Kurs: M0065M — Envariabelanalys 1 Datum: 2021-08-18 Källa: originaltentamen och lärarens lösningar (m0047m_210818.pdf, m0047m_210818solsny.pdf) M0047M är föregångaren till M0065M med samma innehåll.
Översikt
- Uppgift 1: induktionsbevis för och en koefficient i binomialutvecklingen av
- Uppgift 2: tre gränsvärden, vid , en trigonometrisk kvot vid och i oändligheten
- Uppgift 3: inverterbarhet, inversens värde och inversens första och andra derivata för
- Uppgift 4: fritt fall med kvadratiskt luftmotstånd, kontroll av en lösning och gränshastigheten
- Uppgift 5: extremvärden, asymptoter och konvexitet för
- Uppgift 6: optimering av en stadionform med given omkrets
Så använder du sidan
Försök själv först. Ledtråd 1 säger vilken sorts uppgift det är, ledtråd 2 (inuti ledtråd 1) ger modellen och ledtråd 3 (inuti ledtråd 2) nyckelsteget. Lösning är hela uträkningen, kontrollerad mot lärarens facit.
1. En logaritmsumma och en binomialkoefficient
(a) Bevisa, exempelvis med induktion, att det för alla positiva heltal gäller att
(4p)
(b) Bestäm koefficienten för -termen i binomialutvecklingen av
Motivera! (1p)
Totalpoäng: 5
Ledtråd 1
(a) är ett bevis med induktion om en summa; (b) är binomialsatsen med binomialkoefficienter.
Ledtråd 2
(a) Basfallet är . Anta att formeln gäller för och lägg till termen . (b) Den allmänna termen är .
Ledtråd 3
(a) , och . (b) Exponenten för blir . Kan den bli ?
Lösning
(a) Basfall. För är
Induktionssteg. Anta att formeln gäller för något heltal , dvs.
Då är
vilket är formeln för . Enligt induktionsprincipen gäller
Alternativt bevis (teleskopsumma). , så
(b) Binomialsatsen ger
Exponenterna är . Ekvationen ger , som inte är ett heltal, så det finns ingen -term:
Hela utvecklingen är .
Kontrollerat mot facit.
2. Tre gränsvärden
Avgör huruvida följande (även oegentliga) gränsvärden existerar och om så, bestäm dem (utan hjälp av l’Hôpitals regler):
(a)
(1p)
(b)
(2p)
(c)
(2p)
Totalpoäng: 5
Ledtråd 1
Gränsvärden: (a) en oscillerande funktion, (b) ett ""-uttryck som förenklas med trigonometriska identiteter, (c) Kontinuitet hos arcsin.
Ledtråd 2
(a) Vilka värden antar nära ? (b) Använd formeln för dubbla vinkeln på . (c) Eftersom är kontinuerlig kan gränsvärdet flyttas in.
Ledtråd 3
(a) , så sinus sveper över oändligt många gånger. (b) . (c) .
Lösning
(a) När går . Välj till exempel
Båda följderna går mot , men och för alla . I varje intervall antar funktionen alltså både värdet och värdet , så den kan inte närma sig ett enda tal:
(b) Med och konjugatregeln, för nära :
Detta är kontinuerligt, så
(c) För är , så uttrycket ligger i definitionsmängden för , och
Eftersom är kontinuerlig på (vid från vänster) får vi
Kontrollerat mot facit.
3. Inversen till och dess derivator
Låt
(a) Visa att funktionen är inverterbar. (1p)
(b) Finn
(1p)
(c) Beräkna
(2p)
(d) Beräkna
Ledning: gör ytterligare en implicit derivering. (1p)
Totalpoäng: 5
Ledtråd 1
Inverterbarhet via derivatans tecken, och Inversa funktioners derivata med Implicit derivering.
Ledtråd 2
(a) En strängt växande funktion är injektiv. (b) . (c)–(d) Derivera implicit med avseende på , en och två gånger.
Ledtråd 3
(b) Gissa en heltalsrot till . (c) . (d) .
Lösning
(a)
så är strängt växande på hela och därmed injektiv, dvs. .
(b) . Här ser man direkt att är en rot. Eftersom är injektiv finns det ingen annan reell rot (faktoriseringen bekräftar det, andragradsfaktorn saknar reella rötter). Alltså
(c) Låt , dvs. . Implicit derivering med avseende på :
I är , så
(d) Derivera en gång till med avseende på (produkt- och kedjeregeln):
där vi använt . Med , och :
Kontrollerat mot facit.
4. Fritt fall med luftmotstånd
Ett objekt med massa som faller under inverkan av jordaccelerationen i en atmosfär där luftmotståndet är proportionellt mot objektets hastighet i kvadrat uppfyller rörelseekvationen
där är objektets hastighet, tiden och en proportionalitetskonstant.
(a) Visa att
är lösning till rörelseekvationen om objektet släpps från vila (dvs. ). (3p)
(b) När kommer objektets hastighet att gå mot en konstant hastighet, den så kallade gränshastigheten . Bestäm (uttryckt i storheterna , och ). Antag här att objektet faller i all oändlighet. (2p)
Totalpoäng: 5
Ledtråd 1
Kontroll av en lösning genom derivering (kvotregeln) och ett gränsvärde i oändligheten för exponentialfunktioner. Uttrycket är egentligen , se Hyperboliska funktioner.
Ledtråd 2
(a) Kontrollera , beräkna och var för sig och jämför. (b) Förläng med .
Ledtråd 3
(a) , och . (b) .
Lösning
(a) Begynnelsevillkoret:
Vänster led. Kvotregeln ger
så .
Höger led. Eftersom är , så
Leden är lika, så uppfyller .
(b) Förlängning med ger
eftersom så att . Alltså
Kontroll: vid gränshastigheten är , så , dvs. luftmotståndet balanserar precis tyngdkraften.
Kontrollerat mot facit.
5. Kurvan
Definiera funktionen
Bestäm lokala extremvärden, inflexionspunkter och asymptoter till kurvan. Ställ upp ordentligt teckenschema över derivatan. Ange i vilka intervall kurvan är konvex respektive konkav. Skissera kurvan. Ledning: man kan ha hjälp av standardgränsvärdet
(5p)
Totalpoäng: 5
Ledtråd 1
Kurvundersökning: ensidiga gränsvärden vid , sned asymptot, teckenschema för derivatan och andraderivatan.
Ledtråd 2
Undersök (sätt ), och då (sätt ). Derivera med produkt- och kedjeregeln.
Ledtråd 3
och .
Lösning
Definitionsmängd och tecken. är definierad för . Eftersom har samma tecken som .
Lodrät asymptot. Med :
Alltså är en lodrät asymptot (från höger); från vänster går kurvan mot origo.
Sned asymptot. då , så det finns ingen vågrät asymptot. Men
och med :
Derivata.
Enda kritiska punkten är .
odef. odef. asymptot lok. min Det finns inget lokalt maximum.
Andraderivata.
har samma tecken som och är aldrig noll:
Teckenbytet sker vid , som inte tillhör definitionsmängden, så det ger ingen inflexionspunkt.
Skiss. För växer kurvan, konkav, från den sneda asymptoten (underifrån, eftersom där) upp mot origo. För kommer den ner från längs -axeln, har minimum i och närmar sig sedan ovanifrån.
Kontrollerat mot facit.
6. Optimal stadionform
En stadion är en tvådimensionell geometrisk figur konstruerad av en rektangel och två halvcirklar på motsatta sidor av rektangeln, se nedanstående figur.
Figuren i tentan: en rektangel med den vågräta sidan och den lodräta sidan , med en halvcirkel med diametern fäst på vardera kortsidan. Stadions rand består alltså av två raka sträckor med längden och två halvcirkelbågar.
För en stadion med given omkrets , finn rektangelns sidor och (uttryckta i ) som
(a) ger maximal area på rektangeln. Hur stor är då rektangelns maximala area uttryckt i ? (3p)
(b) ger maximal total innesluten area av stadion. Hur stor är då inneslutna områdets maximala area uttryckt i ? (2p)
Totalpoäng: 5
Ledtråd 1
Optimering: största värde för en kontinuerlig funktion på ett slutet, begränsat intervall.
Ledtråd 2
Omkretsen är . Lös ut , skriv arean som funktion av och bestäm vilka som är tillåtna. Undersök kritiska punkter och ändpunkter.
Ledtråd 3
med . (a) . (b) ; var hamnar den kritiska punkten?
Lösning
Uppställning. Randen består av två sträckor och två halvcirklar med diametern , så
Eftersom och är .
(a) Rektangelns area är
är kontinuerlig på ett slutet, begränsat intervall, så ett största värde finns. I ändpunkterna är . Derivatan
ligger inne i intervallet, och , så det är ett maximum. Då är och
De raka sidorna är då lika långa som var och en av halvcirkelbågarna ().
(b) Den totala arean är rektangeln plus två halvcirklar med radien :
Derivatan är
med likhet bara i högra ändpunkten. är alltså växande, och maximum antas i , där :
Stadion är då en cirkel med diametern , i enlighet med den isoperimetriska olikheten .
Kontrollerat mot facit.
Se även
- M0065M
- Matematisk induktion
- Talföljder och summor
- Binomialkoefficient
- Gränsvärden
- Oegentliga gränsvärden
- Kontinuitet
- Trigonometri
- Arcusfunktioner
- Funktioner och invers
- Inversa funktioners derivata
- Implicit derivering
- Hyperboliska funktioner
- Grafritning och asymptoter
- Andraderivata och konvexitet
- Extremvärden