R2 eksamenHøst 2016

Matematikk R2 eksamen – høst 2016

ifingo
Norsk (Bokmål)

ifingo · Matematikk R2

Matematikk R2 - eksamen høst 2016

Løsningsforslag til eksamenssettet fra Utdanningsdirektoratet.

Del 1 - uten hjelpemidler

Del 1 / Oppgave 1aDerivasjon og kjerneregel

Oppgave 1a

Oppgave: Deriver funksjonen \(f(x)=3\cos 2x\).
Original poengangivelse: Oppgave 1 (4 poeng).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi skal derivere en cosinusfunksjon med konstant faktor 3 og kjernen \(2x\).

  1. Skriv funksjonen tydelig
    Vi tolker uttrykket som \(f(x)=3\cos(2x)\).
  2. Behold konstantfaktoren
    Faktoren 3 står utenfor derivasjonen.
  3. Deriver cosinus
    \(\frac{d}{dx}\cos u=-\sin u\cdot u\prime\).
  4. Deriver kjernen
    For \(u=2x\) er \(u\prime=2\).
  5. Sett sammen
    \(f\prime(x)=3\cdot[-\sin(2x)]\cdot2\).
  6. Forenkle
    \[f\prime(x)=-6\sin(2x)\]

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra / CAS
1Derivative(3 cos(2x), x)
Resultat: \(-6\sin(2x)\)
Tolkning: CAS bekrefter minusfortegnet og faktoren 2 fra kjerneregelen.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
from sympy import symbols, cos, sin, diff, simplify
x = symbols('x', real=True)
f = 3*cos(2*x)
derivative = diff(f, x)
expected = -6*sin(2*x)
print("f(x) =", f)
print("f'(x) =", derivative)
print("Forventet =", expected)
print("Symbolsk kontroll =", simplify(derivative - expected))
print("Kontroll ved x=0 =", derivative.subs(x, 0))
assert simplify(derivative - expected) == 0
Kjørt utskriftf(x) = 3*cos(2*x)
f'(x) = -6*sin(2*x)
Forventet = -6*sin(2*x)
Symbolsk kontroll = 0
Kontroll ved x=0 = 0

Fasit: \(f\prime(x)=-6\sin(2x)\).

Vanlig feil: Å glemme den indre deriverte 2 eller minusfortegnet til cosinus.
Sensorpunkt: Sensor ser etter korrekt kjerneregel og fullstendig forenkling.
Del 1 / Oppgave 1bEksponentialfunksjon og kjerneregel

Oppgave 1b

Oppgave: Deriver funksjonen \(g(x)=e^{\sin x}\).
Original poengangivelse: Oppgave 1 (4 poeng).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Eksponenten er selv en funksjon. Vi bruker regelen for \(e^{u(x)}\) og deriverer deretter kjernen \(\sin x\).

  1. Identifiser ytre funksjon
    Den ytre funksjonen er \(e^u\).
  2. Deriver ytre funksjon
    Den deriverte av \(e^u\) er fortsatt \(e^u\).
  3. Identifiser kjernen
    Her er \(u(x)=\sin x\).
  4. Deriver kjernen
    \(u\prime(x)=\cos x\).
  5. Bruk kjerneregelen
    \(g\prime(x)=e^{\sin x}\cdot\cos x\).
  6. Skriv svaret ryddig
    \[g\prime(x)=e^{\sin x}\cos x\]

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra / CAS
1Derivative(exp(sin(x)), x)
Resultat: \(e^{\sin x}\cos x\)
Tolkning: CAS viser produktet av den opprinnelige eksponentialfunksjonen og den indre deriverte.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
from sympy import symbols, exp, sin, cos, diff, simplify
x = symbols('x', real=True)
g = exp(sin(x))
derivative = diff(g, x)
expected = exp(sin(x))*cos(x)
print("g(x) =", g)
print("g'(x) =", derivative)
print("Faktorisert form =", derivative.factor())
print("Kontroll =", simplify(derivative - expected))
print("g'(0) =", derivative.subs(x, 0))
assert simplify(derivative - expected) == 0
Kjørt utskriftg(x) = exp(sin(x))
g'(x) = exp(sin(x))*cos(x)
Faktorisert form = exp(sin(x))*cos(x)
Kontroll = 0
g'(0) = 1

Fasit: \(g\prime(x)=e^{\sin x}\cos x\).

Vanlig feil: Å skrive bare \(e^{\sin x}\) og glemme å derivere eksponenten.
Sensorpunkt: Sensor ser etter tydelig bruk av kjerneregelen.
Del 1 / Oppgave 1cKvotientregelen

Oppgave 1c

Oppgave: Deriver funksjonen \(h(x)=\dfrac{x}{\sin x}\).
Original poengangivelse: Oppgave 1 (4 poeng).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Funksjonen er en kvotient. Vi bruker kvotientregelen og tar hensyn til at \(\sin x\neq0\) i definisjonsområdet.

  1. Velg teller og nevner
    Sett \(u=x\) og \(v=\sin x\).
  2. Deriver teller
    \(u\prime=1\).
  3. Deriver nevner
    \(v\prime=\cos x\).
  4. Bruk kvotientregelen
    \((u/v)\prime=(u\prime v-uv\prime)/v^2\).
  5. Sett inn
    \(h\prime(x)=[\sin x-x\cos x]/\sin^2x\).
  6. 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
from sympy import symbols, sin, cos, diff, together, simplify
x = symbols('x', real=True)
h = x/sin(x)
raw = diff(h, x)
result = together(raw)
expected = (sin(x) - x*cos(x))/sin(x)**2
print("h(x) =", h)
print("Derivert, rå form =", raw)
print("Derivert, samlet =", result)
print("Forventet =", expected)
print("Kontroll =", simplify(result - expected))
assert simplify(result - expected) == 0
Kjørt utskrifth(x) = x/sin(x)
Derivert, rå form = -x*cos(x)/sin(x)**2 + 1/sin(x)
Derivert, samlet = (-x*cos(x) + sin(x))/sin(x)**2
Forventet = (-x*cos(x) + sin(x))/sin(x)**2
Kontroll = 0

Fasit: \(h\prime(x)=\dfrac{\sin x-x\cos x}{\sin^2x}\), for \(x\neq k\pi\).

Vanlig feil: Å bytte om rekkefølgen i telleren eller glemme å kvadrere nevneren.
Sensorpunkt: Sensor ser etter kvotientregelen, riktig fortegn og domene.
Del 1 / Oppgave 2aUbestemt integral

Oppgave 2a

Oppgave: Bestem integralet \(\displaystyle\int (x^2-3x+2)\,dx\).
Original poengangivelse: Oppgave 2 (5 poeng).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Polynomet integreres ledd for ledd med potensregelen.

  1. Del opp integralet
    \(\int x^2dx-3\int xdx+2\int dx\).
  2. Integrer første ledd
    \(\int x^2dx=x^3/3\).
  3. Integrer andre ledd
    \(-3\int xdx=-3x^2/2\).
  4. Integrer konstantleddet
    \(2\int dx=2x\).
  5. Sett sammen
    \(x^3/3-3x^2/2+2x\).
  6. Legg til konstant
    \[\int (x^2-3x+2)dx=\frac{x^3}{3}-\frac{3x^2}{2}+2x+C\]

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra / CAS
1Integral(x^2-3x+2, x)
Resultat: \(x^3/3-3x^2/2+2x\)
Tolkning: Derivasjon av CAS-resultatet gir integranden tilbake.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
from sympy import symbols, integrate, diff, simplify
x = symbols('x', real=True)
expr = x**2 - 3*x + 2
F = integrate(expr, x)
check = simplify(diff(F, x) - expr)
print("Integrand =", expr)
print("Stamfunksjon =", F)
print("Derivert tilbake =", diff(F, x))
print("Kontroll =", check)
assert check == 0
Kjørt utskriftIntegrand = x**2 - 3*x + 2
Stamfunksjon = x**3/3 - 3*x**2/2 + 2*x
Derivert tilbake = x**2 - 3*x + 2
Kontroll = 0

Fasit: \(\displaystyle\frac{x^3}{3}-\frac{3x^2}{2}+2x+C\).

Vanlig feil: Å glemme integrasjonskonstanten eller beholde eksponentene uendret.
Sensorpunkt: Sensor ser etter korrekt bruk av potensregelen i alle tre ledd.
Del 1 / Oppgave 2bDelvis integrasjon

Oppgave 2b

Oppgave: Bestem integralet \(\displaystyle\int x\cos x\,dx\).
Original poengangivelse: Oppgave 2 (5 poeng).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Integranden er et produkt av et polynom og en trigonometrisk funksjon. Delvis integrasjon reduserer polynomgraden.

  1. Velg delene
    Sett \(u=x\) og \(dv=\cos x\,dx\).
  2. Finn differensial og stamfunksjon
    Da er \(du=dx\) og \(v=\sin x\).
  3. Bruk formelen
    \(\int u\,dv=uv-\int v\,du\).
  4. Sett inn
    \(\int x\cos xdx=x\sin x-\int\sin xdx\).
  5. Integrer restleddet
    \(-\int\sin xdx=+\cos x\).
  6. 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
from sympy import symbols, sin, cos, integrate, diff, simplify
x = 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))
assert simplify(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.
Del 1 / Oppgave 2cSubstitusjon

Oppgave 2c

Oppgave: Bestem integralet \(\displaystyle\int 2x\sin(x^2)\,dx\).
Original poengangivelse: Oppgave 2 (5 poeng).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Kjernen \(x^2\) har den deriverte \(2x\), som står som faktor i integranden. Substitusjon er derfor direkte.

  1. Velg substitusjon
    Sett \(u=x^2\).
  2. Finn differensialet
    \(du=2x\,dx\).
  3. Bytt variabel
    \(\int2x\sin(x^2)dx=\int\sin u\,du\).
  4. Integrer
    \(\int\sin udu=-\cos u+C\).
  5. Sett tilbake
    \(-\cos(x^2)+C\).
  6. 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
from sympy import symbols, sin, cos, integrate, diff, simplify
x = 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))
assert simplify(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.

  1. Bruk topunktsformelen
    Stigningstallet er \(m=(r-0)/(h-0)\).
  2. Forenkle
    Siden \(h>0\), får vi \(m=r/h\).
  3. Bruk linjeformen
    En linje har form \(y=mx+b\).
  4. Finn konstantleddet
    Punktet \(A(0,0)\) gir \(b=0\).
  5. Sett inn stigningstallet
    \(y=(r/h)x\).
  6. Kontroller punkt B
    For \(x=h\) får vi \(y=(r/h)h=r\).
Linjen gjennom A og B danner profilkurven for omdreiningslegemet.
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
from sympy import symbols, simplify
x, 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)))
assert simplify(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.

  1. Skriv radiusfunksjonen
    Ved posisjon \(x\) er radius \(R(x)=rx/h\).
  2. Bruk skivemetoden
    \(V=\pi\int_0^h[R(x)]^2dx\).
  3. Sett inn radius
    \(V=\pi\int_0^h(r^2x^2/h^2)dx\).
  4. Trekk ut konstantene
    \(V=\pi r^2/h^2\int_0^h x^2dx\).
  5. Regn ut integralet
    \(\int_0^h x^2dx=h^3/3\).
  6. 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.
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
from sympy import symbols, pi, integrate, simplify
x, h, r = symbols('x h r', positive=True)
radius = r*x/h
integrand = pi*radius**2
volume = integrate(integrand, (x, 0, h))
expected = pi*r**2*h/3
print("Radiusfunksjon =", radius)
print("Volumintegrand =", integrand)
print("Volum =", volume)
print("Forventet kjegleformel =", expected)
print("Kontroll =", simplify(volume - expected))
assert simplify(volume - expected) == 0
Kjørt utskriftRadiusfunksjon = r*x/h
Volumintegrand = pi*r**2*x**2/h**2
Volum = pi*h*r**2/3
Forventet kjegleformel = pi*h*r**2/3
Kontroll = 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 \(T=2\pi/|b|\).

  1. Identifiser frekvensfaktoren
    Her er \(b=\pi/2\).
  2. Skriv periodeformelen
    \(T=2\pi/|b|\).
  3. Sett inn
    \(T=2\pi/(\pi/2)\).
  4. Del på en brøk
    \(2\pi\cdot2/\pi=4\).
  5. Kontroller argumentøkningen
    Når \(x\) øker med 4, øker argumentet med \((\pi/2)\cdot4=2\pi\).
  6. 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
from sympy import pi, simplify
b = pi/2
T = simplify(2*pi/b)
print("Frekvensfaktor b =", b)
print("Periodeformel 2*pi/b =", T)
print("Argumentøkning over én periode =", simplify(b*T))
assert T == 4 and simplify(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.

  1. Bruk verdiområdet til sinus
    \(-1\le\sin u\le1\).
  2. Multipliser med amplituden
    \(-3\le3\sin u\le3\).
  3. Forskyv oppover
    \(2\le3\sin u+5\le8\).
  4. Finn minimum
    \(y_{\min}=5-3=2\).
  5. Finn maksimum
    \(y_{\text{maks}}=5+3=8\).
  6. 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.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
from sympy import symbols, sin, pi
x = symbols('x', real=True)
f = 3*sin(pi*x/2) + 5
sample_min = f.subs(x, 3)
sample_max = f.subs(x, 1)
print("f(x) =", f)
print("Likevektslinje = 5")
print("Amplitude = 3")
print("f(3) =", sample_min)
print("f(1) =", sample_max)
assert sample_min == 2 and sample_max == 8
Kjørt utskriftf(x) = 3*sin(pi*x/2) + 5
Likevektslinje = 5
Amplitude = 3
f(3) = 2
f(1) = 8

Fasit: \(y_{\min}=2\) og \(y_{\text{maks}}=8\).

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.

  1. Deriver én gang
    \(f\prime(x)=\frac{3\pi}{2}\cos(\frac{\pi}{2}x)\).
  2. Deriver en gang til
    \(f\prime\prime(x)=-\frac{3\pi^2}{4}\sin(\frac{\pi}{2}x)\).
  3. Finn kandidater
    \(f\prime\prime(x)=0\) når \(\sin(\frac{\pi}{2}x)=0\), altså \(x=2k\).
  4. Kontroller vendepunkt
    Sinus skifter fortegn ved hvert indre nullpunkt, så krumningen skifter der.
  5. Finn y-koordinatene
    For \(x=2k\) er sinusleddet 0, og dermed \(f(x)=5\). Derfor ligger alle vendepunktene på likevektlinjen.
  6. 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.
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
from sympy import symbols, sin, cos, pi, diff, simplify
x = symbols('x', real=True)
f = 3*sin(pi*x/2) + 5
f1 = diff(f, x)
f2 = diff(f, x, 2)
points = [(2*k, simplify(f.subs(x, 2*k))) for k in range(1, 6)]
left_right = [(k, f2.subs(x, 2*k-0.1).evalf(), f2.subs(x, 2*k+0.1).evalf()) for k in range(1, 6)]
print("f'(x) =", f1)
print("f''(x) =", f2)
print("Vendepunkter =", points)
print("Fortegn rundt hvert punkt:")
for row in left_right:
    print(row)
assert all(y == 5 for _, y in points)
Kjørt utskriftf'(x) = 3*pi*cos(pi*x/2)/2
f''(x) = -3*pi**2*sin(pi*x/2)/4
Vendepunkter = [(2, 5), (4, 5), (6, 5), (8, 5), (10, 5)]
Fortegn rundt hvert punkt:
(1, -1.15795971348234, 1.15795971348234)
(2, 1.15795971348234, -1.15795971348234)
(3, -1.15795971348234, 1.15795971348234)
(4, 1.15795971348234, -1.15795971348234)
(5, -1.15795971348234, 1.15795971348234)

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.

  1. Startpunkt
    \(f(0)=5\), og \(f\prime(0)=3\pi/2>0\), så grafen starter stigende fra likevektslinjen.
  2. Første maksimum
    Ved \(x=1\) er argumentet \(\pi/2\), så \(f(1)=8\).
  3. Første minimum
    Ved \(x=3\) er argumentet \(3\pi/2\), så \(f(3)=2\).
  4. Bruk perioden
    Mønsteret gjentas hver 4. x-enhet.
  5. Marker likevektskryssinger
    Grafen krysser \(y=5\) ved alle partall.
  6. Tegn tre hele perioder
    På \([0,12]\) får vi tre perioder og sluttpunktet \((12,5)\).
Korrekt skisse av funksjonen på hele definisjonsområdet.
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
from sympy import sin, pi, simplify
values = []
for k in range(13):
    value = simplify(3*sin(pi*k/2) + 5)
    values.append((k, value))
print("Nøkkelpunkter (x, f(x)):")
for point in values:
    print(point)
print("Antall hele perioder på [0,12] =", 12/4)
assert values[0] == (0, 5) and values[-1] == (12, 5)
Kjørt utskriftNøkkelpunkter (x, f(x)):
(0, 5)
(1, 8)
(2, 5)
(3, 2)
(4, 5)
(5, 8)
(6, 5)
(7, 2)
(8, 5)
(9, 8)
(10, 5)
(11, 2)
(12, 5)
Antall hele perioder på [0,12] = 3.0

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.

  1. Velg prøvefunksjon
    La \(y=e^{rx}\).
  2. Deriver én gang
    \(y\prime=re^{rx}\).
  3. Deriver to ganger
    \(y\prime\prime=r^2e^{rx}\).
  4. Sett inn i venstresiden
    \(r^2e^{rx}-4re^{rx}-5e^{rx}\).
  5. Faktoriser
    \(e^{rx}(r^2-4r-5)\).
  6. Bruk betingelsen
    Når \(r^2-4r-5=0\), blir hele uttrykket 0. Dermed er \(e^{rx}\) en løsning.

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra / CAS
1Simplify(Derivative(exp(r*x),x,2)-4*Derivative(exp(r*x),x)-5*exp(r*x))
Resultat: \(e^{rx}(r^2-4r-5)\)
Tolkning: Uttrykket blir null nøyaktig når den karakteristiske ligningen er oppfylt.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
from sympy import symbols, exp, diff, factor, simplify
x, r = symbols('x r', real=True)
y = exp(r*x)
y1 = diff(y, x)
y2 = diff(y, x, 2)
residual = simplify(y2 - 4*y1 - 5*y)
print("y =", y)
print("y' =", y1)
print("y'' =", y2)
print("Residual =", residual)
print("Faktorisert residual =", factor(residual))
assert simplify(residual - exp(r*x)*(r**2-4*r-5)) == 0
Kjørt utskrifty = exp(r*x)
y' = r*exp(r*x)
y'' = r**2*exp(r*x)
Residual = (r**2 - 4*r - 5)*exp(r*x)
Faktorisert residual = (r - 5)*(r + 1)*exp(r*x)

Fasit: Påstanden er vist fordi residualen er \(e^{rx}(r^2-4r-5)=0\).

Vanlig feil: Å sette inn bare \(y\), men ikke de to deriverte.
Sensorpunkt: Sensor ser etter korrekt substitusjon og faktorisering.
Del 1 / Oppgave 5bKarakteristisk ligning

Oppgave 5b

Oppgave: Bestem den generelle løsningen til differensialligningen \(y\prime\prime-4y\prime-5y=0\).
Original poengangivelse: Oppgave 5 (5 poeng).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi løser den karakteristiske ligningen og bruker at to ulike reelle røtter gir to uavhengige eksponentialløsninger.

  1. Skriv karakteristisk ligning
    \(r^2-4r-5=0\).
  2. Faktoriser
    \((r-5)(r+1)=0\).
  3. Finn røttene
    \(r_1=5\) og \(r_2=-1\).
  4. Skriv basisløsningene
    \(e^{5x}\) og \(e^{-x}\).
  5. Kombiner lineært
    Alle løsninger fås som en lineærkombinasjon.
  6. Oppgi generell løsning
    \[y(x)=C_1e^{5x}+C_2e^{-x}\]

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra / CAS
1Solve(r^2-4r-5=0, r)
Resultat: \(r=-1\) eller \(r=5\)
Tolkning: To ulike reelle røtter gir én eksponentialterm for hver rot.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
from sympy import symbols, solve, factor, exp, Function, Eq, dsolve, diff
x, r = symbols('x r', real=True)
poly = r**2 - 4*r - 5
roots = solve(poly, r)
y = Function('y')
ode = Eq(diff(y(x), x, 2) - 4*diff(y(x), x) - 5*y(x), 0)
solution = dsolve(ode)
print("Karakteristisk polynom =", poly)
print("Faktorisert =", factor(poly))
print("Røtter =", roots)
print("SymPy-løsning =", solution)
assert set(roots) == {-1, 5}
Kjørt utskriftKarakteristisk polynom = r**2 - 4*r - 5
Faktorisert = (r - 5)*(r + 1)
Røtter = [-1, 5]
SymPy-løsning = Eq(y(x), C1*exp(-x) + C2*exp(5*x))

Fasit: \(y(x)=C_1e^{5x}+C_2e^{-x}\).

Vanlig feil: Å bruke \(e^{x}\) for begge røttene eller glemme den negative roten.
Sensorpunkt: Sensor ser etter karakteristisk ligning, begge røtter og to konstanter.
Del 1 / Oppgave 5cInitialbetingelser

Oppgave 5c

Oppgave: Bestem den spesielle løsningen som tilfredsstiller betingelsene \(y(0)=6\) og \(y\prime(0)=0\).
Original poengangivelse: Oppgave 5 (5 poeng).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi setter initialbetingelsene inn i den generelle løsningen og løser et lineært ligningssystem for konstantene.

  1. Start med generell løsning
    \(y=C_1e^{5x}+C_2e^{-x}\).
  2. Bruk første betingelse
    \(y(0)=C_1+C_2=6\).
  3. Deriver
    \(y\prime=5C_1e^{5x}-C_2e^{-x}\).
  4. Bruk andre betingelse
    \(y\prime(0)=5C_1-C_2=0\).
  5. Løs systemet
    Fra den andre ligningen er \(C_2=5C_1\). Da gir den første \(6C_1=6\), altså \(C_1=1\) og \(C_2=5\).
  6. Skriv spesialløsningen
    \[y=e^{5x}+5e^{-x}\]

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra / CAS
1Solve({C1+C2=6,5C1-C2=0},{C1,C2})
Resultat: \(C_1=1,\ C_2=5\)
Tolkning: Konstantene oppfyller begge initialbetingelsene.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
from sympy import symbols, exp, diff, simplify, solve
x, C1, C2 = symbols('x C1 C2', real=True)
y_general = C1*exp(5*x) + C2*exp(-x)
y1_general = diff(y_general, x)
constants = solve([y_general.subs(x,0)-6, y1_general.subs(x,0)], [C1,C2], dict=True)[0]
y_special = simplify(y_general.subs(constants))
residual = simplify(diff(y_special,x,2)-4*diff(y_special,x)-5*y_special)
print("Generell løsning =", y_general)
print("Derivert =", y1_general)
print("Konstanter =", constants)
print("Spesiell løsning =", y_special)
print("y(0) =", y_special.subs(x,0))
print("y'(0) =", diff(y_special,x).subs(x,0))
print("Residual =", residual)
assert residual == 0
Kjørt utskriftGenerell løsning = C1*exp(5*x) + C2*exp(-x)
Derivert = 5*C1*exp(5*x) - C2*exp(-x)
Konstanter = {C1: 1, C2: 5}
Spesiell løsning = (exp(6*x) + 5)*exp(-x)
y(0) = 6
y'(0) = 0
Residual = 0

Fasit: \(y(x)=e^{5x}+5e^{-x}\).

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.

  1. Regn ut \(B_2\)
    Telleren er 4 og nevneren er 12, så \(B_2=4/12\).
  2. Forkort \(B_2\)
    \(4/12=1/3\).
  3. Regn ut \(B_3\)
    Telleren er 9 og nevneren er 27, så \(B_3=9/27=1/3\).
  4. Regn ut \(B_4\)
    Telleren er 16 og nevneren er 48, så \(B_4=16/48=1/3\).
  5. Sammenlign
    Alle tre brøkene får samme verdi.
  6. Skriv resultatet
    \[B_2=B_3=B_4=\frac13\]

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra / CAS
1Simplify((1+3)/(5+7))
Resultat: \(1/3\)
Tolkning: Første brøk forkortes til en tredel.
2Simplify((1+3+5)/(7+9+11))
Resultat: \(1/3\)
Tolkning: Det samme gjelder den andre.
3Simplify((1+3+5+7)/(9+11+13+15))
Resultat: \(1/3\)
Tolkning: Mønsteret fortsetter for \(B_4\).

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
from fractions import Fraction
B2 = Fraction(1+3, 5+7)
B3 = Fraction(1+3+5, 7+9+11)
B4 = Fraction(1+3+5+7, 9+11+13+15)
print("B2 =", B2)
print("B3 =", B3)
print("B4 =", B4)
print("Alle like?", B2 == B3 == B4)
assert B2 == B3 == B4 == Fraction(1,3)
Kjørt utskriftB2 = 1/3
B3 = 1/3
B4 = 1/3
Alle like? True

Fasit: \(B_2=B_3=B_4=\frac13\).

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 \(n=k+1\).

  1. Basissteg
    For \(n=1\) er \(S_1=1=1^2\). Påstanden stemmer.
  2. Induksjonsantakelse
    Anta at \(S_k=1+3+\cdots+(2k-1)=k^2\).
  3. Neste oddetall
    Det neste oddetallet er \(2(k+1)-1=2k+1\).
  4. Bygg \(S_{k+1}\)
    \(S_{k+1}=S_k+(2k+1)\).
  5. Bruk antakelsen
    \(S_{k+1}=k^2+2k+1=(k+1)^2\).
  6. 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
from sympy import symbols, summation, simplify
n, 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)
for value in range(1,8):
    direct = sum(2*j-1 for j in range(1,value+1))
    print(value, direct, value**2)
assert simplify(closed-n**2) == 0 and induction_step == 0
Kjørt utskriftSymbolsk sum = n**2
Basis n=1 = 1
Forskjell i induksjonssteget = 0
1 1 1
2 4 4
3 9 9
4 16 16
5 25 25
6 36 36
7 49 49

Fasit: \(S_n=1+3+\cdots+(2n-1)=n^2\).

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 \(n\).

  1. Identifiser telleren
    Telleren er \(S_n\).
  2. Identifiser hele summen
    De første \(2n\) oddetallene har sum \(S_{2n}\).
  3. Finn nevneren
    De neste \(n\) oddetallene har sum \(S_{2n}-S_n\).
  4. Bruk formelen fra b
    \(S_n=n^2\) og \(S_{2n}=(2n)^2=4n^2\).
  5. Sett inn
    \(B_n=n^2/(4n^2-n^2)\).
  6. 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.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
from sympy import symbols, simplify, Rational
n = symbols('n', integer=True, positive=True)
Sn = n**2
S2n = (2*n)**2
denominator = simplify(S2n - Sn)
Bn = simplify(Sn/denominator)
print("S_n =", Sn)
print("S_2n =", S2n)
print("Nevner S_2n - S_n =", denominator)
print("B_n =", Bn)
assert Bn == Rational(1,3)
Kjørt utskriftS_n = n**2
S_2n = 4*n**2
Nevner S_2n - S_n = 3*n**2
B_n = 1/3

Fasit: \(B_n=\frac13\) for alle positive heltall \(n\).

Vanlig feil: Å bruke \(S_{2n}=2n^2\) i stedet for \((2n)^2=4n^2\).
Sensorpunkt: Sensor ser etter korrekt tolkning av nevneren og algebraisk forkorting.
Del 1 / Oppgave 7aKuleflate og punktkontroll

Oppgave 7a

Oppgave: Ligningen til en kuleflate er gitt ved \(x^2-2x+y^2+2y+z^2-6z=14\). Vis at punktet \(A(4,3,3)\) ligger på kuleflaten.
Original poengangivelse: Oppgave 7 (7 poeng).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi setter koordinatene til A inn i venstresiden og kontrollerer at verdien blir 14.

  1. Sett inn x-koordinaten
    \(x^2-2x=4^2-2\cdot4=16-8=8\).
  2. Sett inn y-koordinaten
    \(y^2+2y=3^2+2\cdot3=9+6=15\).
  3. Sett inn z-koordinaten
    \(z^2-6z=3^2-6\cdot3=9-18=-9\).
  4. Summer leddene
    \(8+15-9=14\).
  5. Sammenlign med høyresiden
    Venstresiden er lik 14, som er høyresiden i kuleligningen.
  6. Konkluder
    Dermed ligger \(A(4,3,3)\) på kuleflaten.

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra / CAS
1Substitute(x^2-2x+y^2+2y+z^2-6z,{x=4,y=3,z=3})
Resultat: \(14\)
Tolkning: Punktets koordinater oppfyller kuleligningen.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
from sympy import symbols
x, y, z = symbols('x y z', real=True)
left = x**2 - 2*x + y**2 + 2*y + z**2 - 6*z
value = 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)
assert value == 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.

  1. Fullfør x-kvadratet
    \(x^2-2x=(x-1)^2-1\).
  2. Fullfør y-kvadratet
    \(y^2+2y=(y+1)^2-1\).
  3. Fullfør z-kvadratet
    \(z^2-6z=(z-3)^2-9\).
  4. Sett inn i ligningen
    \((x-1)^2+(y+1)^2+(z-3)^2-11=14\).
  5. Flytt konstanten
    \((x-1)^2+(y+1)^2+(z-3)^2=25\).
  6. 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.
Kuleflaten har sentrum S og radius 5; A ligger på overflaten.

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra / CAS
1Simplify(x^2-2x+y^2+2y+z^2-6z-((x-1)^2+(y+1)^2+(z-3)^2-11))
Resultat: \(0\)
Tolkning: CAS bekrefter at standardformen er algebraisk ekvivalent med den opprinnelige kulelikningen.
2sqrt(25)
Resultat: \(5\)
Tolkning: Radiusen er den positive kvadratroten av 25.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
from sympy import symbols, expand, simplify, sqrt
x, y, z = symbols('x y z', real=True)
standard = (x-1)**2 + (y+1)**2 + (z-3)**2
expanded = expand(standard)
original_left = x**2-2*x+y**2+2*y+z**2-6*z
print("Standarduttrykk =", standard)
print("Utvidet standarduttrykk =", expanded)
print("Original venstreside + 11 =", original_left + 11)
print("Kontroll =", simplify(standard - (original_left+11)))
print("Sentrum = (1, -1, 3)")
print("Radius =", sqrt(25))
assert simplify(standard-(original_left+11)) == 0
Kjørt utskriftStandarduttrykk = (x - 1)**2 + (y + 1)**2 + (z - 3)**2
Utvidet standarduttrykk = x**2 - 2*x + y**2 + 2*y + z**2 - 6*z + 11
Original venstreside + 11 = x**2 - 2*x + y**2 + 2*y + z**2 - 6*z + 11
Kontroll = 0
Sentrum = (1, -1, 3)
Radius = 5

Fasit: Kulen har sentrum \(S(1,-1,3)\) og radius \(5\).

Vanlig feil: Å lese y-koordinaten som 1 i stedet for -1 fra leddet \((y+1)^2\).
Sensorpunkt: Sensor ser etter korrekt standardform, sentrum og positiv radius.
Del 1 / Oppgave 7cTangentplan til kule

Oppgave 7c

Oppgave: Bestem ligningen for tangentplanet \(\alpha\) til kuleflaten i punktet \(A\).
Original poengangivelse: Oppgave 7 (7 poeng).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Radiusvektoren fra sentrum til berøringspunktet står normalt på tangentplanet.

  1. Finn radiusvektoren
    \(\overrightarrow{SA}=A-S=(4-1,3-(-1),3-3)=(3,4,0)\).
  2. Velg normalvektor
    En normalvektor til tangentplanet er derfor \(\vec n_\alpha=(3,4,0)\).
  3. Bruk punkt-normal-form
    \(3(x-4)+4(y-3)+0(z-3)=0\).
  4. Utvid
    \(3x-12+4y-12=0\).
  5. Samle ledd
    \(3x+4y-24=0\).
  6. Kontroller punktet
    For A får vi \(3\cdot4+4\cdot3-24=0\).
Tangentplanet α står vinkelrett på radiusen SA.
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
from sympy import Matrix, symbols, expand
x, y, z = symbols('x y z', real=True)
S = Matrix([1,-1,3])
A = Matrix([4,3,3])
normal = A-S
plane = 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}))
assert plane == 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 \(\alpha\).

  1. Finn retningsvektoren i planet
    \(\overrightarrow{SB}=B-S=(0,1,-2)\).
  2. Bruk normalen til α
    \(\vec n_\alpha=(3,4,0)\).
  3. Finn en normal til β
    Vi kan bruke kryssproduktet \(\vec n_\beta=\vec n_\alpha\times\overrightarrow{SB}=(-8,6,3)\).
  4. Kontroller ortogonalitet
    \((-8,6,3)\cdot(3,4,0)=0\) og \((-8,6,3)\cdot(0,1,-2)=0\).
  5. Bruk punkt-normal-form gjennom S
    \(-8(x-1)+6(y+1)+3(z-3)=0\).
  6. 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.
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
from sympy import Matrix, symbols, expand
x, 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-S
n_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}))
assert n_beta.dot(n_alpha)==0 and plane.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.

  1. Skriv fødselstallet
    Antall fødte per år modelleres som \(0,011y\).
  2. Skriv dødstallet
    Antall døde per år modelleres som \(0,008y\).
  3. Ta netto naturlig vekst
    \(0,011y-0,008y=0,003y\).
  4. Legg til netto innvandring
    Den konstante tilveksten er 44 000 per år.
  5. Skriv differensialligningen
    \(y\prime=0,003y+44000\).
  6. 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
from sympy import symbols, simplify, Rational

y = symbols('y', positive=True)
births = Rational(11,1000)*y
deaths = Rational(8,1000)*y
immigration = 44000
net_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")
assert simplify(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.
Del 2 / Oppgave 1bLineær differensialligning

Oppgave 1b

Oppgave: Løs differensialligningen \(y\prime=0,003y+44000\), \(y(0)=5200000\).
Original poengangivelse: Oppgave 1 (5 poeng).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi løser en lineær førsteordens differensialligning med konstant koeffisient og bruker initialverdien.

  1. Skriv på standardform
    \(y\prime-0,003y=44000\).
  2. Finn homogen løsning
    \(y_h=Ce^{0,003t}\).
  3. Finn en konstant partikulær løsning
    Sett \(y=A\). Da er \(0=0,003A+44000\), så \(A=-44000/0,003=-44\,000\,000/3\).
  4. Skriv generell løsning
    \(y=Ce^{0,003t}-44\,000\,000/3\).
  5. Bruk initialbetingelsen
    \(5\,200\,000=C-44\,000\,000/3\), som gir \(C=59\,600\,000/3\).
  6. Oppgi modellen
    \[y(t)=\frac{59\,600\,000}{3}e^{0,003t}-\frac{44\,000\,000}{3}\]
Befolkningsmodellen vokser eksponentielt med et konstant tillegg i vekstfarten.
Befolkningsmodellen vokser eksponentielt med et konstant tillegg i vekstfarten.

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra / CAS
1SolveODE(y' = 0.003 y + 44000, y, t, (0, 5200000))
Resultat: \(y(t)=\frac{59\,600\,000}{3}e^{0,003t}-\frac{44\,000\,000}{3}\)
Tolkning: Løsningen oppfyller både differensialligningen og initialbetingelsen.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
from sympy import symbols, Function, Eq, diff, dsolve, Rational, exp, simplify

t = symbols('t', real=True)
y = Function('y')
ode = Eq(diff(y(t), t), Rational(3,1000)*y(t) + 44000)
solution = dsolve(ode, ics={y(0): 5200000})
model = Rational(59600000,3)*exp(Rational(3,1000)*t) - Rational(44000000,3)
residual = simplify(diff(model,t) - (Rational(3,1000)*model + 44000))
print("Differensialligning =", ode)
print("SymPy-løsning =", solution)
print("Modell =", model)
print("y(0) =", model.subs(t,0))
print("Residual =", residual)
assert residual == 0 and model.subs(t,0) == 5200000
Kjørt utskriftDifferensialligning = Eq(Derivative(y(t), t), 3*y(t)/1000 + 44000)
SymPy-løsning = Eq(y(t), 59600000*exp(3*t/1000)/3 - 44000000/3)
Modell = 59600000*exp(3*t/1000)/3 - 44000000/3
y(0) = 5200000
Residual = 0

Fasit: \(\displaystyle y(t)=\frac{59\,600\,000}{3}e^{0,003t}-\frac{44\,000\,000}{3}\).

Vanlig feil: Å bruke \(+44\,000\,000/3\) som konstant partikulær løsning.
Sensorpunkt: Sensor ser etter en fullstendig løsning og eksplisitt bruk av initialverdien.
Del 2 / Oppgave 1cEksponentiallikning og vekstfart

Oppgave 1c

Oppgave: Når vil folketallet passere 7 millioner ifølge modellen? Hvor stor er vekstfarten i folketallet da?
Original poengangivelse: Oppgave 1 (5 poeng).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi setter modellen lik 7 000 000, løser for \(t\), og setter deretter folketallet 7 000 000 inn i differensialligningen.

  1. Sett modellen lik 7 millioner
    \(\frac{59\,600\,000}{3}e^{0,003t}-\frac{44\,000\,000}{3}=7\,000\,000\).
  2. Isoler eksponentialleddet
    \(59\,600\,000e^{0,003t}=65\,000\,000\).
  3. Forenkle forholdet
    \(e^{0,003t}=65/59,6=325/298\).
  4. Ta logaritmen
    \(t=\ln(325/298)/0,003\approx28,91\).
  5. Tolk året
    Dette er omtrent 28,9 år etter inngangen til 2015, altså sent i 2043. Folketallet passerer 7 millioner omkring årsskiftet 2043/2044.
  6. Finn vekstfarten
    Når \(y=7\,000\,000\), er \(y\prime=0,003\cdot7\,000\,000+44\,000=65\,000\) personer per år.
Skjæringen med 7 millioner ligger ved t≈28,91 år.
Skjæringen med 7 millioner ligger ved t≈28,91 år.

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra / CAS
1NSolve((59600000/3) exp(0.003t)-44000000/3=7000000,t)
Resultat: \(t\approx28,91\)
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
from sympy import log, Rational, N, exp, symbols, simplify

t = 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_000
print("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")
assert simplify(model.subs(t,exact_t)-7_000_000) == 0 and rate == 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.

  1. Registrer funksjonen
    Skriv \(f(x)=x^2-x^4\) i graftegneren.
  2. Undersøk symmetri
    Bare partallspotenser forekommer, så \(f(-x)=f(x)\). Grafen er symmetrisk om y-aksen.
  3. Finn nullpunkter
    \(x^2-x^4=x^2(1-x^2)=0\), som gir \(x=-1,0,1\).
  4. Undersøk endeadferd
    Leddet \(-x^4\) dominerer for store \(|x|\), så grafen går mot \(-\infty\) i begge retninger.
  5. Velg grafvindu
    Et vindu som \(-1,4\le x\le1,4\) og \(-1\le y\le0,4\) viser de sentrale trekkene.
  6. Kontroller formen
    Grafen har to symmetriske topper og berører x-aksen i origo.
Grafen til f(x)=x²-x⁴ er en jevn, symmetrisk fjerdegradsfunksjon.
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.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
from sympy import symbols, factor, limit, oo
x = symbols('x', real=True)
f = x**2 - x**4
print("f(x) =", f)
print("Faktorisert =", factor(f))
print("f(-x)-f(x) =", (f.subs(x,-x)-f).simplify())
print("Grense x->oo =", limit(f,x,oo))
print("Grense x->-oo =", limit(f,x,-oo))
print("Nullpunkter: -1, 0, 1")
assert factor(f) == -x**2*(x-1)*(x+1)
Kjørt utskriftf(x) = -x**4 + x**2
Faktorisert = -x**2*(x - 1)*(x + 1)
f(-x)-f(x) = 0
Grense x->oo = -oo
Grense x->-oo = -oo
Nullpunkter: -1, 0, 1

Fasit: Grafen er vist nedenfor med nullpunktene \(-1,0,1\) og symmetri om y-aksen.

Vanlig feil: Å bruke et for smalt y-vindu slik at toppene eller den negative endeadferden ikke vises.
Sensorpunkt: Sensor ser etter korrekt funksjonsinntasting, egnet vindu og en graf som stemmer med nullpunktene.
Del 2 / Oppgave 2bEksakt ekstremalpunkt med CAS

Oppgave 2b

Oppgave: Bruk CAS til å bestemme de eksakte koordinatene til toppunktene på grafen til \(f(x)=x^2-x^4\).
Original poengangivelse: Oppgave 2 (8 poeng).
Vis løsning

Hva spør oppgaven om? Vi løser \(f\prime(x)=0\), klassifiserer de kritiske punktene med andrederiverten og beregner funksjonsverdiene eksakt.

  1. Deriver
    \(f\prime(x)=2x-4x^3=2x(1-2x^2)\).
  2. Finn kritiske x-verdier
    \(2x(1-2x^2)=0\) gir \(x=0\) eller \(x=\pm1/\sqrt2\).
  3. Deriver en gang til
    \(f\prime\prime(x)=2-12x^2\).
  4. Klassifiser toppene
    Ved \(x=\pm1/\sqrt2\) er \(f\prime\prime=2-6=-4<0\), så punktene er toppunkter.
  5. Finn y-verdien
    \(f(\pm1/\sqrt2)=1/2-1/4=1/4\).
  6. Skriv eksakte koordinater
    \[\left(-\frac{\sqrt2}{2},\frac14\right)\quad\text{og}\quad\left(\frac{\sqrt2}{2},\frac14\right)\]
De to markerte toppunktene har høyde 1/4.
De to markerte toppunktene har høyde 1/4.

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra / CAS
1Solve(Derivative(x^2-x^4,x)=0,x)
Resultat: \(x=0,\ x=\pm\sqrt2/2\)
Tolkning: De ikke-null kritiske punktene er kandidater til toppunkter.
2Substitute(x^2-x^4,x,sqrt(2)/2)
Resultat: \(1/4\)
Tolkning: Andrederiverten er negativ i begge symmetriske punkter.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
from sympy import symbols, diff, solve, sqrt, simplify
x = symbols('x', real=True)
f = x**2 - x**4
f1 = diff(f,x)
f2 = diff(f,x,2)
critical = solve(f1,x)
points = [(c, simplify(f.subs(x,c)), simplify(f2.subs(x,c))) for c in critical]
print("f'(x) =", f1)
print("f''(x) =", f2)
print("Kritiske punkter (x, y, f''):")
for point in points:
    print(point)
expected_x = {-sqrt(2)/2, sqrt(2)/2}
max_x = {c for c,yv,second in points if second < 0}
assert max_x == expected_x
Kjørt utskriftf'(x) = -4*x**3 + 2*x
f''(x) = 2*(1 - 6*x**2)
Kritiske punkter (x, y, f''):
(0, 0, 2)
(-sqrt(2)/2, 1/4, -4)
(sqrt(2)/2, 1/4, -4)

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.

  1. Finn grensene
    \(f(x)=x^2(1-x^2)=0\) gir \(x=-1,0,1\). Hele det avgrensede området ligger fra -1 til 1.
  2. Kontroller fortegnet
    For \(|x|<1\) er både \(x^2\ge0\) og \(1-x^2>0\), så \(f(x)\ge0\).
  3. Sett opp arealet
    \(A=\int_{-1}^{1}(x^2-x^4)dx\).
  4. Bruk symmetri
    \(A=2\int_0^1(x^2-x^4)dx\).
  5. Integrer
    \(A=2[x^3/3-x^5/5]_0^1\).
  6. Regn ut
    \[A=2\left(\frac13-\frac15\right)=\frac4{15}\]
De to symmetriske delområdene har samlet areal 4/15.
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.

Digital kontroll i Python (SymPy)

Python 3.12 / SymPy - faktisk kjørt
from sympy import symbols, integrate, Rational, simplify
x = symbols('x', real=True)
f = x**2 - x**4
left = integrate(f,(x,-1,0))
right = integrate(f,(x,0,1))
total = integrate(f,(x,-1,1))
print("Venstre delareal =", left)
print("Høyre delareal =", right)
print("Samlet areal =", total)
print("Desimalverdi =", total.evalf())
print("Kontroll mot 4/15 =", simplify(total-Rational(4,15)))
assert total == Rational(4,15)
Kjørt utskriftVenstre delareal = 2/15
Høyre delareal = 2/15
Samlet areal = 4/15
Desimalverdi = 0.266666666666667
Kontroll mot 4/15 = 0

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.

  1. Skriv volumformelen
    \(V=\pi\int_a^b[f(x)]^2dx\).
  2. Sett inn grenser og funksjon
    \(V=\pi\int_{-1}^{1}(x^2-x^4)^2dx\).
  3. Utvid kvadratet
    \((x^2-x^4)^2=x^4-2x^6+x^8\).
  4. Bruk symmetri
    \(V=2\pi\int_0^1(x^4-2x^6+x^8)dx\).
  5. Integrer
    \(V=2\pi[1/5-2/7+1/9]\).
  6. Forenkle
    Brøkken i klammen er \(8/315\), så \[V=\frac{16\pi}{315}.\]
Rotasjonen av de to symmetriske buene danner omdreiningslegemet.
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
from sympy import symbols, integrate, pi, expand, simplify, Rational
x = symbols('x', real=True)
f = x**2-x**4
squared = expand(f**2)
volume = pi*integrate(f**2,(x,-1,1))
expected = Rational(16,315)*pi
print("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))
assert simplify(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 \(p\).

  1. Kontroller α
    Sett \(x=4\) og \(y=1\): \(4-1-3=0\).
  2. Kontroller β
    Sett \(x=4\) og \(z=0\): \(4+p\cdot0-4=0\).
  3. Observer parameteren
    Siden z-koordinaten er 0, forsvinner parameterleddet \(pz\).
  4. Sammenlign med planligningene
    Begge venstresidene blir 0.
  5. Tolk geometrisk
    Punktet er derfor et felles punkt for planene for alle reelle \(p\).
  6. 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
from sympy import symbols, simplify
x, y, z, p = symbols('x y z p', real=True)
alpha = x-y-3
beta = x+p*z-4
point = {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?", p not in beta_value.free_symbols)
assert alpha_value == 0 and beta_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.

  1. Finn normalvektorene
    \(\vec n_\alpha=(1,-1,0)\) og \(\vec n_\beta=(1,0,p)\).
  2. Beregn skalarproduktet
    \(\vec n_\alpha\cdot\vec n_\beta=1\).
  3. Beregn lengdene
    \(|\vec n_\alpha|=\sqrt2\) og \(|\vec n_\beta|=\sqrt{1+p^2}\).
  4. Bruk vinkelkravet
    \(\cos60^\circ=\frac{|1|}{\sqrt2\sqrt{1+p^2}}=\frac12\).
  5. Løs ligningen
    Kvadrering gir \(1/[2(1+p^2)]=1/4\), altså \(p^2=1\).
  6. Oppgi begge verdier
    \[p=-1\quad\text{eller}\quad p=1\]
For p=1 er vinkelen mellom normalene, og dermed planene, 60°.
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
from sympy import symbols, Matrix, sqrt, solve, Eq, simplify, Rational
p = 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)
for value in solutions:
    print(value, "gir cos =", simplify(cos_angle.subs(p,value)))
assert set(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 \(p^2\).

  1. Bruk cosinusuttrykket
    \(\cos\theta=1/[\sqrt2\sqrt{1+p^2}]\).
  2. Analyser nevneren
    \(1+p^2\ge1\) for alle reelle p.
  3. Maksimer cosinus
    Nevneren er minst når \(p^2=0\), altså når \(p=0\).
  4. Finn maksimal cosinus
    Da er \(\cos\theta=1/\sqrt2\).
  5. Finn vinkelen
    \(\theta=\arccos(1/\sqrt2)=45^\circ\).
  6. 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°.
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
from sympy import symbols, sqrt, acos, pi, simplify, diff, solve
p = 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)))
assert critical == [0] and angle == 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.

  1. Skriv ligningene
    \(x-y-3=0\) og \(x+pz-4=0\).
  2. Velg parameter
    La \(z=t\).
  3. Løs β for x
    \(x=4-pt\).
  4. Løs α for y
    \(y=x-3=1-pt\).
  5. Skriv parameterframstillingen
    \((x,y,z)=(4-pt,1-pt,t)\).
  6. Skriv punkt-vektor-form
    \[\ell:\ \begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}4\\1\\0\end{pmatrix}+t\begin{pmatrix}-p\\-p\\1\end{pmatrix},\quad t\in\mathbb R.\]
Skjæringslinjen går gjennom P=(4,1,0) og har retning (-p,-p,1).
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
from sympy import symbols, Matrix, simplify
p, t = symbols('p t', real=True)
point = Matrix([4,1,0])
direction = Matrix([-p,-p,1])
line = point + t*direction
alpha_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)
assert alpha_value == 0 and beta_value == 0 and cross == direction
Kjørt utskriftPunkt på linjen = Matrix([[4, 1, 0]])
Retningsvektor = Matrix([[-p, -p, 1]])
Parameterframstilling = Matrix([[-p*t + 4, -p*t + 1, t]])
Kontroll i alpha = 0
Kontroll i beta = 0
Kryssprodukt normaler = Matrix([[-p, -p, 1]])

Fasit: \(\displaystyle\ell:(x,y,z)=(4,1,0)+t(-p,-p,1)\), \(t\in\mathbb R\).

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 \(k\).

  1. Skriv uendelig sum
    Når \(|k|<1\), er \(S_\infty=a_1/(1-k)\).
  2. Bruk totalsummen
    Opplysningen gir \(a_1/(1-k)=8\).
  3. Skriv de tre første leddene
    De er \(a_1\), \(a_1k\) og \(a_1k^2\).
  4. Summer de tre leddene
    \(S_3=a_1(1+k+k^2)\).
  5. Bruk delsummen
    Opplysningen gir \(a_1(1+k+k^2)=7\).
  6. Skriv system og vilkår
    \[\begin{cases}\dfrac{a_1}{1-k}=8\\a_1(1+k+k^2)=7\end{cases},\qquad |k|<1.\]

Digital kontroll i GeoGebra/CAS

GeoGebra / CAS
1a1/(1-k)=8
Resultat: Første ligning
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
from sympy import symbols, Eq

a1, 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")
assert eq_infinite.rhs == 8 and eq_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.

  1. Løs første ligning for første ledd
    Fra \(a_1/(1-k)=8\) får vi \(a_1=8(1-k)\).
  2. Sett inn i den andre
    \(8(1-k)(1+k+k^2)=7\).
  3. Bruk kubikkidentiteten
    \((1-k)(1+k+k^2)=1-k^3\). Dermed \(8(1-k^3)=7\).
  4. Løs for k
    \(1-k^3=7/8\), så \(k^3=1/8\) og \(k=1/2\).
  5. Finn første ledd
    \(a_1=8(1-1/2)=4\).
  6. 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
from sympy import symbols, Eq, solve, Rational, simplify

a1, 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 = []
for solution in solutions:
    kval = solution[k]
    if abs(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)))
assert valid == [{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.