Universitetseksamen etter tema
Øv på ett tema om gangen med oppgavene fra universitetseksamenene vi har lagt ut, foreløpig NTNU Matematikk 1. Velg område og tema, så henter vi oppgavene fra alle settene. Prøv selv først – løsningen ligger under oppgaven når du står fast.
Område
Emne
Velger du flere tema, får du oppgavene som har alle sammen.
106 oppgaver · viser 21–30
Oppgavene
TMA4400 ordinær eksamen 2025 - Del 2
Oppgave 3
10 poeng
Finn egenverdiene og tilhørende egenvektorer til matrisen gitt ved
Finn og regn ut der matrisene og er gitt ved
Vis løsningSkjul løsning på oppgave 3
Svar
Vi finner egenverdiene med \( {\det(M - \lambda I) = 0} \) og egenvektorene med \( {(M - \lambda I)\mathbf{v} = \mathbf{0}}\text{.} \) Så setter vi opp \( P \) og \( D \) og ganger ut.
1. Finn egenverdiene
Vi setter determinanten lik \( 0\text{,} \) som i videoen Hvordan regner vi ut egenverdier egenvektorer?:
\[ \begin{aligned} \begin{vmatrix} 4 - \lambda & 2 \\ 1 & 3 - \lambda \end{vmatrix} &= 0 \\ (4 - \lambda)(3 - \lambda) - 2 &= 0 \\ \lambda^2 - 7\lambda + 10 &= 0 \\ (\lambda - 2)(\lambda - 5) &= 0 \end{aligned} \]
Det gir oss:
\[ \textcolor{blue}{\lambda_1 = 2}, \quad \textcolor{red}{\lambda_2 = 5} \]
2. Finn egenvektorene
Vi setter inn hver egenverdi og løser for vektoren, som i videoen Hvordan regner vi ut egenverdier egenvektorer?. Andre rad er et multiplum av første, så én likning er nok.
For \( {\textcolor{blue}{\lambda_1 = 2}} \) får vi:
\[ \begin{bmatrix} 2 & 2 \\ 1 & 1 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} a \\ b \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \end{bmatrix} \]Det gir \( {a = -b}\text{.} \) Vi velger \( {b = -1}\text{:} \)
\[ \textcolor{blue}{\mathbf{v}_1} = \textcolor{blue}{\begin{bmatrix} 1 \\ -1 \end{bmatrix}} \]
For \( {\textcolor{red}{\lambda_2 = 5}} \) får vi:
\[ \begin{bmatrix} -1 & 2 \\ 1 & -2 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} a \\ b \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \end{bmatrix} \]Det gir \( {a = 2b}\text{.} \) Vi velger \( {b = 1}\text{:} \)
\[ \textcolor{red}{\mathbf{v}_2} = \textcolor{red}{\begin{bmatrix} 2 \\ 1 \end{bmatrix}} \]Alle multipler av disse er også egenvektorer, så andre valg er like riktige.
3. Finn den inverse til P
Egenvektorene er kolonnene i \( P\text{:} \)
\[ P = \begin{bmatrix} \textcolor{blue}{1} & \textcolor{red}{2} \\ \textcolor{blue}{-1} & \textcolor{red}{1} \end{bmatrix} \]
Formelen for den inverse forteller oss at:
\[ \begin{aligned} &\begin{bmatrix} \textcolor{blue}{A} & \textcolor{red}{B} \\ \textcolor{blue}{C} & \textcolor{red}{E} \end{bmatrix}^{-1} \\ &= \dfrac{1}{\textcolor{blue}{A}\textcolor{red}{E} - \textcolor{red}{B}\textcolor{blue}{C}}\begin{bmatrix} \textcolor{red}{E} & -\textcolor{red}{B} \\ -\textcolor{blue}{C} & \textcolor{blue}{A} \end{bmatrix} \end{aligned} \]Hvis du er usikker på den, kan du se videoen Invers matrise med determinanter.
Her er:
\[ \begin{aligned} \textcolor{blue}{A} &= \textcolor{blue}{1} & \textcolor{red}{B} &= \textcolor{red}{2} \\ \textcolor{blue}{C} &= \textcolor{blue}{-1} & \textcolor{red}{E} &= \textcolor{red}{1} \end{aligned} \]
Plugger vi dette inn, er nevneren:
\[ \textcolor{blue}{1} \cdot \textcolor{red}{1} - \textcolor{red}{2} \cdot (\textcolor{blue}{-1}) = 3 \]
Da får vi:
\[ \begin{aligned} P^{-1} &= \dfrac{1}{3}\begin{bmatrix} \textcolor{red}{1} & -\textcolor{red}{2} \\ -(\textcolor{blue}{-1}) & \textcolor{blue}{1} \end{bmatrix} \\ &= \dfrac{1}{3}\begin{bmatrix} 1 & -2 \\ 1 & 1 \end{bmatrix} \end{aligned} \]
4. Regn ut produktet
Vi ganger først \( P \) med \( D\text{:} \)
\[ \begin{aligned} PD &= \begin{bmatrix} 1 & 2 \\ -1 & 1 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} \textcolor{blue}{2} & 0 \\ 0 & \textcolor{red}{5} \end{bmatrix} \\ &= \begin{bmatrix} \textcolor{blue}{2} & \textcolor{red}{10} \\ \textcolor{blue}{-2} & \textcolor{red}{5} \end{bmatrix} \end{aligned} \]
Så ganger vi med \( {P^{-1}}\text{:} \)
\[ \begin{aligned} PDP^{-1} &= \dfrac{1}{3}\begin{bmatrix} \textcolor{blue}{2} & \textcolor{red}{10} \\ \textcolor{blue}{-2} & \textcolor{red}{5} \end{bmatrix}\begin{bmatrix} 1 & -2 \\ 1 & 1 \end{bmatrix} \\ &= \dfrac{1}{3}\begin{bmatrix} 12 & 6 \\ 3 & 9 \end{bmatrix} \\ &= \begin{bmatrix} 4 & 2 \\ 1 & 3 \end{bmatrix} \end{aligned} \]
Vi får tilbake \( M\text{.} \) Det er akkurat det diagonalisering sier, som i videoen Intro diagonalisering.
TMA4400 ordinær eksamen 2025 - Del 2
Oppgave 4
10 poeng
La Bruk approksimasjonen
med og til å regne ut en tilnærmingsverdi til
Vis deretter at feilen i denne approksimasjonen er begrenset av
Vink: Du kan gå ut ifra at for alle er kontinuerlige på intervallet men du trenger ikke å regne ut disse.
Taylors teorem er gitt som
for mellom og
Vis løsningSkjul løsning på oppgave 4
Svar
Tilnærmingen er avrundet til tre desimaler, og feilen gjelder for en
Vi setter først inn tallene. For feilen skriver vi opp Taylors teorem for både \( {+h} \) og \( {-h}\text{,} \) og legger dem sammen, for da faller oddetallsleddene bort.
1. Regn ut tilnærmingen
Vi regner ut de tre funksjonsverdiene med kalkulator, med seks desimaler så vi ikke runder av for tidlig:
\[ \begin{aligned} f(1{,}1) &= \sqrt{1{,}1^3 + e^{1{,}1}} \approx 2{,}082106 \\ f(1) &= \sqrt{1 + e} \approx 1{,}928285 \\ f(0{,}9) &= \sqrt{0{,}9^3 + e^{0{,}9}} \approx 1{,}785666 \end{aligned} \]
Parentesen i approksimasjonen blir:
\[ \begin{aligned} & f(1{,}1) - 2f(1) + f(0{,}9) \\ &\approx 2{,}082106 - 3{,}856570 + 1{,}785666 \\ &= 0{,}011202 \end{aligned} \]
Plugger vi dette inn, får vi:
\[ f''(1) \approx \dfrac{1}{0{,}1^2} \cdot 0{,}011202 \approx 1{,}120 \]
2. Skriv opp Taylor begge veier
Taylors teorem står i oppgaven, og du ser hvor leddene kommer fra i videoen Taylor & Mclauren polynomer DEL 2. Vi skriver det opp for \( h \) med \( \textcolor{red}{c_1} \) mellom \( x_0 \) og \( {x_0 + h}\text{:} \)
\[ \begin{aligned} f(x_0 + h) = {} & f + hf' + \dfrac{h^2}{2}f'' \\ & + \dfrac{h^3}{6}f''' + \dfrac{h^4}{24}f^{(4)}(\textcolor{red}{c_1}) \end{aligned} \]
Her står \( f\text{,} \) \( f'\text{,} \) \( f'' \) og \( f''' \) for verdiene i \( x_0\text{.} \) Så setter vi inn \( {-h}\text{,} \) med \( \textcolor{blue}{c_2} \) mellom \( {x_0 - h} \) og \( x_0\text{:} \)
\[ \begin{aligned} f(x_0 - h) = {} & f - hf' + \dfrac{h^2}{2}f'' \\ & - \dfrac{h^3}{6}f''' + \dfrac{h^4}{24}f^{(4)}(\textcolor{blue}{c_2}) \end{aligned} \]
3. Legg sammen og finn feilen
Legger vi sammen, faller leddene med \( h \) og \( h^3 \) bort:
\[ \begin{aligned} & f(x_0 + h) + f(x_0 - h) \\ &= 2f + h^2f'' \\ &\quad + \dfrac{h^4}{24}\big(f^{(4)}(\textcolor{red}{c_1}) + f^{(4)}(\textcolor{blue}{c_2})\big) \end{aligned} \]
Vi kaller approksimasjonen \( \textcolor{green}{T}\text{:} \)
\[ \textcolor{green}{T} = \dfrac{f(x_0 + h) - 2f + f(x_0 - h)}{h^2} \]
Vi flytter \( 2f \) over og deler på \( h^2\text{.} \) Da står \( \textcolor{green}{T} \) minus \( f'' \) igjen, altså feilen:
\[ \begin{aligned} & \textcolor{green}{T} - f''(x_0) \\ &= \dfrac{h^2}{24}\big(f^{(4)}(\textcolor{red}{c_1}) + f^{(4)}(\textcolor{blue}{c_2})\big) \\ &= \dfrac{h^2}{12} \cdot \dfrac{f^{(4)}(\textcolor{red}{c_1}) + f^{(4)}(\textcolor{blue}{c_2})}{2} \end{aligned} \]
4. Bruk skjærsetningen
Brøken til slutt er gjennomsnittet av to verdier til \( f^{(4)}\text{,} \) så den ligger mellom dem. \( f^{(4)} \) er kontinuerlig, så skjærsetningen forteller oss at den treffer gjennomsnittet i et punkt \( \xi \) mellom \( \textcolor{red}{c_1} \) og \( \textcolor{blue}{c_2}\text{,} \) som i videoen Skjærsetningen:
\[ f^{(4)}(\xi) = \dfrac{f^{(4)}(\textcolor{red}{c_1}) + f^{(4)}(\textcolor{blue}{c_2})}{2} \]
Siden \( \textcolor{blue}{c_2} \) ligger til venstre for \( x_0 \) og \( \textcolor{red}{c_1} \) til høyre, er \( {\xi \in (x_0 - h, x_0 + h)}\text{.} \) Tar vi absoluttverdi, er feilen:
\[ \left|\textcolor{green}{T} - f''(x_0)\right| = \dfrac{h^2}{12}\left|f^{(4)}(\xi)\right| \]
TMA4400 ordinær eksamen 2025 - Del 2
Oppgave 5
10 poeng
- Flere oppgaver om delvis integrasjon,
- Flere oppgaver om integrasjon,
- Flere oppgaver om numerisk integrasjon
La Regn ut
Du kan tilnærme integralet numerisk ved midtpunktmetoden med delintervaller. Feilen er da begrenset av
der for alle
Vis at for alle Finn som gir en feil mindre enn
Vis løsningSkjul løsning på oppgave 5
Svar
Integranden er et produkt, så vi bruker delvis integrasjon. Så deriverer vi to ganger, finner en grense for \( |f''(x)| \) og setter den inn i feilformelen.
1. Regn ut integralet
Delvis integrasjon forteller oss at:
\[ \int_a^b \textcolor{red}{u}\textcolor{blue}{v'}\,dx = \Big[\textcolor{red}{u}\textcolor{blue}{v}\Big]_a^b - \int_a^b \textcolor{blue}{v}\textcolor{red}{u'}\,dx \]Hvis du er usikker på delvis integrasjon, kan du se videoen Delvis integrasjon.
Her er:
\[ \begin{aligned} \textcolor{red}{u} &= \textcolor{red}{x} & \textcolor{red}{u'} &= \textcolor{red}{1} \\ \textcolor{blue}{v'} &= \textcolor{blue}{e^{-x}} & \textcolor{blue}{v} &= \textcolor{blue}{-e^{-x}} \end{aligned} \]
Plugger vi dette inn, får vi:
\[ \begin{aligned} I = {} & \Big[\textcolor{red}{x} \cdot (\textcolor{blue}{-e^{-x}})\Big]_0^2 \\ & - \int_0^2 (\textcolor{blue}{-e^{-x}}) \cdot \textcolor{red}{1}\,dx \\ = {} & \Big[-xe^{-x} - e^{-x}\Big]_0^2 \\ = {} & (-2e^{-2} - e^{-2}) - (0 - 1) \\ = {} & 1 - 3e^{-2} \end{aligned} \]
2. Deriver to ganger
Produktregelen gir oss, som i videoen Produktregelen:
\[ \begin{aligned} f'(x) &= 1 \cdot e^{-x} + x \cdot (-e^{-x}) \\ &= (1 - x)e^{-x} \end{aligned} \]
Vi bruker den en gang til, med \( {(e^{-x})' = -e^{-x}} \) fra kjerneregelen, som i videoen Kjerneregelen:
\[ \begin{aligned} f''(x) &= -e^{-x} + (1 - x)(-e^{-x}) \\ &= (x - 2)e^{-x} \end{aligned} \]
3. Vis grensen for den andrederiverte
For \( x \in [0, 2] \) er \( {x - 2 \le 0}\text{,} \) og vi kan skrive:
\[ |f''(x)| = (2 - x)e^{-x} \]
Begge faktorene er størst i \( {x = 0}\text{:} \)
\[ \begin{aligned} 0 \le 2 - x &\le 2 \\ 0 < e^{-x} &\le 1 \end{aligned} \]
Ganger vi dem sammen, får vi:
\[ |f''(x)| \le 2 \cdot 1 = 2 \]
4. Finn antall delintervaller
Midtpunktmetoden er midt-Riemannsummen, som i videoen Riemann sum. Vi setter \( {\textcolor{green}{K = 2}} \) inn i feilgrensen og krever at den er mindre enn \( {10^{-2}}\text{:} \)
\[ \begin{aligned} \dfrac{2^3 \cdot \textcolor{green}{2}}{24n^2} &< \dfrac{1}{100} \\ \dfrac{2}{3n^2} &< \dfrac{1}{100} \\ n^2 &> \dfrac{200}{3} \approx 66{,}7 \end{aligned} \]
Vi prøver hele tall:
\[ 8^2 = 64 < 66{,}7 < 81 = 9^2 \]Så det minste antallet delintervaller vi kan garantere det med, er \( {n = 9}\text{.} \) Alle større \( n \) går også.
TMA4400 ordinær eksamen 2025 - Del 2
Oppgave 6
10 poeng
- Flere oppgaver om definisjonen av den deriverte,
- Flere oppgaver om derivasjon,
- Flere oppgaver om grenseverdier
Avgjør om følgende funksjon er deriverbar i
Vis løsningSkjul løsning på oppgave 6
Svar
Grensen til finnes ikke når
Funksjonen skifter uttrykk i \( {x = 0}\text{,} \) så derivasjonsreglene hjelper ikke der. Vi bruker derfor definisjonen til den deriverte.
1. Sett opp definisjonen
Definisjonen til den deriverte forteller oss at:
\[ f'(a) = \lim_{h \to 0} \dfrac{f(a + h) - f(a)}{h} \]Hvis du er usikker på den, kan du se videoen Definisjonen til den deriverte.
Her er \( {a = 0}\text{,} \) \( {f(0) = 0} \) og \( {f(h) = h\cos\left(\dfrac{1}{h}\right)}\text{.} \) Plugger vi dette inn, får vi:
\[ \begin{aligned} f'(0) &= \lim_{h \to 0} \dfrac{h\cos\left(\dfrac{1}{h}\right) - 0}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \cos\left(\dfrac{1}{h}\right) \end{aligned} \]
2. Vis at grensen ikke finnes
Når \( h \) går mot \( 0\text{,} \) vokser \( \dfrac{1}{h} \) uten grense, så cosinus fortsetter å svinge mellom \( {-1} \) og \( 1\text{.} \) Det ser vi ved å la \( h \) gå mot \( 0 \) på to måter, med \( {k = 1, 2, 3, \dots} \)
Velger vi \( {\textcolor{red}{h = \dfrac{1}{2k\pi}}}\text{,} \) får vi:
\[ \cos\left(\dfrac{1}{\textcolor{red}{h}}\right) = \cos(2k\pi) = \textcolor{red}{1} \]
Velger vi \( {\textcolor{blue}{h = \dfrac{1}{(2k + 1)\pi}}}\text{,} \) får vi:
\[ \cos\left(\dfrac{1}{\textcolor{blue}{h}}\right) = \cos\big((2k + 1)\pi\big) = \textcolor{blue}{-1} \]
Begge valgene går mot \( 0 \) når \( k \) vokser, men de gir ulike verdier. Grensen finnes altså ikke, og \( f \) er ikke deriverbar i \( {x = 0}\text{.} \)
TMA4400 ordinær eksamen 2025 - Del 2
Oppgave 7
10 poeng
La følgen være gitt ved
Vis at og for alle
Hvorfor kan du nå være sikker på at eksisterer?
Finn så
Vink: Du kan få bruk for induksjon i denne oppgaven.
Vis løsningSkjul løsning på oppgave 7
Svar
Følgen er voksende og begrenset, så grensen eksisterer:
Vi viser skrankene med induksjon, og at følgen vokser ved å se på forskjellen mellom kvadratene. En voksende følge med et tak konvergerer, og grensen finner vi fra formelen.
1. Vis skrankene med induksjon
Vi bruker induksjon: Det stemmer for \( {n = 0}\text{,} \) og hvis det stemmer for én \( n\text{,} \) stemmer det for den neste.
For \( {n = 0} \) har vi:
\[ 0 \le \sqrt{2} \le 2 \]
Anta nå at \( {0 \le \textcolor{red}{a_n} \le 2}\text{.} \) Da er:
\[ \begin{aligned} 2 \le 2 + \textcolor{red}{a_n} &\le 4 \\ \sqrt{2} \le \sqrt{2 + \textcolor{red}{a_n}} &\le 2 \\ 0 \le \textcolor{blue}{a_{n+1}} &\le 2 \end{aligned} \]Så \( {0 \le a_n \le 2} \) for alle \( {n \ge 0}\text{.} \)
2. Vis at følgen vokser
Begge leddene er positive, så det holder å sammenligne kvadratene. Vi bruker formelen og faktoriserer:
\[ \begin{aligned} \textcolor{blue}{a_{n+1}}^2 - \textcolor{red}{a_n}^2 &= 2 + \textcolor{red}{a_n} - \textcolor{red}{a_n}^2 \\ &= (2 - \textcolor{red}{a_n})(1 + \textcolor{red}{a_n}) \end{aligned} \]
Vi har nettopp vist at \( {0 \le \textcolor{red}{a_n} \le 2}\text{,} \) så begge faktorene er ikke-negative:
\[ (2 - \textcolor{red}{a_n})(1 + \textcolor{red}{a_n}) \ge 0 \]Dermed er \( {\textcolor{blue}{a_{n+1}} \ge \textcolor{red}{a_n}} \) for alle \( {n \ge 0}\text{.} \)
3. Forklar hvorfor grensen finnes
Følgen vokser hele tiden, men den kommer aldri over \( 2\text{:} \)
\[ a_0 \le a_1 \le a_2 \le \dots \le 2 \]
Vi bruker en setning om følger: En voksende følge som er begrenset ovenfra, konvergerer.
\[ \begin{aligned} & a_n \le a_{n+1} \text{ og } a_n \le M \text{ for alle } n \\ & \Rightarrow \ \lim_{n \to \infty} a_n \text{ eksisterer} \end{aligned} \]
Her er \( {M = 2}\text{,} \) så grensen eksisterer. Hva det betyr at en følge konvergerer, ser du i videoen Konvergens og divergens følger.
4. Finn grensen
Vi kaller grensen \( \textcolor{green}{L}\text{.} \) Når \( n \to \infty\text{,} \) går både \( a_n \) og \( {a_{n+1}} \) mot \( \textcolor{green}{L}\text{.} \) Kvadratroten er kontinuerlig, så vi kan sette inn i formelen:
\[ \begin{aligned} \textcolor{green}{L} &= \sqrt{2 + \textcolor{green}{L}} \\ \textcolor{green}{L}^2 &= 2 + \textcolor{green}{L} \\ \textcolor{green}{L}^2 - \textcolor{green}{L} - 2 &= 0 \\ (\textcolor{green}{L} - 2)(\textcolor{green}{L} + 1) &= 0 \end{aligned} \]
Dette gir \( {\textcolor{green}{L} = 2} \) eller \( {\textcolor{green}{L} = -1}\text{.} \) Siden \( {a_n \ge 0} \) for alle \( n\text{,} \) kan ikke grensen være negativ, så \( {\textcolor{green}{L} = 2}\text{.} \)
TMA4400 ordinær eksamen 2025 - Del 2
Oppgave 8
10 poeng
- Flere oppgaver om integrasjon,
- Flere oppgaver om omdreiningslegeme,
- Flere oppgaver om pytagorassetningen
En skål har form som en halvkule med radius 10 cm. Skålen er fylt med vann til en høyde cm over bunnen. Se figuren under.
Finn et uttrykk for arealet av vannoverflaten som funksjon av
Sett opp et integral som gir volumet av vannet når det står cm over bunnen, og regn ut dette integralet.
Vis løsningSkjul løsning på oppgave 8
Svar
Vannoverflaten er en sirkel, så vi trenger radien, og den får vi fra Pytagoras. Volumet er så summen av tynne sirkelskiver, altså integralet av arealet.
1. Finn radien til vannoverflaten
Vi kaller radien til vannoverflaten \( \textcolor{red}{r}\text{.} \) Midten av kula ligger \( 10 \) over bunnen, og vannflaten ligger \( x \) over bunnen. Det gir en rettvinklet trekant:
Pytagoras forteller oss at:
\[ \textcolor{red}{r}^2 + (10 - x)^2 = 10^2 \]
Løser vi for \( \textcolor{red}{r}^2\text{,} \) får vi:
\[ \begin{aligned} \textcolor{red}{r}^2 &= 100 - (100 - 20x + x^2) \\ &= \textcolor{red}{20x - x^2} \end{aligned} \]
2. Finn arealet
Arealet av en sirkel er \( \pi \textcolor{red}{r}^2\text{.} \) Plugger vi dette inn, får vi for \( {0 \le x \le 10}\text{:} \)
\[ \textcolor{blue}{A(x)} = \pi\textcolor{red}{(20x - x^2)} \]
3. Sett opp og regn ut integralet
En tynn skive med vann har volum areal ganger tykkelse, og volumet er summen av alle skivene, som i videoen Omdreiningslegeme x-akse. \( x \) er øvre grense, så vi kaller høyden i integralet for \( t\text{:} \)
\[ \begin{aligned} V(x) &= \int_0^x \textcolor{blue}{A(t)}\,dt \\ &= \int_0^x \pi(20t - t^2)\,dt \end{aligned} \]
Vi integrerer ledd for ledd, som i videoen Basic integrasjonsregler/formler:
\[ \begin{aligned} V(x) &= \pi\left[10t^2 - \dfrac{t^3}{3}\right]_0^x \\ &= \pi\left(10x^2 - \dfrac{x^3}{3}\right) \end{aligned} \]
Kontroll: Full skål, \( {x = 10}\text{,} \) gir \( {\pi\left(1000 - \dfrac{1000}{3}\right) = \dfrac{2000\pi}{3}}\text{,} \) som er volumet \( {\dfrac{2}{3}\pi \cdot 10^3} \) av en halvkule.
Oppgave 1
Vis at grafene til funksjonene
skjærer hverandre minst én gang i intervallet
Vis løsningSkjul løsning på oppgave 1
Svar
Grafene skjærer hverandre minst én gang i intervallet:
Grafene skjærer hverandre der \( {f(x) = g(x)}\text{.} \) Vi samler alt i én funksjon og bruker skjærsetningen. Vi skal altså ikke løse likningen, bare vise at det finnes en løsning.
1. Sett opp en ny funksjon
Der grafene skjærer hverandre, er differansen \( 0\text{.} \) Vi kaller differansen \( h(x)\text{:} \)
\[ \begin{aligned} h(x) &= f(x) - g(x) \\ &= \ln(x) - x^2 + 2 \end{aligned} \]
2. Bruk skjærsetningen
Skjærsetningen forteller oss at hvis \( h \) er kontinuerlig på \( [\textcolor{blue}{a}, \textcolor{red}{b}]\text{,} \) gjelder:
\[ \begin{aligned} &h(\textcolor{blue}{a}) \cdot h(\textcolor{red}{b}) < 0 \\ &\Rightarrow \ h(c) = 0 \text{ for en } c \in (\textcolor{blue}{a}, \textcolor{red}{b}) \end{aligned} \]Hvis du er usikker på skjærsetningen, kan du se videoen Skjærsetningen.
Her er \( {\textcolor{blue}{a} = \textcolor{blue}{1}} \) og \( {\textcolor{red}{b} = \textcolor{red}{2}}\text{.} \) Først sjekker vi at \( h \) er kontinuerlig:
\[ \begin{aligned} \ln(x) &: \text{ kontinuerlig for } x > 0 \\ x^2 - 2 &: \text{ kontinuerlig for alle } x \\ h(x) &: \text{ kontinuerlig på } [1, 2] \end{aligned} \]
Så setter vi inn endepunktene:
\[ \begin{aligned} h(\textcolor{blue}{1}) &= \ln 1 - 1 + 2 = 1 > 0 \\ h(\textcolor{red}{2}) &= \ln 2 - 4 + 2 = \ln 2 - 2 \end{aligned} \]
Den siste er negativ, siden \( {2 < e}\text{:} \)
\[ \ln 2 < \ln e = 1 \quad \Rightarrow \quad \ln 2 - 2 < 0 \]
Fortegnet skifter, så skjærsetningen gir en \( c \in (1, 2) \) der:
\[ \begin{aligned} h(\textcolor{blue}{1}) \cdot h(\textcolor{red}{2}) &< 0 \\ h(c) = 0 \quad \Rightarrow \quad f(c) &= g(c) \end{aligned} \]
Oppgave 2
La være tilnærmingen gitt ved trapesmetoden til det bestemte integralet
Gitt at
hvor stor må være for at feilen garantert er mindre enn Begrunn svaret.
Vis løsningSkjul løsning på oppgave 2
Svar
Feilen er garantert mindre enn når:
Feilen i trapesmetoden har en øvre grense som bruker den andrederiverte. Uttrykket i oppgaven er nettopp \( |f''(x)|\text{,} \) så vi setter inn og løser for \( n\text{.} \)
1. Skriv opp feilformelen
Selve metoden ser du i videoen Trapesmetoden. Feilformelen forteller oss at hvis \( {|f''(x)| \le \textcolor{red}{K}} \) på \( [\textcolor{blue}{a}, \textcolor{blue}{b}]\text{,} \) så er:
\[ |I - T_n| \le \dfrac{\textcolor{red}{K}(\textcolor{blue}{b} - \textcolor{blue}{a})^3}{12n^2} \]
Her er \( {f(x) = \dfrac{1}{1 + x^2}}\text{,} \) og deriverer vi to ganger, får vi:
\[ f''(x) = \dfrac{6x^2 - 2}{(1 + x^2)^3} \]Det er uttrykket i oppgaven, så:
\[ \textcolor{red}{K} = \textcolor{red}{2}, \quad \textcolor{blue}{a} = \textcolor{blue}{0}, \quad \textcolor{blue}{b} = \textcolor{blue}{2} \]
Plugger vi dette inn, får vi:
\[ |I - T_n| \le \dfrac{\textcolor{red}{2} \cdot (\textcolor{blue}{2} - \textcolor{blue}{0})^3}{12n^2} = \dfrac{4}{3n^2} \]
2. Løs for n
Feilen er garantert mindre enn \( {10^{-6}} \) når grensen er det:
\[ \begin{aligned} \dfrac{4}{3n^2} &< 10^{-6} \\ n^2 &> \dfrac{4}{3} \cdot 10^6 \\ n &> \dfrac{2}{\sqrt{3}} \cdot 10^3 \approx 1154{,}7 \end{aligned} \]
\( n \) er et helt tall, så det minste som holder, er:
\[ n = 1155 \]
Oppgave 3
La for Finn arealet av rotasjonsflaten som oppstår ved å dreie grafen til om
Vis løsningSkjul løsning på oppgave 3
Svar
Arealet av rotasjonsflaten er:
Vi skriver opp formelen for arealet av en rotasjonsflate og setter inn \( f(x)\text{.} \) Integralet løser vi med substitusjon.
1. Sett opp integralet
Formelen for arealet av en rotasjonsflate om \( {x\text{-aksen}} \) forteller oss at:
\[ S = \int_a^b 2\pi\, \textcolor{red}{f(x)} \sqrt{1 + (\textcolor{blue}{f'(x)})^2}\,dx \]Hver bitte liten bit av grafen lager en ring med radius \( \textcolor{red}{f(x)}\text{.} \) Rotuttrykket er den samme lille lengden som i videoen Buelengde formel.
Her er:
\[ \begin{aligned} \textcolor{red}{f(x)} &= \textcolor{red}{x^3} \\ \textcolor{blue}{f'(x)} &= \textcolor{blue}{3x^2} \end{aligned} \]
Plugger vi dette inn, får vi:
\[ \begin{aligned} S &= \int_0^{2/3} 2\pi\, \textcolor{red}{x^3} \sqrt{1 + (\textcolor{blue}{3x^2})^2}\,dx \\ &= 2\pi \int_0^{2/3} x^3 \sqrt{1 + 9x^4}\,dx \end{aligned} \]
2. Bruk substitusjon
Vi setter uttrykket under roten lik \( \textcolor{green}{u} \) og deriverer, som i videoen Substitusjon:
\[ \begin{aligned} \textcolor{green}{u} &= \textcolor{green}{1 + 9x^4} \\ du &= 36x^3\,dx \\ x^3\,dx &= \dfrac{1}{36}\,du \end{aligned} \]
Grensene blir også nye:
\[ \begin{aligned} x = 0 &\Rightarrow u = 1 \\ x = \dfrac{2}{3} &\Rightarrow u = 1 + 9 \cdot \dfrac{16}{81} = \dfrac{25}{9} \end{aligned} \]
3. Regn ut integralet
Det gir oss:
\[ \begin{aligned} S &= \dfrac{2\pi}{36} \int_1^{25/9} \sqrt{\textcolor{green}{u}}\,du \\ &= \dfrac{\pi}{18} \left[ \dfrac{2}{3} u^{3/2} \right]_1^{25/9} \\ &= \dfrac{\pi}{27} \left( \left(\dfrac{25}{9}\right)^{3/2} - 1 \right) \\ &= \dfrac{\pi}{27} \left( \dfrac{125}{27} - 1 \right) \\ &= \dfrac{\pi}{27} \cdot \dfrac{98}{27} = \dfrac{98\pi}{729} \end{aligned} \]
Oppgave 4
La kurven være gitt ved
Vis at punktet ligger på kurven.
Finn stigningstallet til kurven i det aktuelle punktet.
Vis løsningSkjul løsning på oppgave 4
Svar
Punktet ligger på kurven, siden begge sider blir Stigningstallet er:
Vi setter punktet inn i likningen for å vise at det ligger på kurven. Stigningstallet finner vi med implisitt derivasjon, siden vi ikke får \( y \) alene.
1. Vis at punktet ligger på kurven
Med \( {x = e} \) og \( {y = e^{-1}} \) er:
\[ \begin{aligned} xy &= e \cdot e^{-1} = 1 \\ \dfrac{x}{y} &= \dfrac{e}{e^{-1}} = e^2 \end{aligned} \]
Vi setter inn på hver side:
\[ \begin{aligned} \text{venstre} &= e^1 \ln(e^2) = 2e \\ \text{høyre} &= e + \dfrac{1}{e^{-1}} = e + e = 2e \end{aligned} \]Sidene er like, så punktet ligger på kurven.
2. Skriv om logaritmen
Logaritmeregelen for en brøk gjør derivasjonen enklere, som i videoen Naturlige Logaritmer:
\[ \ln\left(\dfrac{x}{y}\right) = \ln x - \ln y \]
Kurven er altså:
\[ e^{xy}(\ln x - \ln y) = x + \dfrac{1}{y} \]
3. Deriver begge sider
Vi deriverer med hensyn på \( x\text{.} \) Siden \( y \) er en funksjon av \( x\text{,} \) får hvert ledd med \( y \) en ekstra faktor \( y'\text{,} \) som i videoen Finn stigningstallet ved hjelp av Implisitt Derivasjon.
Venstre side er et produkt. Produktregelen forteller oss at:
\[ (\textcolor{red}{u}\textcolor{blue}{v})' = \textcolor{red}{u'}\textcolor{blue}{v} + \textcolor{red}{u}\textcolor{blue}{v'} \]Se videoen Produktregelen hvis du er usikker.
Faktoren \( {\textcolor{red}{u} = \textcolor{red}{e^{xy}}} \) har kjernen \( {\textcolor{green}{g} = \textcolor{green}{xy}}\text{.} \) Kjerneregelen forteller oss at:
\[ (e^{\textcolor{green}{g}})' = e^{\textcolor{green}{g}} \cdot \textcolor{green}{g'} \]Det er regelen i videoen Kjerneregelen.
Kjernen er selv et produkt, så produktregelen gir:
\[ \begin{aligned} \textcolor{green}{g} &= \textcolor{green}{xy} \\ \textcolor{green}{g'} &= \textcolor{green}{1 \cdot y + x \cdot y'} = \textcolor{green}{y + xy'} \end{aligned} \]
Faktorene i venstre side er da:
\[ \begin{aligned} \textcolor{red}{u} &= \textcolor{red}{e^{xy}} \\ \textcolor{red}{u'} &= \textcolor{red}{e^{xy}}(\textcolor{green}{y + xy'}) \end{aligned} \]\[ \begin{aligned} \textcolor{blue}{v} &= \textcolor{blue}{\ln x - \ln y} \\ \textcolor{blue}{v'} &= \textcolor{blue}{\dfrac{1}{x} - \dfrac{y'}{y}} \end{aligned} \]
Høyre side deriverer vi ledd for ledd:
\[ \left(x + \dfrac{1}{y}\right)' = 1 - \dfrac{y'}{y^2} \]
Plugger vi dette inn, får vi:
\[ \begin{aligned} &\textcolor{red}{e^{xy}(y + xy')}\textcolor{blue}{(\ln x - \ln y)} \\ &+ \textcolor{red}{e^{xy}}\textcolor{blue}{\left(\dfrac{1}{x} - \dfrac{y'}{y}\right)} \\ &= 1 - \dfrac{y'}{y^2} \end{aligned} \]
4. Sett inn punktet
I punktet er \( {xy = 1}\text{,} \) \( {x = e} \) og \( {y = e^{-1}}\text{,} \) så:
\[ \begin{aligned} e^{xy} &= e \\ \ln x - \ln y &= 1 - (-1) = 2 \\ \dfrac{y'}{y} &= e\,y' \\ \dfrac{y'}{y^2} &= e^2 y' \end{aligned} \]
Det gir oss:
\[ \begin{aligned} &e(e^{-1} + e\,y') \cdot 2 + e(e^{-1} - e\,y') \\ &= 1 - e^2 y' \end{aligned} \]
Vi ganger ut og samler \( y' \) på én side:
\[ \begin{aligned} 2 + 2e^2 y' + 1 - e^2 y' &= 1 - e^2 y' \\ 3 + e^2 y' &= 1 - e^2 y' \\ 2e^2 y' &= -2 \\ y' &= -\dfrac{1}{e^2} \end{aligned} \]