frac{k}{k+1}+\frac1{(k+1)(k+2)}\]

Steg 6 — Finn felles nevner

\[=\frac{k(k+2)+1}{(k+1)(k+2)}=\frac{k^2+2k+1}{(k+1)(k+2)}\]

Steg 7 — Faktoriser og forkort

\[=\frac{(k+1)^2}{(k+1)(k+2)}=\frac{k+1}{k+2}\]

Steg 8 — Avslutt induksjonen

Dette er høyresiden i \(P(k+1)\). Dermed er påstanden sann for alle \(n\in\mathbb N\).

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1Simplify(k/(k+1)+1/((k+1)*(k+2)))
Resultat: \((k+1)/(k+2)\)

Tolkning: CAS bekrefter akkurat algebraovergangen i induksjonssteget.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import symbols, summation, simplify
n = symbols('n', integer=True, positive=True)
k = symbols('k', integer=True, positive=True)
i = symbols('i', integer=True, positive=True)
base_left = summation(1/(i*(i+1)), (i, 1, 1))
base_right = n/(n+1)
induction_left = k/(k+1) + 1/((k+1)*(k+2))
induction_right = (k+1)/(k+2)
general_sum = summation(1/(i*(i+1)), (i, 1, n))
print("Grunntrinn venstre =", base_left)
print("Grunntrinn høyre =", base_right.subs(n, 1))
print("Induksjonssteg før forenkling =", induction_left)
print("Induksjonssteg etter forenkling =", simplify(induction_left))
print("Mål for P(k+1) =", induction_right)
print("Forskjell i induksjonssteget =", simplify(induction_left - induction_right))
print("Symbolsk generell sum =", simplify(general_sum))
Grunntrinn venstre = 1/2
Grunntrinn høyre = 1/2
Induksjonssteg før forenkling = k/(k + 1) + 1/((k + 1)*(k + 2))
Induksjonssteg etter forenkling = (k + 1)/(k + 2)
Mål for P(k+1) = (k + 1)/(k + 2)
Forskjell i induksjonssteget = 0
Symbolsk generell sum = n/(n + 1)

Fasit: Påstanden er bevist for alle \(n\in\mathbb N\).

Vanlig feil: Det vanligste karakter-6-tapet er å skrive «åpenbart» i induksjonssteget uten å vise felles nevner, faktorisering og måluttrykket.
Sensorpunkt: Sensor ser etter tre tydelige deler: grunntrinn, eksplisitt hypotese og full overgang til \((k+1)/(k+2)\).

Del 2 – med hjelpemidler

Del 2 · Oppgave 1aTrigonometri og geometri

Oppgave 1a

Oppgave: Figuren viser et trapes \(ABCD\) som er innskrevet i en halvsirkel med radius 1. Forklar at arealet \(F\) av trapeset er gitt ved \(F(v)=(1+\cos v)\sin v\). Hvilke verdier kan \(v\) ha?
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi uttrykker høyden og de parallelle sidene med sinus og cosinus og setter dem inn i trapesformelen.

Steg 1 — Finn koordinatene til C

Radiusen \(OC=1\) og vinkelen med positiv x-akse er \(v\). Derfor er \(C=(\cos v,\sin v)\).

Steg 2 — Bruk symmetrien

Punktet D ligger symmetrisk om y-aksen, så \(D=(-\cos v,\sin v)\).

Steg 3 — Finn lengdene til grunnlinjene

\[AB=2,\qquad DC=\cos v-(-\cos v)=2\cos v\]

Steg 4 — Finn høyden

\[h=\sin v\]

Steg 5 — Bruk trapesformelen

\[F=\frac{AB+DC}{2}\cdot h=\frac{2+2\cos v}{2}\sin v\]

Steg 6 — Forenkle

\[F(v)=(1+\cos v)\sin v\]

Steg 7 — Bestem intervallet

\[0\le v\le\frac{\pi}{2}\]

Da ligger C i første kvadrant og trapeset i halvsirkelen. Endepunktene gir degenererte grensefigurer.

Trapeset uttrykt med radius 1 og vinkelen v.
Trapeset uttrykt med radius 1 og vinkelen v.

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1Simplify((2+2*cos(v))/2*sin(v))
Resultat: \((1+\cos v)\sin v\)

Tolkning: CAS forenkler den geometriske trapesformelen til oppgavens funksjon.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import symbols, sin, cos, simplify, pi
v = symbols('v', real=True)
AB = 2
DC = 2*cos(v)
height = sin(v)
area_from_geometry = (AB + DC)/2 * height
claimed_area = (1 + cos(v))*sin(v)
print("AB =", AB)
print("DC =", DC)
print("Høyde =", height)
print("Areal fra trapesformelen =", area_from_geometry)
print("Forenklet areal =", simplify(area_from_geometry))
print("Kontrollforskjell =", simplify(area_from_geometry - claimed_area))
print("Tillatt intervall: 0 <= v <= pi/2")
AB = 2
DC = 2*cos(v)
Høyde = sin(v)
Areal fra trapesformelen = (cos(v) + 1)*sin(v)
Forenklet areal = (cos(v) + 1)*sin(v)
Kontrollforskjell = 0
Tillatt intervall: 0 <= v <= pi/2

Fasit: \(F(v)=(1+\cos v)\sin v\), med \(0\le v\le\pi/2\).

Vanlig feil: Å bruke \(DC=\cos v\) i stedet for hele bredden \(2\cos v\).
Sensorpunkt: Sensor ser etter koordinatargument, begge grunnlinjene, høyden og et begrunnet intervall.
Del 2 · Oppgave 1bOptimering

Oppgave 1b

Oppgave: Bestem \(\angle v\) ved regning slik at arealet av trapeset blir størst mulig. Bestem arealet av det største trapeset.
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi maksimerer arealfunksjonen på det lukkede intervallet ved å finne kritiske punkter og sammenligne med endepunktene.

Steg 1 — Deriver arealfunksjonen

\[F'(v)=(-\sin v)\sin v+(1+\cos v)\cos v\]

Steg 2 — Forenkle med en identitet

\[F'(v)=\cos v+\cos^2v-\sin^2v=\cos v+\cos(2v)\]

Steg 3 — Sett c = cos v

\[0=\cos v+2\cos^2v-1\Rightarrow 2c^2+c-1=0\]

Steg 4 — Faktoriser

\[(2c-1)(c+1)=0\]

Steg 5 — Velg gyldig løsning

På \([0,\pi/2]\) er \(c\ge0\), så \(c=1/2\). Dermed \(v=\pi/3\).

Steg 6 — Beregn arealet

\[F\left(\frac\pi3\right)=\left(1+\frac12\right)\frac{\sqrt3}{2}=\frac{3\sqrt3}{4}\]

Steg 7 — Sammenlign endepunktene

\[F(0)=0,\qquad F(\pi/2)=1,\qquad \frac{3\sqrt3}{4}>1\]

Steg 8 — Konkluder maksimum

Det indre kritiske punktet gir det globale maksimumet.

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1Derivative((1+cos(v))*sin(v),v)
Resultat: \(\cos v+\cos(2v)\)
2Solve(cos(v)+cos(2*v)=0,0<=v<=pi/2)
Resultat: \(v=\pi/3\)

Tolkning: CAS finner kritisk vinkel og sammenligningen bekrefter globalt maksimum.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import symbols, sin, cos, pi, diff, solve, simplify, sqrt, N
v = symbols('v', real=True)
F = (1 + cos(v))*sin(v)
Fp = simplify(diff(F, v))
critical_value = pi/3
values = {
    "F(0)": simplify(F.subs(v, 0)),
    "F(pi/3)": simplify(F.subs(v, critical_value)),
    "F(pi/2)": simplify(F.subs(v, pi/2)),
}
print("F(v) =", F)
print("F'(v) =", Fp)
print("Kritisk løsning i intervallet =", critical_value)
for name, value in values.items():
    print(name, "=", value, "=", N(value, 12))
print("Maksimalverdien er 3*sqrt(3)/4")
F(v) = (cos(v) + 1)*sin(v)
F'(v) = cos(v) + cos(2*v)
Kritisk løsning i intervallet = pi/3
F(0) = 0 = 0
F(pi/3) = 3*sqrt(3)/4 = 1.29903810568
F(pi/2) = 1 = 1.00000000000
Maksimalverdien er 3*sqrt(3)/4

Fasit: \(v=\pi/3=60^{\circ}\), og maksimalarealet er \(\dfrac{3\sqrt3}{4}\approx1{,}299\).

Vanlig feil: Å løse den deriverte, men ikke sammenligne med endepunktene på intervallet.
Sensorpunkt: Sensor ser etter derivasjon, trigonometrisk omskriving, gyldig løsning og endepunktskontroll.
Del 2 · Oppgave 2aFunksjonsgraf

Oppgave 2a

Oppgave: Funksjonen er gitt ved \(f(x)=\sin(\pi x)+\sin(2\pi x)\), \(x\in[0,6]\). Tegn grafen til \(f\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi bruker digital graftegning og kontrollerer viktige nullpunkter og svingningsmønsteret.

Steg 1 — Definer funksjonen

\[f(x)=\sin(\pi x)+\sin(2\pi x)\]

Steg 2 — Velg korrekt vindu

x-aksen må dekke hele intervallet \([0,6]\). Et y-vindu omtrent fra \(-2\) til 2 viser alle svingningene.

Steg 3 — Finn noen kontrollpunkter

\[f(0)=0,\qquad f(1)=0,\qquad f(2)=0\]

Steg 4 — Observer gjentakelse

Grafmønsteret på \([0,2]\) gjentas på \([2,4]\) og \([4,6]\).

Steg 5 — Tegn en sammenhengende kurve

Kurven skal være glatt fordi den er en sum av sinusfunksjoner.

Steg 6 — Kontroller digitalt

Grafen nedenfor er generert direkte fra funksjonsuttrykket.

Grafen til f(x)=sin(pi x)+sin(2 pi x) på intervallet [0,6].
Grafen til f(x)=sin(pi x)+sin(2 pi x) på intervallet [0,6].

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1f(x):=sin(pi*x)+sin(2*pi*x)
Resultat: Graf på \([0,6]\)

Tolkning: Grafen viser tre identiske perioder på intervallet.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import symbols, sin, pi, N
x = symbols('x', real=True)
f = sin(pi*x) + sin(2*pi*x)
print("f(x) =", f)
print("Kontrollpunkter:")
for value in [0, 0.5, 1, 1.5, 2, 3, 4, 5, 6]:
    print(f"f({value}) =", N(f.subs(x, value), 12))
print("Grafvindu: x fra 0 til 6")
print("Funksjonen er kontinuerlig og glatt på hele intervallet")
f(x) = sin(pi*x) + sin(2*pi*x)
Kontrollpunkter:
f(0) = 0
f(0.5) = 1.00000000000
f(1) = 0
f(1.5) = -1.00000000000
f(2) = 0
f(3) = 0
f(4) = 0
f(5) = 0
f(6) = 0
Grafvindu: x fra 0 til 6
Funksjonen er kontinuerlig og glatt på hele intervallet

Fasit: Grafen er vist i figuren og består av tre like perioder på \([0,6]\).

Vanlig feil: Å bruke grader i stedet for radianer i grafverktøyet.
Sensorpunkt: Sensor ser etter riktig funksjonsinnskriving, akseintervall og en graf som viser alle periodene.
Del 2 · Oppgave 2bPeriodisitet

Oppgave 2b

Oppgave: Bruk grafen til å vise at \(f\) er en periodisk funksjon, og bestem perioden til \(f\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi sammenligner funksjonsverdien i x og x+2 og undersøker om en mindre felles periode er mulig.

Steg 1 — Finn periodene til leddene

\[\sin(\pi x)\text{ har periode }2,\qquad\sin(2\pi x)\text{ har periode }1\]

Steg 2 — Velg en felles periode

Tallet 2 er periode for begge leddene.

Steg 3 — Kontroller algebraisk

\[f(x+2)=\sin(\pi x+2\pi)+\sin(2\pi x+4\pi)=f(x)\]

Steg 4 — Kontroller grafisk

Grafstykket på \([0,2]\) gjentas nøyaktig på \([2,4]\) og \([4,6]\).

Steg 5 — Undersøk periode 1

\[f(x+1)=-\sin(\pi x)+\sin(2\pi x)\ne f(x)\]

Steg 6 — Konkluder grunnperioden

Den minste positive perioden er derfor \(T=2\).

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1Simplify(f(x+2)-f(x))
Resultat: \(0\)
2Simplify(f(x+1)-f(x))
Resultat: \(-2\sin(\pi x)\)

Tolkning: CAS bekrefter periode 2 og viser at 1 ikke er periode.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import symbols, sin, pi, simplify
x = symbols('x', real=True)
f = sin(pi*x) + sin(2*pi*x)
shift_two = simplify(f.subs(x, x+2) - f)
shift_one = simplify(f.subs(x, x+1) - f)
print("f(x) =", f)
print("f(x+2) - f(x) =", shift_two)
print("f(x+1) - f(x) =", shift_one)
print("Er 2 en periode?", shift_two == 0)
print("Er 1 en periode?", shift_one == 0)
print("Grunnperioden er T = 2")
f(x) = sin(pi*x) + sin(2*pi*x)
f(x+2) - f(x) = 0
f(x+1) - f(x) = -2*sin(pi*x)
Er 2 en periode? True
Er 1 en periode? False
Grunnperioden er T = 2

Fasit: Funksjonen er periodisk med grunnperiode \(T=2\).

Vanlig feil: Å si at perioden er 1 bare fordi det andre sinusleddet har periode 1.
Sensorpunkt: Sensor ser etter en felles periode og en begrunnelse for at den er den minste positive.
Del 2 · Oppgave 2cTrigonometrisk identitet

Oppgave 2c

Oppgave: Vis at \(f(x)=\sin(\pi x)(1+2\cos(\pi x))\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi bruker dobbeltvinkelidentiteten for sinus og faktoriserer felles faktor.

Steg 1 — Start med definisjonen

\[f(x)=\sin(\pi x)+\sin(2\pi x)\]

Steg 2 — Bruk dobbeltvinkelidentiteten

\[\sin(2u)=2\sin u\cos u\]

Steg 3 — Sett u = pi x

\[\sin(2\pi x)=2\sin(\pi x)\cos(\pi x)\]

Steg 4 — Sett dette inn i f

\[f(x)=\sin(\pi x)+2\sin(\pi x)\cos(\pi x)\]

Steg 5 — Faktoriser sin(pi x)

\[f(x)=\sin(\pi x)(1+2\cos(\pi x))\]

Steg 6 — Kontroller ved utvidelse

Utvides produktet, får vi tilbake de to opprinnelige leddene.

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1TrigExpand(sin(pi*x)*(1+2*cos(pi*x)))
Resultat: \(\sin(\pi x)+\sin(2\pi x)\)

Tolkning: CAS utvider produktet til det opprinnelige funksjonsuttrykket.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import symbols, sin, cos, pi, expand_trig, simplify
x = symbols('x', real=True)
original = sin(pi*x) + sin(2*pi*x)
factored = sin(pi*x)*(1 + 2*cos(pi*x))
expanded = expand_trig(original)
print("Opprinnelig uttrykk =", original)
print("Faktorisert uttrykk =", factored)
print("Trigonometrisk utvidelse =", expanded)
print("Kontrollforskjell =", simplify(original - factored))
print("Identiteten er bekreftet symbolsk")
Opprinnelig uttrykk = sin(pi*x) + sin(2*pi*x)
Faktorisert uttrykk = (2*cos(pi*x) + 1)*sin(pi*x)
Trigonometrisk utvidelse = 2*sin(pi*x)*cos(pi*x) + sin(pi*x)
Kontrollforskjell = 0
Identiteten er bekreftet symbolsk

Fasit: \(f(x)=\sin(\pi x)(1+2\cos(\pi x))\).

Vanlig feil: Å bruke \(\sin(2u)=2\sin^2u\) eller en annen feil dobbeltvinkelidentitet.
Sensorpunkt: Sensor ser etter navngitt identitet, korrekt innsetting og faktorisering.
Del 2 · Oppgave 2dTrigonometriske likninger

Oppgave 2d

Oppgave: Bruk uttrykket i oppgave c til å bestemme nullpunktene til \(f\) ved regning når \(x\in[0,2]\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Et produkt er null når minst én faktor er null. Vi løser derfor to trigonometriske likninger.

Steg 1 — Sett produktet lik null

\[\sin(\pi x)(1+2\cos(\pi x))=0\]

Steg 2 — Løs første faktor

\[\sin(\pi x)=0\Rightarrow \pi x=n\pi\Rightarrow x=n\]

Steg 3 — Velg løsninger i intervallet

\[x=0,1,2\]

Steg 4 — Løs andre faktor

\[1+2\cos(\pi x)=0\Rightarrow\cos(\pi x)=-\frac12\]

Steg 5 — Finn vinklene i [0,2pi]

\[\pi x=\frac{2\pi}{3}\ \text{eller}\ \frac{4\pi}{3}\]

Steg 6 — Finn x-verdiene

\[x=\frac23\ \text{eller}\ \frac43\]

Steg 7 — Samle og sorter

\[x=0,\ \frac23,\ 1,\ \frac43,\ 2\]

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1Solve(sin(pi*x)*(1+2*cos(pi*x))=0,0<=x<=2)
Resultat: \(0,2/3,1,4/3,2\)

Tolkning: CAS gir de fem nullpunktene i det oppgitte intervallet.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import symbols, sin, cos, pi, solveset, Interval
x = symbols('x', real=True)
f = sin(pi*x)*(1 + 2*cos(pi*x))
solutions = solveset(f, x, domain=Interval(0, 2))
print("Faktorisert funksjon =", f)
print("Løsningsmengde på [0,2] =", solutions)
ordered = [0, pi*0 + 2/3, 1, 4/3, 2]
print("Nullpunkter i stigende rekkefølge:")
for value in [0, 2/3, 1, 4/3, 2]:
    print(f"x = {value}: f(x) =", f.subs(x, value).evalf(15))
Faktorisert funksjon = (2*cos(pi*x) + 1)*sin(pi*x)
Løsningsmengde på [0,2] = {0, 2/3, 1, 4/3, 2}
Nullpunkter i stigende rekkefølge:
x = 0: f(x) = 0
x = 0.6666666666666666: f(x) = 1.74393424900432e-16
x = 1: f(x) = 0
x = 1.3333333333333333: f(x) = 3.48786849800863e-16
x = 2: f(x) = 0

Fasit: Nullpunktene er \(x=0,\dfrac23,1,\dfrac43,2\).

Vanlig feil: Å løse bare \(\sin(\pi x)=0\) og glemme den andre faktoren.
Sensorpunkt: Sensor ser etter produkt-null-regelen, begge likningene og intervallavgrensning.
Del 2 · Oppgave 3aLineær differensiallikning

Oppgave 3a

Oppgave: Kapitalen K i et fond oppfyller \(K'(t)=0{,}08K(t)+20000\) og \(K(0)=20000\). Løs differensiallikningen og finn et uttrykk for \(K(t)\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Dette er en lineær førsteordens differensiallikning med konstant koeffisient. Vi finner homogen og partikulær løsning.

Steg 1 — Skriv standardformen

\[K'-0{,}08K=20000\]

Steg 2 — Løs den homogene likningen

\[K_h'=0{,}08K_h\Rightarrow K_h=Ce^{0{,}08t}\]

Steg 3 — Finn en konstant partikulær løsning

Sett \(K_p=A\). Da er \(K_p'=0\), og \(0=0{,}08A+20000\), så \(A=-250000\).

Steg 4 — Skriv generell løsning

\[K(t)=Ce^{0{,}08t}-250000\]

Steg 5 — Bruk initialbetingelsen

\[20000=C-250000\Rightarrow C=270000\]

Steg 6 — Skriv den bestemte løsningen

\[K(t)=270000e^{0{,}08t}-250000\]

Steg 7 — Kontroller ved innsetting

\[K'(t)=21600e^{0{,}08t}=0{,}08K(t)+20000\]
Kapitalmodellen K(t) de første 25 årene.
Kapitalmodellen K(t) de første 25 årene.

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1SolveODE(K'(t)=0.08*K(t)+20000,K(0)=20000)
Resultat: \(K(t)=270000e^{0.08t}-250000\)

Tolkning: CAS løser initialverdiproblemet og restleddet blir null.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import symbols, Function, Eq, Derivative, dsolve, exp, Rational, simplify
t = symbols('t', real=True)
K = Function('K')
ode = Eq(Derivative(K(t), t), Rational(2,25)*K(t) + 20000)
solution = 270000*exp(Rational(2,25)*t) - 250000
residual = simplify(solution.diff(t) - (Rational(2,25)*solution + 20000))
print("Differensiallikning:", ode)
print("Foreslått løsning K(t) =", solution)
print("K(0) =", solution.subs(t, 0))
print("K'(t) =", solution.diff(t))
print("Høyreside =", simplify(Rational(2,25)*solution + 20000))
print("Residual =", residual)
print("SymPy dsolve =", dsolve(ode, ics={K(0): 20000}))
Differensiallikning: Eq(Derivative(K(t), t), 2*K(t)/25 + 20000)
Foreslått løsning K(t) = 270000*exp(2*t/25) - 250000
K(0) = 20000
K'(t) = 21600*exp(2*t/25)
Høyreside = 21600*exp(2*t/25)
Residual = 0
SymPy dsolve = Eq(K(t), 270000*exp(2*t/25) - 250000)

Fasit: \(K(t)=270000e^{0{,}08t}-250000\).

Vanlig feil: Å skrive \(+250000\) som partikulær løsning. Fortegnet bestemmes av \(0=0{,}08A+20000\).
Sensorpunkt: Sensor ser etter full løsning, initialbetingelse og en kontroll mot differensiallikningen.
Del 2 · Oppgave 3bEksponentialmodell

Oppgave 3b

Oppgave: Bestem størrelsen på kapitalen etter 20 år.
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi setter t = 20 inn i den bestemte løsningen og runder av til et fornuftig kronebeløp.

Steg 1 — Bruk løsningen

\[K(t)=270000e^{0{,}08t}-250000\]

Steg 2 — Sett inn 20

\[K(20)=270000e^{1{,}6}-250000\]

Steg 3 — Beregn eksponentialfaktoren

\[e^{1{,}6}\approx4{,}953032\]

Steg 4 — Multipliser

\[270000\cdot4{,}953032\approx1\,337\,318{,}75\]

Steg 5 — Trekk fra 250 000

\[K(20)\approx1\,087\,318{,}75\]

Steg 6 — Rund av

Til nærmeste krone er kapitalen omtrent \(1\,087\,319\) kroner.

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1Numeric(270000*exp(0.08*20)-250000)
Resultat: \(1087318{,}75\)

Tolkning: CAS evaluerer modellen numerisk med høy presisjon.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import exp, Rational, N
t_value = 20
K20_exact = 270000*exp(Rational(2,25)*t_value) - 250000
K20_decimal = N(K20_exact, 16)
print("t =", t_value)
print("Eksakt K(20) =", K20_exact)
print("e^1.6 =", N(exp(Rational(8,5)), 16))
print("K(20) med 16 siffer =", K20_decimal)
print("Avrundet til nærmeste krone =", round(float(K20_decimal)))
print("Enhet: kroner")
t = 20
Eksakt K(20) = -250000 + 270000*exp(8/5)
e^1.6 = 4.953032424395115
K(20) med 16 siffer = 1087318.754586681
Avrundet til nærmeste krone = 1087319
Enhet: kroner

Fasit: Kapitalen etter 20 år er omtrent \(1\,087\,319\) kr.

Vanlig feil: Å bruke en diskret renteformel direkte selv om oppgaven gir en kontinuerlig differensialmodell.
Sensorpunkt: Sensor ser etter korrekt innsetting i modellen, kalkulatorverdi og benevning.
Del 2 · Oppgave 3cVekstfart

Oppgave 3c

Oppgave: Hvor lang tid vil det gå før fondet øker med 35 000 kroner per år ifølge modellen?
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Formuleringen gjelder den momentane vekstfarten, altså K'(t), ikke kapitalens størrelse.

Steg 1 — Sett vekstfarten lik 35 000

\[K'(t)=35000\]

Steg 2 — Bruk differensiallikningen

\[0{,}08K(t)+20000=35000\Rightarrow K(t)=187500\]

Steg 3 — Sett inn kapitalmodellen

\[270000e^{0{,}08t}-250000=187500\]

Steg 4 — Isoler eksponentialleddet

\[270000e^{0{,}08t}=437500\Rightarrow e^{0{,}08t}=\frac{175}{108}\]

Steg 5 — Ta naturlig logaritme

\[0{,}08t=\ln\left(\frac{175}{108}\right)\]

Steg 6 — Løs for t

\[t=\frac{\ln(175/108)}{0{,}08}\approx6{,}033\]

Steg 7 — Tolk

Fondets årlige vekstfart når 35 000 kroner etter omtrent 6,0 år.

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1Solve(Derivative(K(t),t)=35000,t)
Resultat: \(t\approx6{,}033\)

Tolkning: CAS løser likningen for vekstfarten og bekrefter at K'(t)=35000 ved tidspunktet.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import symbols, exp, Rational, log, solve, N, simplify
t = symbols('t', real=True)
K = 270000*exp(Rational(2,25)*t) - 250000
rate = simplify(K.diff(t))
solution = log(Rational(175,108))/Rational(2,25)
print("K(t) =", K)
print("K'(t) =", rate)
print("Likning: K'(t) = 35000")
print("Eksakt tidspunkt =", solution)
print("Desimaltidspunkt =", N(solution, 15))
print("Kontroll K'(t) =", N(rate.subs(t, solution), 15))
print("Tilsvarende kapital =", N(K.subs(t, solution), 15))
K(t) = 270000*exp(2*t/25) - 250000
K'(t) = 21600*exp(2*t/25)
Likning: K'(t) = 35000
Eksakt tidspunkt = 25*log(175/108)/2
Desimaltidspunkt = 6.03318433499118
Kontroll K'(t) = 35000.0000000000
Tilsvarende kapital = 187500.000000000

Fasit: \(t=\dfrac{\ln(175/108)}{0{,}08}\approx6{,}03\) år.

Vanlig feil: Å sette \(K(t)=35000\). Oppgaven spør når fondet øker med 35 000 per år, altså når \(K'(t)=35000\).
Sensorpunkt: Sensor ser etter riktig tolkning av vekstfarten og en full logaritmisk løsning.
Del 2 · Oppgave 4aPotensrekker og integrasjon

Oppgave 4a

Oppgave: En uendelig, geometrisk rekke er gitt ved \(S(x)=1+x+x^2+\cdots\), og for \(x\in(-1,1)\) er \(S(x)=\dfrac1{1-x}\). Forklar at \(x+\dfrac12x^2+\dfrac13x^3+\dfrac14x^4+\cdots=-\ln(1-x)+C\). Begrunn at \(C=0\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi integrerer potensrekken ledd for ledd innenfor konvergensområdet og sammenligner med integralet av den lukkede formen.

Steg 1 — Start med rekken

\[1+x+x^2+x^3+\cdots=\frac1{1-x},\qquad |x|<1\]

Steg 2 — Integrer venstresiden leddvis

\[\int(1+x+x^2+x^3+\cdots)\,dx=x+\frac12x^2+\frac13x^3+\frac14x^4+\cdots\]

Steg 3 — Integrer høyresiden

\[\int\frac1{1-x}\,dx=-\ln(1-x)+C\]

Steg 4 — Sett uttrykkene lik hverandre

\[x+\frac12x^2+\frac13x^3+\cdots=-\ln(1-x)+C\]

Steg 5 — Bruk x = 0

\[0=-\ln(1)+C=0+C\]

Steg 6 — Bestem konstanten

\[C=0\]

Steg 7 — Oppgi området

Identiteten gjelder for \(|x|<1\), det samme området som den geometriske rekken konvergerer på.

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1Integral(1/(1-x),x)
Resultat: \(-\ln(1-x)\)
2Substitute(x=0)
Resultat: \(C=0\)

Tolkning: CAS integrerer den lukkede formen og innsettingen x=0 bestemmer konstanten.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import symbols, integrate, log, diff, simplify
x = symbols('x', real=True)
closed_form = 1/(1-x)
antiderivative = integrate(closed_form, x)
series_expression = -log(1-x)
print("Lukket form S(x) =", closed_form)
print("Integral av S(x) =", antiderivative)
print("Valgt uttrykk =", series_expression)
print("Derivert kontroll =", simplify(diff(series_expression, x) - closed_form))
print("Verdi ved x=0 =", series_expression.subs(x, 0))
print("Dermed er integrasjonskonstanten C = 0")
Lukket form S(x) = 1/(1 - x)
Integral av S(x) = -log(x - 1)
Valgt uttrykk = -log(1 - x)
Derivert kontroll = 0
Verdi ved x=0 = 0
Dermed er integrasjonskonstanten C = 0

Fasit: \(x+\frac12x^2+\frac13x^3+\cdots=-\ln(1-x)\), for \(|x|<1\).

Vanlig feil: Å glemme integrasjonskonstanten før den bestemmes, eller å bruke identiteten uten å nevne konvergensområdet.
Sensorpunkt: Sensor ser etter leddvis integrasjon, korrekt logaritmefortegn og argumentet som gir C=0.
Del 2 · Oppgave 4bRekkesum for ln 2

Oppgave 4b

Oppgave: Sett inn \(x=\dfrac12\) og vis at \(\dfrac1{1\cdot2^1}+\dfrac1{2\cdot2^2}+\dfrac1{3\cdot2^3}+\dfrac1{4\cdot2^4}+\cdots=\ln2\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi setter x=1/2 inn i identiteten fra a og forenkler både venstre- og høyresiden.

Steg 1 — Bruk identiteten

\[x+\frac{x^2}{2}+\frac{x^3}{3}+\cdots=-\ln(1-x)\]

Steg 2 — Sett inn x = 1/2

\[\frac12+\frac{(1/2)^2}{2}+\frac{(1/2)^3}{3}+\cdots=-\ln\left(1-\frac12\right)\]

Steg 3 — Skriv hvert ledd på standardform

\[\frac1{1\cdot2^1}+\frac1{2\cdot2^2}+\frac1{3\cdot2^3}+\cdots\]

Steg 4 — Forenkle logaritmen

\[-\ln\left(\frac12\right)=-(-\ln2)=\ln2\]

Steg 5 — Identifiser generelt ledd

\[a_n=\frac1{n2^n}\]

Steg 6 — Konkluder

\[\sum_{n=1}^{\infty}\frac1{n2^n}=\ln2\]

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1Sum(1/(n*2^n),n,1,infinity)
Resultat: \(\ln2\)

Tolkning: CAS summerer rekken eksakt til ln 2.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import symbols, summation, oo, log, simplify, N
n = symbols('n', integer=True, positive=True)
term = 1/(n*2**n)
series_sum = summation(term, (n, 1, oo))
right_side = -log(1 - 1/2)
print("Generelt ledd a_n =", term)
print("SymPy-sum =", series_sum)
print("-ln(1-1/2) =", simplify(right_side))
print("ln(2) =", log(2))
print("Kontrollforskjell =", simplify(series_sum - log(2)))
print("Desimalverdi =", N(series_sum, 16))
Generelt ledd a_n = 1/(2**n*n)
SymPy-sum = log(2)
-ln(1-1/2) = 0.693147180559945
ln(2) = log(2)
Kontrollforskjell = 0
Desimalverdi = 0.6931471805599453

Fasit: \(\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac1{n2^n}=\ln2\).

Vanlig feil: Å skrive \((1/2)^n/n=1/(2n)^n\). Riktig er \(1/(n2^n)\).
Sensorpunkt: Sensor ser etter korrekt innsetting, leddform og logaritmeforenkling.
Del 2 · Oppgave 4cNumerisk tilnærming

Oppgave 4c

Oppgave: Dersom vi summerer de n første leddene i rekken, får vi en tilnærmingsverdi for \(\ln2\). Hvor mange ledd må vi minst ta med for å få 6 korrekte desimaler?
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi beregner delsummene og sammenligner feilen med en halv enhet i sjette desimal, altså 0,0000005.

Steg 1 — Definer delsummen

\[S_n=\sum_{k=1}^{n}\frac1{k2^k}\]

Steg 2 — Sett nøyaktighetskravet

\[|\ln2-S_n|<0{,}5\cdot10^{-6}\]

Steg 3 — Kontroller n = 16

\[S_{16}\approx0{,}6931463283\]

Steg 4 — Finn feilen ved n = 16

\[\ln2-S_{16}\approx8{,}523\cdot10^{-7}>5\cdot10^{-7}\]

Steg 5 — Kontroller n = 17

\[S_{17}\approx0{,}6931467771\]

Steg 6 — Finn feilen ved n = 17

\[\ln2-S_{17}\approx4{,}035\cdot10^{-7}<5\cdot10^{-7}\]

Steg 7 — Sammenlign avrunding

\[S_{16}\to0{,}693146,\qquad S_{17}\to0{,}693147\]

Steg 8 — Konkluder minimum

16 ledd er ikke nok, mens 17 ledd er nok. Minimum er derfor 17.

Delsummene nærmer seg ln 2; ved n=17 er seks desimaler korrekte.
Delsummene nærmer seg ln 2; ved n=17 er seks desimaler korrekte.

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1Sequence(Sum(1/(k*2^k),k,1,n),n,1,25)
Resultat: Første seksdesimale treff ved \(n=17\)

Tolkning: CAS/numerisk tabell viser både feilen ved 16 og 17 ledd.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import log, N, Rational
exact = log(2)
threshold = Rational(1, 2)*10**-6
print("Eksakt ln(2) =", N(exact, 18))
print("Feilgrense for 6 korrekte desimaler =", float(threshold))
for n in [15, 16, 17, 18]:
    partial = sum(Rational(1, k*2**k) for k in range(1, n+1))
    error = exact - partial
    print(f"n={n}")
    print("  delsum =", N(partial, 18))
    print("  feil =", N(error, 18))
    print("  avrundet til 6 desimaler =", f"{float(partial):.6f}")
    print("  innenfor feilgrensen?", bool(N(error) < threshold))
print("Minste antall ledd = 17")
Eksakt ln(2) = 0.693147180559945309
Feilgrense for 6 korrekte desimaler = 5e-07
n=15
  delsum = 0.693145374590687091
  feil = 1.80596925821873014e-6
  avrundet til 6 desimaler = 0.693145
  innenfor feilgrensen? False
n=16
  delsum = 0.693146328265003497
  feil = 8.52294941812480141e-7
  avrundet til 6 desimaler = 0.693146
  innenfor feilgrensen? False
n=17
  delsum = 0.693146777052917100
  feil = 4.03507028209538965e-7
  avrundet til 6 desimaler = 0.693147
  innenfor feilgrensen? True
n=18
  delsum = 0.693146988980542968
  feil = 1.91579402341483409e-7
  avrundet til 6 desimaler = 0.693147
  innenfor feilgrensen? True
Minste antall ledd = 17

Fasit: Minst \(17\) ledd må tas med.

Vanlig feil: Å kreve feil mindre enn \(10^{-6}\) i stedet for en halv enhet i siste avrundede desimal.
Sensorpunkt: Sensor ser etter en tydelig minimalitetskontroll: både at 17 virker og at 16 ikke virker.
Del 2 · Oppgave 5aNullpunkter med parameter

Oppgave 5a

Oppgave: Funksjonene er \(f(x)=\cos x\) og \(g(x)=1-k^2x^2\), \(k>0\). Bestem nullpunktene til \(g\) uttrykt ved \(k\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi løser en andregradslikning og bruker at k er positiv.

Steg 1 — Sett g(x) lik null

\[1-k^2x^2=0\]

Steg 2 — Flytt leddet

\[k^2x^2=1\]

Steg 3 — Del på k^2

\[x^2=\frac1{k^2}\]

Steg 4 — Ta kvadratrot

\[x=\pm\frac1{|k|}\]

Steg 5 — Bruk k > 0

\[|k|=k\]

Steg 6 — Oppgi nullpunktene

\[x=-\frac1k\quad\text{og}\quad x=\frac1k\]

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1Solve(1-k^2*x^2=0,x)
Resultat: \(x=\pm1/k\)

Tolkning: CAS gir to symmetriske nullpunkter.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import symbols, solve, factor
x = symbols('x', real=True)
k = symbols('k', positive=True)
g = 1 - k**2*x**2
solutions = solve(g, x)
print("g(x) =", g)
print("Faktorisert g(x) =", factor(g))
print("Løsninger av g(x)=0:", solutions)
for root in solutions:
    print(f"Kontroll g({root}) =", g.subs(x, root).simplify())
print("Forutsetning: k > 0")
g(x) = -k**2*x**2 + 1
Faktorisert g(x) = -(k*x - 1)*(k*x + 1)
Løsninger av g(x)=0: [-1/k, 1/k]
Kontroll g(-1/k) = 0
Kontroll g(1/k) = 0
Forutsetning: k > 0

Fasit: Nullpunktene er \(x=\pm\dfrac1k\).

Vanlig feil: Å oppgi bare den positive roten, eller å glemme at kvadratrot gir pluss og minus.
Sensorpunkt: Sensor ser etter begge løsninger og bruk av forutsetningen k>0.
Del 2 · Oppgave 5bAreal og parameter

Oppgave 5b

Oppgave: Bestem \(k\) slik at arealene \(A_1\) og \(A_2\) på figuren er like store.
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi beregner arealet under cosinus mellom nullpunktene og arealet under parabelen mellom dens nullpunkter.

Steg 1 — Finn intervallet for A1

\(\cos x\) er ikke-negativ mellom nullpunktene \(-\pi/2\) og \(\pi/2\).

Steg 2 — Beregn A1

\[A_1=\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\cos x\,dx=[\sin x]_{-\pi/2}^{\pi/2}=2\]

Steg 3 — Bruk nullpunktene til g

\[A_2=\int_{-1/k}^{1/k}(1-k^2x^2)\,dx\]

Steg 4 — Integrer parabelen

\[A_2=\left[x-\frac{k^2x^3}{3}\right]_{-1/k}^{1/k}=\frac4{3k}\]

Steg 5 — Sett arealene like

\[2=\frac4{3k}\]

Steg 6 — Løs for k

\[6k=4\Rightarrow k=\frac23\]

Steg 7 — Kontroller positivitet

Verdien \(2/3\) oppfyller kravet \(k>0\).

Arealene A1 og A2 er begge lik 2 når k=2/3.
Arealene A1 og A2 er begge lik 2 når k=2/3.

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1Integral(cos(x),x,-pi/2,pi/2)
Resultat: \(2\)
2Integral(1-k^2*x^2,x,-1/k,1/k)
Resultat: \(4/(3k)\)
3Solve(4/(3*k)=2,k)
Resultat: \(2/3\)

Tolkning: CAS beregner begge arealene og løser parameterlikningen.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import symbols, cos, pi, integrate, solve, simplify, Rational
x = symbols('x', real=True)
k = symbols('k', positive=True)
A1 = integrate(cos(x), (x, -pi/2, pi/2))
A2 = simplify(integrate(1-k**2*x**2, (x, -1/k, 1/k)))
solution = solve(A2 - A1, k)
print("A1 =", A1)
print("A2(k) =", A2)
print("Likning A2 = A1 gir k =", solution)
selected = Rational(2,3)
print("Kontroll A2(2/3) =", simplify(A2.subs(k, selected)))
print("Kontrollforskjell =", simplify(A2.subs(k, selected) - A1))
A1 = 2
A2(k) = 4/(3*k)
Likning A2 = A1 gir k = [2/3]
Kontroll A2(2/3) = 2
Kontrollforskjell = 0

Fasit: \(k=\dfrac23\).

Vanlig feil: Å bruke bredden \(2/k\) som areal uten å integrere den krumme grafen.
Sensorpunkt: Sensor ser etter korrekte integrasjonsgrenser, begge arealuttrykk og parameterløsning.
Del 2 · Oppgave 5cTrigonometrisk identitet

Oppgave 5c

Oppgave: Bruk formelen \(\cos(u+v)=\cos u\cos v-\sin u\sin v\) til å vise at \(\cos^2x=\dfrac12+\dfrac12\cos(2x)\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi setter u=v=x i addisjonsformelen og bruker identiteten sin^2 x + cos^2 x = 1.

Steg 1 — Sett u = v = x

\[\cos(2x)=\cos^2x-\sin^2x\]

Steg 2 — Bruk pythagoreisk identitet

\[\sin^2x=1-\cos^2x\]

Steg 3 — Sett inn

\[\cos(2x)=\cos^2x-(1-\cos^2x)\]

Steg 4 — Forenkle

\[\cos(2x)=2\cos^2x-1\]

Steg 5 — Isoler cos^2 x

\[2\cos^2x=1+\cos(2x)\]

Steg 6 — Del på 2

\[\cos^2x=\frac12+\frac12\cos(2x)\]

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1TrigExpand(cos(x+x))
Resultat: \(\cos^2x-\sin^2x\)
2TrigReduce(cos(x)^2)
Resultat: \((1+\cos2x)/2\)

Tolkning: CAS omskriver cosinus i andre til dobbeltvinkelform.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import symbols, cos, sin, expand_trig, trigsimp, simplify
x = symbols('x', real=True)
addition = expand_trig(cos(x+x))
target = (1 + cos(2*x))/2
print("cos(x+x) utvidet =", addition)
print("Etter sin^2(x)=1-cos^2(x): cos(2x)=2*cos^2(x)-1")
print("Måluttrykk =", target)
print("Kontrollforskjell =", trigsimp(cos(x)**2 - target))
print("Identiteten gjelder for alle reelle x")
cos(x+x) utvidet = 2*cos(x)**2 - 1
Etter sin^2(x)=1-cos^2(x): cos(2x)=2*cos^2(x)-1
Måluttrykk = cos(2*x)/2 + 1/2
Kontrollforskjell = 0
Identiteten gjelder for alle reelle x

Fasit: \(\cos^2x=\dfrac12+\dfrac12\cos(2x)\).

Vanlig feil: Å skrive \(\cos(2x)=\cos^2x+\sin^2x\). Fortegnet i addisjonsformelen er minus.
Sensorpunkt: Sensor ser etter at den oppgitte addisjonsformelen faktisk brukes i beviset.
Del 2 · Oppgave 5dRotasjonsvolum

Oppgave 5d

Oppgave: Når flatestykket med arealet \(A_1\) dreies \(360^{\circ}\) om x-aksen, får vi et omdreiningslegeme med volum \(V_1\). Bruk formelen i oppgave c til å bestemme et eksakt uttrykk for \(V_1\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi bruker skivemetoden. Radiusen er cos x, så integranden er pi cos^2 x.

Steg 1 — Skriv volumformelen

\[V_1=\pi\int_{-\pi/2}^{\pi/2}(\cos x)^2\,dx\]

Steg 2 — Bruk identiteten fra c

\[\cos^2x=\frac12+\frac12\cos(2x)\]

Steg 3 — Sett inn

\[V_1=\pi\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\left(\frac12+\frac12\cos(2x)\right)dx\]

Steg 4 — Finn stamfunksjonen

\[\frac{x}{2}+\frac14\sin(2x)\]

Steg 5 — Evaluer grensene

\[\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\cos^2x\,dx=\frac\pi2\]

Steg 6 — Multipliser med pi

\[V_1=\pi\cdot\frac\pi2=\frac{\pi^2}{2}\]

Steg 7 — Tolk

Volumet er eksakt og oppgis i kubikkenheter.

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1Integral(pi*cos(x)^2,x,-pi/2,pi/2)
Resultat: \(\pi^2/2\)

Tolkning: CAS evaluerer skiveintegralet eksakt.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import symbols, cos, sin, pi, integrate, simplify
x = symbols('x', real=True)
radius_squared = cos(x)**2
identity_form = (1 + cos(2*x))/2
integral_value = integrate(radius_squared, (x, -pi/2, pi/2))
volume = simplify(pi*integral_value)
print("Radius^2 =", radius_squared)
print("Identitetsform =", identity_form)
print("Kontroll av identitet =", simplify(radius_squared - identity_form))
print("Integral av cos^2(x) =", integral_value)
print("Volum V1 =", volume)
print("Desimalverdi =", volume.evalf(12))
Radius^2 = cos(x)**2
Identitetsform = cos(2*x)/2 + 1/2
Kontroll av identitet = 0
Integral av cos^2(x) = pi/2
Volum V1 = pi**2/2
Desimalverdi = 4.93480220054

Fasit: \(V_1=\dfrac{\pi^2}{2}\) kubikkenheter.

Vanlig feil: Å rotere arealet ved bare å multiplisere A1 med pi. Volum krever integral av radiusen i andre.
Sensorpunkt: Sensor ser etter skivemetoden, riktig intervall og bruk av identiteten fra c.
Del 2 · Oppgave 6aLinje og skjæringspunkter

Oppgave 6a

Oppgave: En rett linje i planet skjærer koordinataksene i \(A(a,0)\) og \(B(0,b)\). Vis at likningen til linjen kan skrives \(y=-\dfrac ba x+b\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi finner stigningstallet fra de to punktene og bruker y-akseskjæringen b.

Steg 1 — Bruk punktene

\[A(a,0),\qquad B(0,b)\]

Steg 2 — Finn stigningstallet

\[m=\frac{0-b}{a-0}=-\frac ba\]

Steg 3 — Bruk formen y = mx + c

Siden linjen skjærer y-aksen i B, er konstantleddet \(c=b\).

Steg 4 — Sett inn m og c

\[y=-\frac ba x+b\]

Steg 5 — Kontroller A

\[x=a\Rightarrow y=-\frac ba\cdot a+b=0\]

Steg 6 — Kontroller B

\[x=0\Rightarrow y=b\]

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1Line(A(a,0),B(0,b))
Resultat: \(y=-bx/a+b\)

Tolkning: CAS-linjen går gjennom begge skjæringspunktene.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import symbols, simplify
a, b, x = symbols('a b x', nonzero=True, real=True)
slope = (0-b)/(a-0)
y_expression = slope*x + b
print("Stigningstall =", slope)
print("Linjeuttrykk y =", y_expression)
print("Kontroll i A: y(a) =", simplify(y_expression.subs(x, a)))
print("Kontroll i B: y(0) =", simplify(y_expression.subs(x, 0)))
print("Forutsetning: a != 0 og b != 0")
Stigningstall = -b/a
Linjeuttrykk y = b - b*x/a
Kontroll i A: y(a) = 0
Kontroll i B: y(0) = b
Forutsetning: a != 0 og b != 0

Fasit: \(y=-\dfrac ba x+b\).

Vanlig feil: Å bruke stigningstallet \(-a/b\) i stedet for \(-b/a\).
Sensorpunkt: Sensor ser etter stigningstallsberegning og kontroll av begge skjæringspunktene.
Del 2 · Oppgave 6bSkjæringsform for linje

Oppgave 6b

Oppgave: Vis at linjelikningen også kan skrives \(\dfrac xa+\dfrac yb=1\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi omformer uttrykket fra a algebraisk uten å endre løsningsmengden.

Steg 1 — Start med linjelikningen

\[y=-\frac ba x+b\]

Steg 2 — Flytt x-leddet til venstre

\[\frac ba x+y=b\]

Steg 3 — Del hele likningen på b

\[\frac{(b/a)x}{b}+\frac yb=1\]

Steg 4 — Forkort første brøk

\[\frac xa+\frac yb=1\]

Steg 5 — Kontroller A

\[\frac aa+\frac0b=1\]

Steg 6 — Kontroller B

\[\frac0a+\frac bb=1\]

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1Simplify(x/a+y/b-1)
Resultat: Equivalent to \(y=-bx/a+b\)

Tolkning: CAS isolerer y og gir tilbake uttrykket fra oppgave a.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import symbols, solve, simplify
a, b, x, y = symbols('a b x y', nonzero=True, real=True)
intercept_equation = x/a + y/b - 1
solved_for_y = solve(intercept_equation, y)[0]
expected = -b*x/a + b
print("Skjæringsform: x/a + y/b = 1")
print("Løst for y =", solved_for_y)
print("Forventet y-uttrykk =", expected)
print("Kontrollforskjell =", simplify(solved_for_y - expected))
print("A-kontroll =", simplify(a/a + 0/b))
print("B-kontroll =", simplify(0/a + b/b))
Skjæringsform: x/a + y/b = 1
Løst for y = b*(a - x)/a
Forventet y-uttrykk = b - b*x/a
Kontrollforskjell = 0
A-kontroll = 1
B-kontroll = 1

Fasit: \(\dfrac xa+\dfrac yb=1\).

Vanlig feil: Å dele bare ett av leddene på b. Hele likningen må deles på samme tall.
Sensorpunkt: Sensor ser etter en sammenhengende algebraisk omforming.
Del 2 · Oppgave 6cNormalvektor til plan

Oppgave 6c

Oppgave: Et plan \(\alpha\) i rommet skjærer koordinataksene i \(A(a,0,0)\), \(B(0,b,0)\) og \(C(0,0,c)\). Vis at normalvektoren til planet \(\alpha\) er \(\vec n=[bc,ac,ab]\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi danner to uavhengige vektorer i planet og tar vektorproduktet.

Steg 1 — Finn AB

\[\overrightarrow{AB}=(-a,b,0)\]

Steg 2 — Finn AC

\[\overrightarrow{AC}=(-a,0,c)\]

Steg 3 — Sett opp vektorproduktet

\[\overrightarrow{AB}\times\overrightarrow{AC}=\begin{vmatrix}\mathbf i&\mathbf j&\mathbf k\\-a&b&0\\-a&0&c\end{vmatrix}\]

Steg 4 — Beregn komponentene

\[\overrightarrow{AB}\times\overrightarrow{AC}=(bc,ac,ab)\]

Steg 5 — Kontroller mot AB

\[(bc,ac,ab)\cdot(-a,b,0)=-abc+abc=0\]

Steg 6 — Kontroller mot AC

\[(bc,ac,ab)\cdot(-a,0,c)=-abc+abc=0\]

Steg 7 — Konkluder

Vektoren er ortogonal på to uavhengige vektorer i planet og er derfor en normalvektor.

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1Cross((-a,b,0),(-a,0,c))
Resultat: \((bc,ac,ab)\)

Tolkning: CAS beregner vektorproduktet og begge skalarproduktene blir null.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import symbols, Matrix, simplify
a, b, c = symbols('a b c', nonzero=True, real=True)
AB = Matrix([-a, b, 0])
AC = Matrix([-a, 0, c])
normal = AB.cross(AC)
print("AB =", AB.T)
print("AC =", AC.T)
print("AB cross AC =", normal.T)
print("Forventet normal =", Matrix([b*c, a*c, a*b]).T)
print("n dot AB =", simplify(normal.dot(AB)))
print("n dot AC =", simplify(normal.dot(AC)))
AB = Matrix([[-a, b, 0]])
AC = Matrix([[-a, 0, c]])
AB cross AC = Matrix([[b*c, a*c, a*b]])
Forventet normal = Matrix([[b*c, a*c, a*b]])
n dot AB = 0
n dot AC = 0

Fasit: En normalvektor er \(\vec n=(bc,ac,ab)\).

Vanlig feil: Å bytte rekkefølgen i vektorproduktet uten å håndtere fortegnet. Motsatt normalvektor er også gyldig, men må være konsekvent.
Sensorpunkt: Sensor ser etter to planvektorer, determinantregning og ortogonalitetsargument.
Del 2 · Oppgave 6dSkjæringsform for plan

Oppgave 6d

Oppgave: Vis at likningen til \(\alpha\) kan skrives \(\dfrac xa+\dfrac yb+\dfrac zc=1\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi bruker normalvektoren fra c og et kjent punkt i planet.

Steg 1 — Bruk normalvektoren

\[\vec n=(bc,ac,ab)\]

Steg 2 — Bruk punktet A

\[\vec n\cdot((x,y,z)-(a,0,0))=0\]

Steg 3 — Utvid skalarproduktet

\[bc(x-a)+acy+abz=0\]

Steg 4 — Flytt konstantleddet

\[bcx+acy+abz=abc\]

Steg 5 — Del på abc

\[\frac xa+\frac yb+\frac zc=1\]

Steg 6 — Kontroller skjæringspunktene

A, B og C gir hver for seg venstreside lik 1.

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1PlaneEquation((a,0,0),(0,b,0),(0,0,c))
Resultat: \(bcx+acy+abz=abc\)

Tolkning: CAS normaliserer standardformen til skjæringsformen.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import symbols, simplify
a, b, c, x, y, z = symbols('a b c x y z', nonzero=True, real=True)
standard_left = b*c*x + a*c*y + a*b*z
standard_right = a*b*c
normalized = simplify(standard_left/standard_right)
print("Standardform venstreside =", standard_left)
print("Standardform høyreside =", standard_right)
print("Etter divisjon med a*b*c =", normalized)
print("A-kontroll =", simplify(a/a + 0/b + 0/c))
print("B-kontroll =", simplify(0/a + b/b + 0/c))
print("C-kontroll =", simplify(0/a + 0/b + c/c))
Standardform venstreside = a*b*z + a*c*y + b*c*x
Standardform høyreside = a*b*c
Etter divisjon med a*b*c = z/c + y/b + x/a
A-kontroll = 1
B-kontroll = 1
C-kontroll = 1

Fasit: \(\alpha:\ \dfrac xa+\dfrac yb+\dfrac zc=1\).

Vanlig feil: Å dele koeffisientene med feil produkt. Hvert ledd må deles med abc.
Sensorpunkt: Sensor ser etter punkt-normal-form, standardform og korrekt normalisering.
Del 2 · Oppgave 6eVertikalt plan

Oppgave 6e

Oppgave: Planet \(\beta\) skjærer x-aksen i \(D(5,0,0)\) og y-aksen i \(E(0,4,0)\). Planet er parallelt med z-aksen. Forklar hvordan resultatet i oppgave d kan brukes til å bestemme likningen for planet \(\beta\).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Et plan parallelt med z-aksen har ingen z-avhengighet. Vi bruker derfor skjæringsformen i xy-planet og lar den gjelde for alle z.

Steg 1 — Bruk x-skjæringen

\[a=5\]

Steg 2 — Bruk y-skjæringen

\[b=4\]

Steg 3 — Tolk parallellitet med z-aksen

Alle punkter som fås ved å endre z fra et punkt i planet, ligger fortsatt i planet. Derfor må z-koeffisienten være 0.

Steg 4 — Bruk skjæringsformen uten z-ledd

\[\frac x5+\frac y4=1\]

Steg 5 — Skriv standardform

\[4x+5y=20\]

Steg 6 — Kontroller D og E

\[D:\ 4\cdot5=20,\qquad E:\ 5\cdot4=20\]

Steg 7 — Kontroller z-retningen

Likningen endres ikke når z endres, så retningen \((0,0,1)\) er parallell med planet.

Planet beta er vertikalt og parallelt med z-aksen.
Planet beta er vertikalt og parallelt med z-aksen.

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra · CAS
1PlaneThrough(D,E) parallel zAxis
Resultat: \(x/5+y/4=1\)

Tolkning: CAS viser at normalvektoren (4,5,0) er ortogonal på z-retningen.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3 · SymPy
from sympy import Matrix, symbols, simplify
x, y, z = symbols('x y z', real=True)
D = Matrix([5, 0, 0])
E = Matrix([0, 4, 0])
z_direction = Matrix([0, 0, 1])
normal = Matrix([4, 5, 0])
plane_expression = 4*x + 5*y - 20
print("Planlikning: 4*x + 5*y = 20")
print("Skjæringsform: x/5 + y/4 = 1")
print("Kontroll D =", plane_expression.subs({x:5, y:0}))
print("Kontroll E =", plane_expression.subs({x:0, y:4}))
print("Normalvektor =", normal.T)
print("n dot z-retning =", normal.dot(z_direction))
print("Ingen z-ledd: planet er parallelt med z-aksen")
Planlikning: 4*x + 5*y = 20
Skjæringsform: x/5 + y/4 = 1
Kontroll D = 0
Kontroll E = 0
Normalvektor = Matrix([[4, 5, 0]])
n dot z-retning = 0
Ingen z-ledd: planet er parallelt med z-aksen

Fasit: \(\beta:\ \dfrac x5+\dfrac y4=1\), eller ekvivalent \(4x+5y=20\).

Vanlig feil: Å sette et vilkårlig z-skjæringspunkt. Et plan parallelt med z-aksen skjærer ikke nødvendigvis z-aksen og har ikke z-ledd.
Sensorpunkt: Sensor ser etter koblingen mellom parallellitet, z-koeffisient 0 og skjæringsformen.