Hva spør oppgaven om? Funksjonen er en kvotient. Vi bruker kvotientregelen og tar hensyn til at \(\sin x\neq0\) i definisjonsområdet.
Velg teller og nevner
Sett \(u=x\) og \(v=\sin x\).
Deriver teller
\(u\prime=1\).
Deriver nevner
\(v\prime=\cos x\).
Bruk kvotientregelen
\((u/v)\prime=(u\prime v-uv\prime)/v^2\).
Sett inn
\(h\prime(x)=[\sin x-x\cos x]/\sin^2x\).
Oppgi domenehensyn
Uttrykket gjelder der \(\sin x\neq0\), altså \(x\neq k\pi\).
Digital kontroll i GeoGebra/CAS
GeoGebra / CAS
1Derivative(x/sin(x), x)
Resultat: \(\dfrac{\sin x-x\cos x}{\sin^2x}\)
Tolkning: CAS samler de to leddene over fellesnevneren \(\sin^2x\).
Digital kontroll i Python (SymPy)
Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
fromsympyimportsymbols,sin,cos,diff,together,simplifyx=symbols('x',real=True)h=x/sin(x)raw=diff(h,x)result=together(raw)expected=(sin(x)-x*cos(x))/sin(x)**2print("h(x) =",h)print("Derivert, rå form =",raw)print("Derivert, samlet =",result)print("Forventet =",expected)print("Kontroll =",simplify(result-expected))assertsimplify(result-expected)==0
Hva spør oppgaven om? Integranden er et produkt av et polynom og en trigonometrisk funksjon. Delvis integrasjon reduserer polynomgraden.
Velg delene
Sett \(u=x\) og \(dv=\cos x\,dx\).
Finn differensial og stamfunksjon
Da er \(du=dx\) og \(v=\sin x\).
Bruk formelen
\(\int u\,dv=uv-\int v\,du\).
Sett inn
\(\int x\cos xdx=x\sin x-\int\sin xdx\).
Integrer restleddet
\(-\int\sin xdx=+\cos x\).
Skriv svaret
\[\int x\cos xdx=x\sin x+\cos x+C\]
Digital kontroll i GeoGebra/CAS
GeoGebra / CAS
1Integral(x cos(x), x)
Resultat: \(x\sin x+\cos x\)
Tolkning: CAS-resultatet kan kontrolleres direkte ved derivasjon.
Digital kontroll i Python (SymPy)
Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
fromsympyimportsymbols,sin,cos,integrate,diff,simplifyx=symbols('x',real=True)expr=x*cos(x)F=integrate(expr,x)expected=x*sin(x)+cos(x)print("Integrand =",expr)print("Stamfunksjon fra SymPy =",F)print("Forventet form =",expected)print("Derivert tilbake =",simplify(diff(expected,x)))print("Kontroll =",simplify(F-expected))assertsimplify(F-expected)==0
Kjørt utskriftIntegrand = x*cos(x)
Stamfunksjon fra SymPy = x*sin(x) + cos(x)
Forventet form = x*sin(x) + cos(x)
Derivert tilbake = x*cos(x)
Kontroll = 0
Fasit: \(x\sin x+\cos x+C\).
Vanlig feil: Å få minus foran \(\cos x\); husk at \(\int\sin xdx=-\cos x\).
Sensorpunkt: Sensor ser etter et fornuftig valg av \(u\) og korrekt fortegn.
Hva spør oppgaven om? Kjernen \(x^2\) har den deriverte \(2x\), som står som faktor i integranden. Substitusjon er derfor direkte.
Velg substitusjon
Sett \(u=x^2\).
Finn differensialet
\(du=2x\,dx\).
Bytt variabel
\(\int2x\sin(x^2)dx=\int\sin u\,du\).
Integrer
\(\int\sin udu=-\cos u+C\).
Sett tilbake
\(-\cos(x^2)+C\).
Kontroller med derivasjon
\(d[-\cos(x^2)]/dx=2x\sin(x^2)\).
Digital kontroll i GeoGebra/CAS
GeoGebra / CAS
1Integral(2x sin(x^2), x)
Resultat: \(-\cos(x^2)\)
Tolkning: CAS bekrefter både substitusjonen og minusfortegnet.
Digital kontroll i Python (SymPy)
Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
fromsympyimportsymbols,sin,cos,integrate,diff,simplifyx=symbols('x',real=True)expr=2*x*sin(x**2)F=integrate(expr,x)expected=-cos(x**2)print("Integrand =",expr)print("Stamfunksjon =",F)print("Derivert av svaret =",diff(expected,x))print("Kontroll mot integranden =",simplify(diff(expected,x)-expr))print("Kontroll mot SymPy =",simplify(F-expected))assertsimplify(F-expected)==0
Kjørt utskriftIntegrand = 2*x*sin(x**2)
Stamfunksjon = -cos(x**2)
Derivert av svaret = 2*x*sin(x**2)
Kontroll mot integranden = 0
Kontroll mot SymPy = 0
Fasit: \(-\cos(x^2)+C\).
Vanlig feil: Å glemme minusfortegnet i stamfunksjonen til sinus.
Sensorpunkt: Sensor ser etter substitusjonen \(u=x^2\) og korrekt tilbakebytte.
Del 1 / Oppgave 3aLineær funksjon med parametere
Oppgave 3a
Oppgave: En rett linje går gjennom \(A(0,0)\) og \(B(h,r)\), der \(h\) og \(r\) er to positive tall. Bestem ligningen for linjen, uttrykt ved \(h\) og \(r\).
Original poengangivelse: Oppgave 3 (4 poeng).
Vis løsning
Hva spør oppgaven om? Vi skal finne stigningstallet fra de to punktene og bruke at linjen går gjennom origo.
Bruk topunktsformelen
Stigningstallet er \(m=(r-0)/(h-0)\).
Forenkle
Siden \(h>0\), får vi \(m=r/h\).
Bruk linjeformen
En linje har form \(y=mx+b\).
Finn konstantleddet
Punktet \(A(0,0)\) gir \(b=0\).
Sett inn stigningstallet
\(y=(r/h)x\).
Kontroller punkt B
For \(x=h\) får vi \(y=(r/h)h=r\).
Linjen gjennom A og B danner profilkurven for omdreiningslegemet.
Digital kontroll i GeoGebra/CAS
GeoGebra / CAS
1Line((0,0),(h,r))
Resultat: \(y=(r/h)x\)
Tolkning: Linjen gjennom origo og \((h,r)\) har stigningstall \(r/h\).
Digital kontroll i Python (SymPy)
Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
fromsympyimportsymbols,simplifyx,h,r=symbols('x h r',positive=True)m=(r-0)/(h-0)y=simplify(m*x)print("Stigningstall m =",m)print("Linjeligning y =",y)print("Kontroll ved x=0:",y.subs(x,0))print("Kontroll ved x=h:",simplify(y.subs(x,h)))assertsimplify(y.subs(x,h)-r)==0
Kjørt utskriftStigningstall m = r/h
Linjeligning y = r*x/h
Kontroll ved x=0: 0
Kontroll ved x=h: r
Fasit: Linjen har ligningen \(\displaystyle y=\frac{r}{h}x\).
Vanlig feil: Å skrive \(y=(h/r)x\) ved å bytte teller og nevner.
Sensorpunkt: Sensor ser etter korrekt stigningstall og kontroll av begge punktene.
Del 1 / Oppgave 3bVolum av omdreiningslegeme
Oppgave 3b
Oppgave: Linjestykket \(AB\) roteres \(360^\circ\) om x-aksen. Vi får da et omdreiningslegeme. Bestem et uttrykk for volumet til omdreiningslegemet. Hva slags legeme har du regnet ut volumet til?
Original poengangivelse: Oppgave 3 (4 poeng).
Vis løsning
Hva spør oppgaven om? Vi bruker skivemetoden med radius \(y=(r/h)x\) fra \(x=0\) til \(x=h\), og identifiserer deretter legemet geometrisk.
Skriv radiusfunksjonen
Ved posisjon \(x\) er radius \(R(x)=rx/h\).
Bruk skivemetoden
\(V=\pi\int_0^h[R(x)]^2dx\).
Sett inn radius
\(V=\pi\int_0^h(r^2x^2/h^2)dx\).
Trekk ut konstantene
\(V=\pi r^2/h^2\int_0^h x^2dx\).
Regn ut integralet
\(\int_0^h x^2dx=h^3/3\).
Forenkle og identifiser
\[V=\frac{\pi r^2h}{3}\] Dette er volumet av en rett sirkulær kjegle med høyde \(h\) og grunnradius \(r\).
Rotasjonen av linjestykket danner en kjegle med høyde h og radius r.
Digital kontroll i GeoGebra/CAS
GeoGebra / CAS
1Integral(pi*(r*x/h)^2, x, 0, h)
Resultat: \(\pi r^2h/3\)
Tolkning: CAS gir den vanlige kjegleformelen fra skiveintegralet.
Digital kontroll i Python (SymPy)
Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
fromsympyimportsymbols,pi,integrate,simplifyx,h,r=symbols('x h r',positive=True)radius=r*x/hintegrand=pi*radius**2volume=integrate(integrand,(x,0,h))expected=pi*r**2*h/3print("Radiusfunksjon =",radius)print("Volumintegrand =",integrand)print("Volum =",volume)print("Forventet kjegleformel =",expected)print("Kontroll =",simplify(volume-expected))assertsimplify(volume-expected)==0
Fasit: \(\displaystyle V=\frac{1}{3}\pi r^2h\). Legemet er en kjegle.
Vanlig feil: Å bruke sylinderformelen \(\pi r^2h\) eller glemme å kvadrere radiusfunksjonen.
Sensorpunkt: Sensor ser etter skiveintegral, riktige grenser og identifikasjon av kjeglen.
Del 1 / Oppgave 4aSinusfunksjon og periode
Oppgave 4a
Oppgave: En funksjon \(f\) er gitt ved \(f(x)=3\sin\left(\frac{\pi}{2}x\right)+5\), \(D_f=[0,12]\). Bestem perioden til \(f\).
Original poengangivelse: Oppgave 4 (6 poeng).
Vis løsning
Hva spør oppgaven om? For en sinusfunksjon \(\sin(bx)\) er perioden \(T=2\pi/|b|\).
Identifiser frekvensfaktoren
Her er \(b=\pi/2\).
Skriv periodeformelen
\(T=2\pi/|b|\).
Sett inn
\(T=2\pi/(\pi/2)\).
Del på en brøk
\(2\pi\cdot2/\pi=4\).
Kontroller argumentøkningen
Når \(x\) øker med 4, øker argumentet med \((\pi/2)\cdot4=2\pi\).
Konkluder
Perioden er 4 x-enheter.
Digital kontroll i GeoGebra/CAS
GeoGebra / CAS
12*pi/(pi/2)
Resultat: \(4\)
Tolkning: CAS bekrefter at funksjonsverdiene gjentar seg etter 4 enheter.
Digital kontroll i Python (SymPy)
Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
fromsympyimportpi,simplifyb=pi/2T=simplify(2*pi/b)print("Frekvensfaktor b =",b)print("Periodeformel 2*pi/b =",T)print("Argumentøkning over én periode =",simplify(b*T))assertT==4andsimplify(b*T-2*pi)==0
Kjørt utskriftFrekvensfaktor b = pi/2
Periodeformel 2*pi/b = 4
Argumentøkning over én periode = 2*pi
Fasit: Perioden er \(T=4\).
Vanlig feil: Å svare \(\pi/2\), som er koeffisienten i argumentet, ikke perioden.
Sensorpunkt: Sensor ser etter periodeformelen og korrekt forenkling.
Del 1 / Oppgave 4bEkstremalverdier
Oppgave 4b
Oppgave: Bestem ekstremalverdiene \(y_{\min}\) og \(y_{\text{maks}}\) for \(f(x)=3\sin\left(\frac{\pi}{2}x\right)+5\).
Original poengangivelse: Oppgave 4 (6 poeng).
Vis løsning
Hva spør oppgaven om? Amplituden er 3 og likevektslinjen er \(y=5\). Sinusverdien varierer mellom -1 og 1.
Bruk verdiområdet til sinus
\(-1\le\sin u\le1\).
Multipliser med amplituden
\(-3\le3\sin u\le3\).
Forskyv oppover
\(2\le3\sin u+5\le8\).
Finn minimum
\(y_{\min}=5-3=2\).
Finn maksimum
\(y_{\text{maks}}=5+3=8\).
Kontroller domenet
Intervallet \([0,12]\) inneholder tre hele perioder, så begge ekstremene oppnås.
Digital kontroll i GeoGebra/CAS
GeoGebra / CAS
15-3
Resultat: \(2\)
Tolkning: Minimumsverdien er midtlinjen minus amplituden.
25+3
Resultat: \(8\)
Tolkning: Maksimumsverdien er midtlinjen pluss amplituden.
Vanlig feil: Å oppgi -3 og 3 og glemme den vertikale forskyvningen 5.
Sensorpunkt: Sensor ser etter amplitude, likevektslinje og kontroll mot domenet.
Del 1 / Oppgave 4cVendepunkter og andrederivert
Oppgave 4c
Oppgave: Forklar hvorfor grafen vil ha alle sine vendepunkter på likevektlinjen. Bestem koordinatene til vendepunktene.
Original poengangivelse: Oppgave 4 (6 poeng).
Vis løsning
Hva spør oppgaven om? Vi finner nullpunktene til den andrederiverte og kontrollerer fortegnsskifte. Når sinusleddet er null, blir funksjonsverdien lik likevektsverdien 5.
\(f\prime\prime(x)=0\) når \(\sin(\frac{\pi}{2}x)=0\), altså \(x=2k\).
Kontroller vendepunkt
Sinus skifter fortegn ved hvert indre nullpunkt, så krumningen skifter der.
Finn y-koordinatene
For \(x=2k\) er sinusleddet 0, og dermed \(f(x)=5\). Derfor ligger alle vendepunktene på likevektlinjen.
Velg indre punkter i domenet
I \((0,12)\) får vi \(x=2,4,6,8,10\), altså \((2,5),(4,5),(6,5),(8,5),(10,5)\).
De indre kryssingene av likevektlinjen er vendepunktene.
Digital kontroll i GeoGebra/CAS
GeoGebra / CAS
1Solve(Derivative(3 sin((pi/2)x)+5, x, 2)=0, x)
Resultat: \(x=2k\)
Tolkning: Nullpunktene til andrederiverten sammenfaller med kryssingene av likevektlinjen.
2Sequence((2k,5), k, 1, 5)
Resultat: \((2,5),(4,5),(6,5),(8,5),(10,5)\)
Tolkning: Endepunktene regnes ikke som vendepunkter fordi de mangler et tosidig nabolag i domenet.
Digital kontroll i Python (SymPy)
Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
fromsympyimportsymbols,sin,cos,pi,diff,simplifyx=symbols('x',real=True)f=3*sin(pi*x/2)+5f1=diff(f,x)f2=diff(f,x,2)points=[(2*k,simplify(f.subs(x,2*k)))forkinrange(1,6)]left_right=[(k,f2.subs(x,2*k-0.1).evalf(),f2.subs(x,2*k+0.1).evalf())forkinrange(1,6)]print("f'(x) =",f1)print("f''(x) =",f2)print("Vendepunkter =",points)print("Fortegn rundt hvert punkt:")forrowinleft_right:print(row)assertall(y==5for_,yinpoints)
Fasit: Vendepunktene er \((2,5),(4,5),(6,5),(8,5),(10,5)\).
Vanlig feil: Å ta med \(x=0\) og \(x=12\) som ordinære vendepunkter uten tosidig fortegnsskifte i domenet.
Sensorpunkt: Sensor ser etter andrederivert, fortegnsskifte og riktig avgrensning til domenet.
Del 1 / Oppgave 4dGrafskisse
Oppgave 4d
Oppgave: Lag en skisse av grafen til \(f(x)=3\sin\left(\frac{\pi}{2}x\right)+5\) på \([0,12]\).
Original poengangivelse: Oppgave 4 (6 poeng).
Vis løsning
Hva spør oppgaven om? En god skisse må vise likevektslinje, amplitude, periode, ekstrempunkter og riktige start- og sluttverdier.
Startpunkt
\(f(0)=5\), og \(f\prime(0)=3\pi/2>0\), så grafen starter stigende fra likevektslinjen.
Første maksimum
Ved \(x=1\) er argumentet \(\pi/2\), så \(f(1)=8\).
Første minimum
Ved \(x=3\) er argumentet \(3\pi/2\), så \(f(3)=2\).
Bruk perioden
Mønsteret gjentas hver 4. x-enhet.
Marker likevektskryssinger
Grafen krysser \(y=5\) ved alle partall.
Tegn tre hele perioder
På \([0,12]\) får vi tre perioder og sluttpunktet \((12,5)\).
Korrekt skisse av funksjonen på hele definisjonsområdet.
Digital kontroll i GeoGebra/CAS
GeoGebra / CAS
1f(x)=3 sin((pi/2)x)+5
Resultat: Graf på \([0,12]\)
Tolkning: Grafen har amplitude 3, likevektslinje 5 og periode 4.
2Sequence((k,f(k)), k, 0, 12)
Resultat: Nøkkelpunkter for heltallige x-verdier
Tolkning: Punktene gjør det mulig å kontrollere skissen visuelt.
Digital kontroll i Python (SymPy)
Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
fromsympyimportsin,pi,simplifyvalues=[]forkinrange(13):value=simplify(3*sin(pi*k/2)+5)values.append((k,value))print("Nøkkelpunkter (x, f(x)):")forpointinvalues:print(point)print("Antall hele perioder på [0,12] =",12/4)assertvalues[0]==(0,5)andvalues[-1]==(12,5)
Fasit: Grafskissen er vist med tre perioder, maksimum 8, minimum 2 og likevektslinje \(y=5\).
Vanlig feil: Å tegne perioden som 2 eller å starte i et maksimum i stedet for på likevektslinjen.
Sensorpunkt: Sensor ser etter korrekt fase, amplitude, periode og domene.
Del 1 / Oppgave 5aLineær differensialligning av andre orden
Oppgave 5a
Oppgave: Vi har gitt differensialligningen \(y\prime\prime-4y\prime-5y=0\). Vis at \(y=e^{rx}\) er en løsning til differensialligningen når \(r^2-4r-5=0\).
Original poengangivelse: Oppgave 5 (5 poeng).
Vis løsning
Hva spør oppgaven om? Vi setter prøvefunksjonen og dens deriverte inn i differensialligningen og faktoriserer.
Velg prøvefunksjon
La \(y=e^{rx}\).
Deriver én gang
\(y\prime=re^{rx}\).
Deriver to ganger
\(y\prime\prime=r^2e^{rx}\).
Sett inn i venstresiden
\(r^2e^{rx}-4re^{rx}-5e^{rx}\).
Faktoriser
\(e^{rx}(r^2-4r-5)\).
Bruk betingelsen
Når \(r^2-4r-5=0\), blir hele uttrykket 0. Dermed er \(e^{rx}\) en løsning.
Vanlig feil: Å derivere \(e^{-x}\) uten minusfortegn eller løse systemet feil.
Sensorpunkt: Sensor ser etter begge initialbetingelser og kontroll av den ferdige løsningen.
Del 1 / Oppgave 6aSummer av oddetall
Oppgave 6a
Oppgave: Brøken \(B_n\) er definert ved at telleren er summen av de \(n\) første oddetallene, mens nevneren er summen av de \(n\) neste oddetallene. Regn ut \(B_2=\frac{1+3}{5+7}\), \(B_3=\frac{1+3+5}{7+9+11}\) og \(B_4=\frac{1+3+5+7}{9+11+13+15}\). Forkort svarene.
Original poengangivelse: Oppgave 6 (5 poeng).
Vis løsning
Hva spør oppgaven om? Vi summerer teller og nevner i hver brøk og forkorter.
Regn ut \(B_2\)
Telleren er 4 og nevneren er 12, så \(B_2=4/12\).
Forkort \(B_2\)
\(4/12=1/3\).
Regn ut \(B_3\)
Telleren er 9 og nevneren er 27, så \(B_3=9/27=1/3\).
Regn ut \(B_4\)
Telleren er 16 og nevneren er 48, så \(B_4=16/48=1/3\).
Vanlig feil: Å bruke feil oddetall i nevneren eller ikke forkorte brøkene.
Sensorpunkt: Sensor ser etter riktige summer og full forkorting.
Del 1 / Oppgave 6bMatematisk induksjon
Oppgave 6b
Oppgave: Vis at summen av de \(n\) første oddetallene kan skrives \(S_n=n^2\).
Original poengangivelse: Oppgave 6 (5 poeng).
Vis løsning
Hva spør oppgaven om? Vi bruker matematisk induksjon: først basissteget, deretter induksjonsantakelsen og overgangen fra \(n=k\) til \(n=k+1\).
Basissteg
For \(n=1\) er \(S_1=1=1^2\). Påstanden stemmer.
Induksjonsantakelse
Anta at \(S_k=1+3+\cdots+(2k-1)=k^2\).
Neste oddetall
Det neste oddetallet er \(2(k+1)-1=2k+1\).
Bygg \(S_{k+1}\)
\(S_{k+1}=S_k+(2k+1)\).
Bruk antakelsen
\(S_{k+1}=k^2+2k+1=(k+1)^2\).
Konkluder
Dermed gjelder \(S_n=n^2\) for alle positive heltall \(n\).
Digital kontroll i GeoGebra/CAS
GeoGebra / CAS
1Sum(2i-1, i, 1, n)
Resultat: \(n^2\)
Tolkning: CAS summerer den aritmetiske følgen og bekrefter den lukkede formen.
Digital kontroll i Python (SymPy)
Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
fromsympyimportsymbols,summation,simplifyn,i,k=symbols('n i k',integer=True,positive=True)closed=summation(2*i-1,(i,1,n))induction_step=simplify(k**2+(2*k+1)-(k+1)**2)print("Symbolsk sum =",closed)print("Basis n=1 =",closed.subs(n,1))print("Forskjell i induksjonssteget =",induction_step)forvalueinrange(1,8):direct=sum(2*j-1forjinrange(1,value+1))print(value,direct,value**2)assertsimplify(closed-n**2)==0andinduction_step==0
Vanlig feil: Å hoppe over basissteget eller ikke vise overgangen til \(k+1\).
Sensorpunkt: Sensor ser etter alle tre ledd i et gyldig induksjonsbevis.
Del 1 / Oppgave 6cAlgebraisk generalisering
Oppgave 6c
Oppgave: Forklar at \(B_n=\dfrac{S_n}{S_{2n}-S_n}\). Regn ut denne brøken.
Original poengangivelse: Oppgave 6 (5 poeng).
Vis løsning
Hva spør oppgaven om? Telleren er summen av de første \(n\) oddetallene. Summen av de neste \(n\) oddetallene fås ved å ta summen av de første \(2n\) og trekke fra de første \(n\).
Identifiser telleren
Telleren er \(S_n\).
Identifiser hele summen
De første \(2n\) oddetallene har sum \(S_{2n}\).
Finn nevneren
De neste \(n\) oddetallene har sum \(S_{2n}-S_n\).
Bruk formelen fra b
\(S_n=n^2\) og \(S_{2n}=(2n)^2=4n^2\).
Sett inn
\(B_n=n^2/(4n^2-n^2)\).
Forkort
\[B_n=\frac{n^2}{3n^2}=\frac13\]
Digital kontroll i GeoGebra/CAS
GeoGebra / CAS
1Simplify(n^2/((2n)^2-n^2))
Resultat: \(1/3\)
Tolkning: Alle positive \(n\) gir samme brøkverdi.
fromsympyimportsymbolsx,y,z=symbols('x y z',real=True)left=x**2-2*x+y**2+2*y+z**2-6*zvalue=left.subs({x:4,y:3,z:3})print("Venstreside =",left)print("Innsetting A(4,3,3) =",value)print("Høyreside = 14")print("Ligger A på kuleflaten?",value==14)assertvalue==14
Kjørt utskriftVenstreside = x**2 - 2*x + y**2 + 2*y + z**2 - 6*z
Innsetting A(4,3,3) = 14
Høyreside = 14
Ligger A på kuleflaten? True
Fasit: Punktet \(A(4,3,3)\) ligger på kuleflaten.
Vanlig feil: Å regne \(-6\cdot3\) med feil fortegn.
Sensorpunkt: Sensor ser etter full innsetting og eksplisitt sammenligning med 14.
Del 1 / Oppgave 7bFullføring av kvadrater
Oppgave 7b
Oppgave: Vis at kulen har sentrum i \(S(1,-1,3)\). Bestem radien til kulen.
Original poengangivelse: Oppgave 7 (7 poeng).
Vis løsning
Hva spør oppgaven om? Vi fullfører kvadratet i x-, y- og z-leddene og skriver ligningen på standardform.
Fullfør x-kvadratet
\(x^2-2x=(x-1)^2-1\).
Fullfør y-kvadratet
\(y^2+2y=(y+1)^2-1\).
Fullfør z-kvadratet
\(z^2-6z=(z-3)^2-9\).
Sett inn i ligningen
\((x-1)^2+(y+1)^2+(z-3)^2-11=14\).
Flytt konstanten
\((x-1)^2+(y+1)^2+(z-3)^2=25\).
Les av sentrum og radius
Sentrum er \((1,-1,3)\), og \(r=\sqrt{25}=5\).
Kuleflaten har sentrum S og radius 5; A ligger på overflaten.
En normalvektor til tangentplanet er derfor \(\vec n_\alpha=(3,4,0)\).
Bruk punkt-normal-form
\(3(x-4)+4(y-3)+0(z-3)=0\).
Utvid
\(3x-12+4y-12=0\).
Samle ledd
\(3x+4y-24=0\).
Kontroller punktet
For A får vi \(3\cdot4+4\cdot3-24=0\).
Tangentplanet α står vinkelrett på radiusen SA.
Digital kontroll i GeoGebra/CAS
GeoGebra / CAS
1Plane((4,3,3),(4,-3,0),(0,0,1))
Resultat: \(3x+4y-24=0\)
Tolkning: Kryssproduktet av retningsvektorene er parallelt med radiusvektoren \(3,4,0\), som er normalvektor til tangentplanet.
Digital kontroll i Python (SymPy)
Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
fromsympyimportMatrix,symbols,expandx,y,z=symbols('x y z',real=True)S=Matrix([1,-1,3])A=Matrix([4,3,3])normal=A-Splane=expand(normal.dot(Matrix([x,y,z])-A))print("S =",S.T)print("A =",A.T)print("Normalvektor SA =",normal.T)print("Planuttrykk =",plane)print("Kontroll i A =",plane.subs({x:4,y:3,z:3}))assertplane==3*x+4*y-24
Kjørt utskriftS = Matrix([[1, -1, 3]])
A = Matrix([[4, 3, 3]])
Normalvektor SA = Matrix([[3, 4, 0]])
Planuttrykk = 3*x + 4*y - 24
Kontroll i A = 0
Fasit: \(\alpha: 3x+4y-24=0\).
Vanlig feil: Å bruke selve punktkoordinatene A som normalvektor i stedet for radiusvektoren \(A-S\).
Sensorpunkt: Sensor ser etter geometrisk begrunnelse og korrekt punkt-normal-form.
Del 1 / Oppgave 7dPlan gjennom to punkter og normalt på et plan
Oppgave 7d
Oppgave: Et annet plan \(\beta\) går gjennom \(S\) og \(B(1,0,1)\) og står normalt på \(\alpha\). Bestem ligningen til \(\beta\).
Original poengangivelse: Oppgave 7 (7 poeng).
Vis løsning
Hva spør oppgaven om? Planet må inneholde retningsvektoren \(\overrightarrow{SB}\), og normalvektoren til \(\beta\) må være vinkelrett både på denne retningsvektoren og på normalvektoren til \(\alpha\).
Finn retningsvektoren i planet
\(\overrightarrow{SB}=B-S=(0,1,-2)\).
Bruk normalen til α
\(\vec n_\alpha=(3,4,0)\).
Finn en normal til β
Vi kan bruke kryssproduktet \(\vec n_\beta=\vec n_\alpha\times\overrightarrow{SB}=(-8,6,3)\).
Kontroller ortogonalitet
\((-8,6,3)\cdot(3,4,0)=0\) og \((-8,6,3)\cdot(0,1,-2)=0\).
Bruk punkt-normal-form gjennom S
\(-8(x-1)+6(y+1)+3(z-3)=0\).
Forenkle
\(-8x+6y+3z+5=0\), eller ekvivalent \[8x-6y-3z-5=0.\]
Planet β inneholder S og B og står normalt på tangentplanet α.
Digital kontroll i GeoGebra/CAS
GeoGebra / CAS
1Cross((3,4,0),(0,1,-2))
Resultat: \((-8,6,3)\)
Tolkning: Kryssproduktet er normalt på både \(\alpha\)-normalen og linjen SB.
2Plane((1,-1,3),(0,1,-2),(3,4,0))
Resultat: \(-8x+6y+3z+5=0\)
Tolkning: Planet går gjennom S og B og er normalt på α.
Digital kontroll i Python (SymPy)
Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
fromsympyimportMatrix,symbols,expandx,y,z=symbols('x y z',real=True)S=Matrix([1,-1,3])B=Matrix([1,0,1])n_alpha=Matrix([3,4,0])direction=B-Sn_beta=n_alpha.cross(direction)plane=expand(n_beta.dot(Matrix([x,y,z])-S))print("Retningsvektor SB =",direction.T)print("Normal til alpha =",n_alpha.T)print("Normal til beta =",n_beta.T)print("n_beta · n_alpha =",n_beta.dot(n_alpha))print("n_beta · SB =",n_beta.dot(direction))print("Plan beta =",plane,"= 0")print("Kontroll i B =",plane.subs({x:1,y:0,z:1}))assertn_beta.dot(n_alpha)==0andplane.subs({x:1,y:0,z:1})==0
Kjørt utskriftRetningsvektor SB = Matrix([[0, 1, -2]])
Normal til alpha = Matrix([[3, 4, 0]])
Normal til beta = Matrix([[-8, 6, 3]])
n_beta · n_alpha = 0
n_beta · SB = 0
Plan beta = -8*x + 6*y + 3*z + 5 = 0
Kontroll i B = 0
Fasit: \(\beta: 8x-6y-3z-5=0\) (eller en ekvivalent multiplikasjon av ligningen).
Vanlig feil: Å velge en normalvektor som bare er vinkelrett på \(\alpha\), men ikke på linjen SB.
Sensorpunkt: Sensor ser etter begge geometriske krav og en kontroll av punktene S og B.
Del 2 - med hjelpemidler
Del 2 / Oppgave 1aModellering med differensialligning
Oppgave 1a
Oppgave: Ved inngangen til 2015 var folketallet i Norge 5 200 000. I en modell antar vi at netto innvandring per år er 44 000, antall fødte per år er 1,1 % av folketallet, og antall døde per år er 0,8 % av folketallet. Vi lar folketallet være \(y(t)\), der \(t\) er antall år etter 2015. Forklar at vi kan skrive \(y\prime=0,003y+44000\), \(y(0)=5200000\).
Original poengangivelse: Oppgave 1 (5 poeng).
Vis løsning
Hva spør oppgaven om? Endringsfarten i folketallet er fødte minus døde pluss netto innvandring. Prosentandelene må skrives som desimaltall.
Skriv fødselstallet
Antall fødte per år modelleres som \(0,011y\).
Skriv dødstallet
Antall døde per år modelleres som \(0,008y\).
Ta netto naturlig vekst
\(0,011y-0,008y=0,003y\).
Legg til netto innvandring
Den konstante tilveksten er 44 000 per år.
Skriv differensialligningen
\(y\prime=0,003y+44000\).
Skriv initialbetingelsen
Ved \(t=0\), inngangen til 2015, er \(y(0)=5\,200\,000\).
Digital kontroll i GeoGebra/CAS
GeoGebra / CAS
1Simplify(0.011y-0.008y+44000)
Resultat: \(0,003y+44000\)
Tolkning: CAS samler den prosentvise nettoøkningen og den konstante innvandringen.
Digital kontroll i Python (SymPy)
Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
fromsympyimportsymbols,simplify,Rationaly=symbols('y',positive=True)births=Rational(11,1000)*ydeaths=Rational(8,1000)*yimmigration=44000net_rate=simplify(births-deaths+immigration)print("Fødte per år =",births)print("Døde per år =",deaths)print("Netto innvandring =",immigration)print("Samlet vekstfart =",net_rate)print("Initialbetingelse: y(0) = 5200000")assertsimplify(net_rate-(Rational(3,1000)*y+44000))==0
Kjørt utskriftFødte per år = 11*y/1000
Døde per år = y/125
Netto innvandring = 44000
Samlet vekstfart = 3*y/1000 + 44000
Initialbetingelse: y(0) = 5200000
Fasit: \(y\prime=0,003y+44000\), med \(y(0)=5\,200\,000\).
Vanlig feil: Å legge sammen 1,1 % og 0,8 % i stedet for å trekke dødsraten fra fødselsraten.
Sensorpunkt: Sensor ser etter korrekt fortegn, desimaltall og initialbetingelse.
Tolkning: Modellen når 7 millioner omtrent 28,9 år etter starten.
20.003*7000000+44000
Resultat: \(65000\)
Tolkning: Dette er den øyeblikkelige årlige vekstfarten ved passeringen.
Digital kontroll i Python (SymPy)
Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
fromsympyimportlog,Rational,N,exp,symbols,simplifyt=symbols('t',real=True)exact_t=log(Rational(325,298))/Rational(3,1000)model=Rational(59600000,3)*exp(Rational(3,1000)*t)-Rational(44000000,3)rate=Rational(3,1000)*7_000_000+44_000print("Eksakt t =",exact_t)print("t i år =",N(exact_t,12))print("Kalenderår ≈",N(2015+exact_t,12))print("Modellverdi ved t =",simplify(model.subs(t,exact_t)))print("Vekstfart ved 7 millioner =",rate,"personer per år")assertsimplify(model.subs(t,exact_t)-7_000_000)==0andrate==65_000
Kjørt utskriftEksakt t = 1000*log(325/298)/3
t i år = 28.9105652748
Kalenderår ≈ 2043.91056527
Modellverdi ved t = 7000000
Vekstfart ved 7 millioner = 65000 personer per år
Fasit: Folketallet passerer 7 millioner etter ca. \(28,91\) år, omkring årsskiftet 2043/2044. Vekstfarten er da \(65\,000\) personer per år.
Vanlig feil: Å legge 28,91 direkte til 2016 eller å bruke gjennomsnittlig vekst i stedet for den deriverte.
Sensorpunkt: Sensor ser etter logaritmeløsning, tidsfortolkning og riktig enhet for vekstfarten.
Del 2 / Oppgave 2aGraftegning
Oppgave 2a
Oppgave: Funksjonen \(f\) er gitt ved \(f(x)=x^2-x^4\). Bruk graftegner til å tegne grafen til \(f\).
Original poengangivelse: Oppgave 2 (8 poeng).
Vis løsning
Hva spør oppgaven om? Vi undersøker symmetri, nullpunkter og endeadferd for å velge et egnet grafvindu og kontrollere graftegningen.
Registrer funksjonen
Skriv \(f(x)=x^2-x^4\) i graftegneren.
Undersøk symmetri
Bare partallspotenser forekommer, så \(f(-x)=f(x)\). Grafen er symmetrisk om y-aksen.
Finn nullpunkter
\(x^2-x^4=x^2(1-x^2)=0\), som gir \(x=-1,0,1\).
Undersøk endeadferd
Leddet \(-x^4\) dominerer for store \(|x|\), så grafen går mot \(-\infty\) i begge retninger.
Velg grafvindu
Et vindu som \(-1,4\le x\le1,4\) og \(-1\le y\le0,4\) viser de sentrale trekkene.
Kontroller formen
Grafen har to symmetriske topper og berører x-aksen i origo.
Grafen til f(x)=x²-x⁴ er en jevn, symmetrisk fjerdegradsfunksjon.
Digital kontroll i GeoGebra/CAS
GeoGebra / CAS
1f(x)=x^2-x^4
Resultat: Grafen er symmetrisk om y-aksen og har nullpunkter \(-1,0,1\).
Tolkning: Graftegneren viser de to toppene mellom nullpunktene og negativ endeadferd.
Fasit: Toppunktene er \(\left(-\frac{\sqrt2}{2},\frac14\right)\) og \(\left(\frac{\sqrt2}{2},\frac14\right)\).
Vanlig feil: Å ta med \((0,0)\) som toppunkt; andrederiverten viser at dette er et lokalt bunnpunkt.
Sensorpunkt: Sensor ser etter eksakte koordinater og en gyldig klassifisering.
Del 2 / Oppgave 2cSamlet areal
Oppgave 2c
Oppgave: Bestem det samlede arealet av områdene som er avgrenset av grafen til \(f(x)=x^2-x^4\) og x-aksen.
Original poengangivelse: Oppgave 2 (8 poeng).
Vis løsning
Hva spør oppgaven om? Nullpunktene avgrenser området på intervallet \([-1,1]\). Funksjonen er ikke-negativ der og er jevn, så vi kan utnytte symmetrien.
Finn grensene
\(f(x)=x^2(1-x^2)=0\) gir \(x=-1,0,1\). Hele det avgrensede området ligger fra -1 til 1.
Kontroller fortegnet
For \(|x|<1\) er både \(x^2\ge0\) og \(1-x^2>0\), så \(f(x)\ge0\).
Sett opp arealet
\(A=\int_{-1}^{1}(x^2-x^4)dx\).
Bruk symmetri
\(A=2\int_0^1(x^2-x^4)dx\).
Integrer
\(A=2[x^3/3-x^5/5]_0^1\).
Regn ut
\[A=2\left(\frac13-\frac15\right)=\frac4{15}\]
De to symmetriske delområdene har samlet areal 4/15.
Digital kontroll i GeoGebra/CAS
GeoGebra / CAS
1Integral(x^2-x^4,x,-1,1)
Resultat: \(4/15\)
Tolkning: Siden funksjonen ligger over x-aksen på intervallet, er integralet lik arealet.
Fasit: Det samlede arealet er \(\displaystyle\frac4{15}\) arealenheter.
Vanlig feil: Å integrere over et ubegrenset intervall eller trekke det ene symmetriske delarealet fra det andre.
Sensorpunkt: Sensor ser etter riktige grenser, fortegn og eksakt svar.
Del 2 / Oppgave 2dVolum ved skivemetoden
Oppgave 2d
Oppgave: Grafen til \(f\) roteres \(360^\circ\) om x-aksen. Bestem volumet av omdreiningslegemet som da framkommer.
Original poengangivelse: Oppgave 2 (8 poeng).
Vis løsning
Hva spør oppgaven om? Det avgrensede området mellom grafen og x-aksen på \([-1,1]\) roteres. Skivemetoden krever at radiusfunksjonen kvadreres.
Skriv volumformelen
\(V=\pi\int_a^b[f(x)]^2dx\).
Sett inn grenser og funksjon
\(V=\pi\int_{-1}^{1}(x^2-x^4)^2dx\).
Utvid kvadratet
\((x^2-x^4)^2=x^4-2x^6+x^8\).
Bruk symmetri
\(V=2\pi\int_0^1(x^4-2x^6+x^8)dx\).
Integrer
\(V=2\pi[1/5-2/7+1/9]\).
Forenkle
Brøkken i klammen er \(8/315\), så \[V=\frac{16\pi}{315}.\]
Rotasjonen av de to symmetriske buene danner omdreiningslegemet.
Digital kontroll i GeoGebra/CAS
GeoGebra / CAS
1Integral(pi*(x^2-x^4)^2,x,-1,1)
Resultat: \(16\pi/315\)
Tolkning: CAS gir det eksakte skivevolumet.
Digital kontroll i Python (SymPy)
Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
fromsympyimportsymbols,integrate,pi,expand,simplify,Rationalx=symbols('x',real=True)f=x**2-x**4squared=expand(f**2)volume=pi*integrate(f**2,(x,-1,1))expected=Rational(16,315)*piprint("f(x)^2 =",squared)print("Integral uten pi =",integrate(f**2,(x,-1,1)))print("Volum =",volume)print("Desimalverdi =",volume.evalf())print("Kontroll =",simplify(volume-expected))assertsimplify(volume-expected)==0
Kjørt utskriftf(x)^2 = x**8 - 2*x**6 + x**4
Integral uten pi = 16/315
Volum = 16*pi/315
Desimalverdi = 0.159572960182339
Kontroll = 0
Fasit: Volumet er \(\displaystyle\frac{16\pi}{315}\) volumenheter.
Vanlig feil: Å bruke arealintegralet \(\pi\int f(x)dx\) i stedet for \(\pi\int f(x)^2dx\).
Sensorpunkt: Sensor ser etter skivemetoden, kvadrering av radius og korrekt eksakt integral.
Del 2 / Oppgave 3aPunkt i plan
Oppgave 3a
Oppgave: To plan \(\alpha\) og \(\beta\) er gitt ved \(\alpha:x-y-3=0\) og \(\beta:x+pz-4=0\), \(p\in\mathbb R\). Vis at punktet \((4,1,0)\) ligger i begge planene.
Original poengangivelse: Oppgave 3 (7 poeng).
Vis løsning
Hva spør oppgaven om? Vi setter punktets koordinater inn i begge planligningene. Resultatet skal bli 0 uavhengig av parameteren \(p\).
Kontroller α
Sett \(x=4\) og \(y=1\): \(4-1-3=0\).
Kontroller β
Sett \(x=4\) og \(z=0\): \(4+p\cdot0-4=0\).
Observer parameteren
Siden z-koordinaten er 0, forsvinner parameterleddet \(pz\).
Sammenlign med planligningene
Begge venstresidene blir 0.
Tolk geometrisk
Punktet er derfor et felles punkt for planene for alle reelle \(p\).
Konkluder
\((4,1,0)\in\alpha\cap\beta\).
Digital kontroll i GeoGebra/CAS
GeoGebra / CAS
1Substitute(x-y-3,{x=4,y=1})
Resultat: \(0\)
Tolkning: Punktet oppfyller ligningen til α.
2Substitute(x+pz-4,{x=4,z=0})
Resultat: \(0\)
Tolkning: Punktet oppfyller ligningen til β for alle p.
Digital kontroll i Python (SymPy)
Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
fromsympyimportsymbols,simplifyx,y,z,p=symbols('x y z p',real=True)alpha=x-y-3beta=x+p*z-4point={x:4,y:1,z:0}alpha_value=simplify(alpha.subs(point))beta_value=simplify(beta.subs(point))print("alpha i punktet =",alpha_value)print("beta i punktet =",beta_value)print("Uavhengig av p?",pnotinbeta_value.free_symbols)assertalpha_value==0andbeta_value==0
Kjørt utskriftalpha i punktet = 0
beta i punktet = 0
Uavhengig av p? True
Fasit: Punktet \((4,1,0)\) ligger i begge planene for alle \(p\in\mathbb R\).
Vanlig feil: Å sette inn p som en bestemt verdi, selv om kontrollen gjelder for alle p.
Sensorpunkt: Sensor ser etter innsetting i begge planligninger og en eksplisitt konklusjon.
Del 2 / Oppgave 3bVinkel mellom plan
Oppgave 3b
Oppgave: Bestem \(p\) slik at vinkelen mellom \(\alpha\) og \(\beta\) blir \(60^\circ\).
Original poengangivelse: Oppgave 3 (7 poeng).
Vis løsning
Hva spør oppgaven om? Vinkelen mellom to plan er den spisse vinkelen mellom normalvektorene. Vi bruker absoluttverdien i skalarproduktformelen.
Finn normalvektorene
\(\vec n_\alpha=(1,-1,0)\) og \(\vec n_\beta=(1,0,p)\).
Beregn skalarproduktet
\(\vec n_\alpha\cdot\vec n_\beta=1\).
Beregn lengdene
\(|\vec n_\alpha|=\sqrt2\) og \(|\vec n_\beta|=\sqrt{1+p^2}\).
Kvadrering gir \(1/[2(1+p^2)]=1/4\), altså \(p^2=1\).
Oppgi begge verdier
\[p=-1\quad\text{eller}\quad p=1\]
For p=1 er vinkelen mellom normalene, og dermed planene, 60°.
Digital kontroll i GeoGebra/CAS
GeoGebra / CAS
1Solve(1/(sqrt(2)*sqrt(1+p^2))=1/2,p)
Resultat: \(p=-1\) eller \(p=1\)
Tolkning: Begge parameterverdiene gir samme spisse vinkel mellom planene.
Digital kontroll i Python (SymPy)
Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
fromsympyimportsymbols,Matrix,sqrt,solve,Eq,simplify,Rationalp=symbols('p',real=True)n_alpha=Matrix([1,-1,0])n_beta=Matrix([1,0,p])cos_angle=simplify(abs(n_alpha.dot(n_beta))/(sqrt(n_alpha.dot(n_alpha))*sqrt(n_beta.dot(n_beta))))solutions=solve(Eq(cos_angle,Rational(1,2)),p)print("n_alpha =",n_alpha.T)print("n_beta =",n_beta.T)print("Skalarprodukt =",n_alpha.dot(n_beta))print("cos(vinkel) =",cos_angle)print("Løsninger p =",solutions)forvalueinsolutions:print(value,"gir cos =",simplify(cos_angle.subs(p,value)))assertset(solutions)=={-1,1}
Kjørt utskriftn_alpha = Matrix([[1, -1, 0]])
n_beta = Matrix([[1, 0, p]])
Skalarprodukt = 1
cos(vinkel) = sqrt(2)/(2*sqrt(p**2 + 1))
Løsninger p = [-1, 1]
-1 gir cos = 1/2
1 gir cos = 1/2
Fasit: \(p=\pm1\).
Vanlig feil: Å glemme absoluttverdien eller å beholde bare den positive løsningen etter kvadrering.
Sensorpunkt: Sensor ser etter normalvektorer, vinkelformelen og begge parameterverdiene.
Del 2 / Oppgave 3cMinimering av vinkel
Oppgave 3c
Oppgave: Hvilken verdi for \(p\) vil gi den minste vinkelen mellom \(\alpha\) og \(\beta\)? Hvor stor er vinkelen da?
Original poengangivelse: Oppgave 3 (7 poeng).
Vis løsning
Hva spør oppgaven om? Den minste spisse vinkelen fås når cosinusverdien er størst. Uttrykket avhenger bare av \(p^2\).
Bruk cosinusuttrykket
\(\cos\theta=1/[\sqrt2\sqrt{1+p^2}]\).
Analyser nevneren
\(1+p^2\ge1\) for alle reelle p.
Maksimer cosinus
Nevneren er minst når \(p^2=0\), altså når \(p=0\).
Finn maksimal cosinus
Da er \(\cos\theta=1/\sqrt2\).
Finn vinkelen
\(\theta=\arccos(1/\sqrt2)=45^\circ\).
Tolk
Ingen annen p-verdi kan gi mindre vinkel, fordi alle andre verdier øker nevneren og reduserer cosinus.
Når p=0 blir normalvektorene så parallelle som mulig, og vinkelen blir 45°.
Digital kontroll i GeoGebra/CAS
GeoGebra / CAS
1Derivative(1/(sqrt(2)*sqrt(1+p^2)),p)
Resultat: \(-\frac{p}{\sqrt{2}(1+p^2)^{3/2}}\)
Tolkning: Deriverten er positiv for \(p<0\), null for \(p=0\) og negativ for \(p>0\).
2Solve(Derivative(1/(sqrt(2)*sqrt(1+p^2)),p)=0,p)
Resultat: \(p=0\)
Tolkning: Her får cosinusuttrykket sitt maksimum, og dermed blir den spisse vinkelen minst.
3acos(1/sqrt(2))
Resultat: \(45^\circ\)
Tolkning: Dette er den minste mulige vinkelen mellom planene.
Digital kontroll i Python (SymPy)
Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
fromsympyimportsymbols,sqrt,acos,pi,simplify,diff,solvep=symbols('p',real=True)cos_theta=1/(sqrt(2)*sqrt(1+p**2))derivative=simplify(diff(cos_theta,p))critical=solve(derivative,p)angle=simplify(acos(cos_theta.subs(p,0))*180/pi)print("cos(theta) =",cos_theta)print("Derivert =",derivative)print("Kritisk p =",critical)print("cos(theta) ved p=0 =",simplify(cos_theta.subs(p,0)))print("Minste vinkel i grader =",angle)print("Kontroll p=1, cos =",simplify(cos_theta.subs(p,1)))assertcritical==[0]andangle==45
Kjørt utskriftcos(theta) = sqrt(2)/(2*sqrt(p**2 + 1))
Derivert = -sqrt(2)*p/(2*(p**2 + 1)**(3/2))
Kritisk p = [0]
cos(theta) ved p=0 = sqrt(2)/2
Minste vinkel i grader = 45
Kontroll p=1, cos = 1/2
Fasit: Den minste vinkelen fås for \(p=0\), og vinkelen er \(45^\circ\).
Vanlig feil: Å minimere cosinus i stedet for vinkelen; for spisse vinkler avtar vinkelen når cosinus øker.
Sensorpunkt: Sensor ser etter en global begrunnelse, ikke bare numerisk prøving.
Del 2 / Oppgave 3dSkjæringslinje mellom plan
Oppgave 3d
Oppgave: De to planene skjærer hverandre langs en linje \(\ell\). Bestem en parameterframstilling for \(\ell\), uttrykt ved \(p\).
Original poengangivelse: Oppgave 3 (7 poeng).
Vis løsning
Hva spør oppgaven om? Vi løser planligningene samtidig og lar én koordinat være fri parameter. Punktet \((4,1,0)\) er allerede kjent på linjen.
Skjæringslinjen går gjennom P=(4,1,0) og har retning (-p,-p,1).
Digital kontroll i GeoGebra/CAS
GeoGebra / CAS
1Solve({x-y-3=0,x+pz-4=0},{x,y})
Resultat: \(x=4-pz,\ y=1-pz\)
Tolkning: Ved å sette z=t får vi parameterframstillingen.
2Cross((1,-1,0),(1,0,p))
Resultat: \((-p,-p,1)\)
Tolkning: Kryssproduktet av normalvektorene gir linjens retningsvektor.
Digital kontroll i Python (SymPy)
Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
fromsympyimportsymbols,Matrix,simplifyp,t=symbols('p t',real=True)point=Matrix([4,1,0])direction=Matrix([-p,-p,1])line=point+t*directionalpha_value=simplify(line[0]-line[1]-3)beta_value=simplify(line[0]+p*line[2]-4)cross=Matrix([1,-1,0]).cross(Matrix([1,0,p]))print("Punkt på linjen =",point.T)print("Retningsvektor =",direction.T)print("Parameterframstilling =",line.T)print("Kontroll i alpha =",alpha_value)print("Kontroll i beta =",beta_value)print("Kryssprodukt normaler =",cross.T)assertalpha_value==0andbeta_value==0andcross==direction
Vanlig feil: Å bruke p som linjeparameter eller å få fortegnet til z-leddet feil.
Sensorpunkt: Sensor ser etter et felles punkt, korrekt retningsvektor og kontroll i begge planene.
Del 2 / Oppgave 4aUendelig geometrisk rekke
Oppgave 4a
Oppgave: Om en uendelig geometrisk rekke vet vi at summen er 8, og at summen av de tre første leddene er 7. Sett opp et ligningssystem som uttrykker opplysningene ovenfor.
Original poengangivelse: Oppgave 4 (4 poeng).
Vis løsning
Hva spør oppgaven om? Vi uttrykker den uendelige summen og den tredje delsummen ved første ledd \(a_1\) og kvotienten \(k\).
Tolkning: Uttrykker summen av den uendelige rekken.
2a1*(1+k+k^2)=7
Resultat: Andre ligning
Tolkning: Uttrykker summen av de tre første leddene.
Digital kontroll i Python (SymPy)
Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
fromsympyimportsymbols,Eqa1,k=symbols('a1 k',real=True)eq_infinite=Eq(a1/(1-k),8)eq_three=Eq(a1*(1+k+k**2),7)print("Ligning for uendelig sum:",eq_infinite)print("Ligning for tre første ledd:",eq_three)print("Konvergensvilkår: Abs(k) < 1")asserteq_infinite.rhs==8andeq_three.rhs==7
Kjørt utskriftLigning for uendelig sum: Eq(a1/(1 - k), 8)
Ligning for tre første ledd: Eq(a1*(k**2 + k + 1), 7)
Konvergensvilkår: Abs(k) < 1
Fasit: \(\begin{cases}a_1/(1-k)=8\\a_1(1+k+k^2)=7\end{cases}\), med \(|k|<1\).
Vanlig feil: Å bruke formelen for en endelig sum uten å angi konvergensvilkåret for totalsummen.
Sensorpunkt: Sensor ser etter begge opplysninger oversatt til riktige ligninger.
Del 2 / Oppgave 4bLigningssystem i CAS
Oppgave 4b
Oppgave: Bruk CAS til å bestemme kvotienten \(k\) og det første leddet \(a_1\) i rekken.
Original poengangivelse: Oppgave 4 (4 poeng).
Vis løsning
Hva spør oppgaven om? Vi løser systemet algebraisk og kontrollerer at kvotienten oppfyller konvergenskravet.
Løs første ligning for første ledd
Fra \(a_1/(1-k)=8\) får vi \(a_1=8(1-k)\).
Sett inn i den andre
\(8(1-k)(1+k+k^2)=7\).
Bruk kubikkidentiteten
\((1-k)(1+k+k^2)=1-k^3\). Dermed \(8(1-k^3)=7\).
Løs for k
\(1-k^3=7/8\), så \(k^3=1/8\) og \(k=1/2\).
Finn første ledd
\(a_1=8(1-1/2)=4\).
Kontroller
\(|k|=1/2<1\), \(4/(1-1/2)=8\), og \(4+2+1=7\).
Digital kontroll i GeoGebra/CAS
GeoGebra / CAS
1Solve({a1/(1-k)=8,a1(1+k+k^2)=7},{a1,k})
Resultat: \(a_1=4,\ k=1/2\)
Tolkning: CAS-løsningen oppfyller både systemet og konvergensvilkåret.
Digital kontroll i Python (SymPy)
Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
fromsympyimportsymbols,Eq,solve,Rational,simplifya1,k=symbols('a1 k',real=True)solutions=solve([Eq(a1/(1-k),8),Eq(a1*(1+k+k**2),7)],[a1,k],dict=True)print("CAS-løsninger =",solutions)valid=[]forsolutioninsolutions:kval=solution[k]ifabs(float(kval))<1:valid.append(solution)print("Gyldig løsning =",solution)print("Uendelig sum =",simplify(solution[a1]/(1-kval)))print("Tre første ledd =",simplify(solution[a1]*(1+kval+kval**2)))assertvalid==[{a1:4,k:Rational(1,2)}]
Kjørt utskriftCAS-løsninger = [{a1: 4, k: 1/2}]
Gyldig løsning = {a1: 4, k: 1/2}
Uendelig sum = 8
Tre første ledd = 7
Fasit: Kvotienten er \(k=\frac12\), og det første leddet er \(a_1=4\).
Vanlig feil: Å godta en løsning uten å kontrollere \(|k|<1\), eller å glemme at det første leddet blir 4.
Sensorpunkt: Sensor ser etter CAS-oppsett, eksakte verdier og konvergenskontroll.
ifingo-lærerenHjelper deg å forstå
ifingo-læreren hjelper deg å forstå – ikke å gjøre leksene for deg 💜