MAA 8, Juuri- ja logaritmifunktiot
Transcription
MAA 8, Juuri- ja logaritmifunktiot
MAA8 Juuri- ja logaritmifunktiot 27.3.2012 Jussi Tyni VALITSE VAIN KUUSI TEHTÄVÄÄ! Tee vastauspaperin yläreunaan pisteytystaulukko! Kaikkiin tehtäviin tarvittavat välivaiheet esille! 1. a) Derivoi f ( x) 2 xe54 x b) Mikä on funktion f (x) = c) Ratkaise yhtälö 2. Käyrälle ln(5 x) 100 x 2 määrittelyjoukko. log 4 x 2 12 2 g ( x) 2e2 x 8 6p piirretään tangentti pisteeseen, jossa käyrä leik- kaa y-akselin. Määritä millä korkeudella tangentti leikkaa y-akselin. 6p 3. 2 a) Määritä funktion g (t ) ln(4t t ) suurin ja pienin arvo. Perustele vas- tauksesi derivaatan avulla, pelkkä kuvaaja ei riitä. b) Radioaktiivisen plutonium-777 aineen määrä pienenee radioaktiivisen hajoamisen myötä 2,4 prosenttia vuodessa. Voimalaonnettomuuden saastuttamalla alueella aineen määrä ylitti aluksi kymmenkertaisesti turvallisuusrajan. Kuinka monen vuoden kuluttua aineen määrä on sallituissa rajoissa alueella ja sinne voidaan rakentaa viehättävä asuinlähiö? 6p 4. a) Ratkaise yhtälö 2 2x 2x 4 5 b) Määritä tarkka arvo derivaatalle f ´(ln 2) , kun f ( x) (3 x)e 5x 6p f ( x) x 2 x x monotoninen (pelkästään kasvava tai vähenevä)? Mikä on tämän funktion pienin arvo? 6p 5. Onko funktio 6. Järven yli kulkee suora jäätie. Matti lähtee moottorikelkalla rannasta tavoitteena saari, jonka lyhin etäisyys jäätiestä on 800 m. Tämä lähin kohta jäätiestä on puolestaan 3,4 km päässä rannasta. Moottorikelkka kulkee jäätiellä 65 km/h ja tien ulkopuolella 45 km/h. Mikä on nopein reitti rannasta saareen ? 6p MAA8 Juuri- ja logaritmifunktiot 27.3.2012 Jussi Tyni VALITSE VAIN KUUSI TEHTÄVÄÄ! Tee vastauspaperin yläreunaan pisteytystaulukko! Kaikkiin tehtäviin tarvittavat välivaiheet esille! 7. Juuri valmistetun teen lämpötila on 90C . Jos tee laitetaan termospulloon, viiden tunnin kuluttua lämpötila on 40C . Lämpötilan T muutos termospullossa noudattaa funktiota T (t ) m e nt , missä m ja n ovat vakioita sekä t aika minuuteissa. a) Määrää vakiot m ja n yksikköineen. b) Paljonko on lämpötilan muutosnopeus kahden tunnin kuluttua? Anna vastauksessa myös muutosnopeuden yksikkö. 6p 8. a) Mitä arvoja funktio f ( x) x2 saa välillä ln x 3 2 , e ? b) Määritä funktion f ( x) x 9 x 2 , ja 3 x 3 suurin ja pienin arvo annetulla välillä. Piirrä funktion kulusta mallikuva annetulle välille. 6p ****************************************************************** BONUSTEHTÄVÄ +2p: Määritä funktion f ( x) ln(2 x) 5 käänteisfunktio. OTA TÄMÄ KOEPAPERI MUKAASI! OIKEAT VASTAUKSET LÖYTYVÄT TÄMÄN PÄIVÄN AIKANA (n. klo 11:30 jälkeen) NETISTÄ OSOITTEESTA: http://jussityni.wordpress.com/ MAA8 Juuri- ja logaritmifunktiot 27.3.2012 Jussi Tyni VALITSE VAIN KUUSI TEHTÄVÄÄ! Tee vastauspaperin yläreunaan pisteytystaulukko! Kaikkiin tehtäviin tarvittavat välivaiheet esille! MAA8.1 Ratkaisut: 1. a) f ( x) 2 xe54 x f '( x) D2 x e54 x De54 x 2 x 2 e54 x e54 x (4) 2 x e54 x (2 8 x) b) f ( x) ln(5 x) 100 x 2 on määritelty kun logaritmin ja juuren sisustat ovat positiivisia, eli 5 x 0 x 5 määritelty, kun 10 x 5 100 x 2 0 10 x 10 c) log 4 x 2 12 2 42 x 2 12 16 x 2 12 4 x 2 x 2 2. Käyrä leikkaa y-akselia, kun x=0, koska y-akseli kulkee x-akselin kohdasta 0. Lasketaan leikkauspisteen y-koordinaatti sijoittamalla funktioon x=0. g (0) 2e20 8 2 8 6 Koordinaattipiste on siis (0,-6). Derivaatta = käyrälle piirretyn tangentin kulmakerroin, joten: g '( x) 2e2 x 2 4e 2 x g '(0) 4e20 4 löä: => Kulmakerroin x-akselin kohdassa 0 on siis 4. Nyt käytetään suoran yhtä- y y0 k ( x x0 ) y (6) 4( x 0) y 6 4 x y 4 x 6 Suoran yhtälöstä nähdään, että tangentti leikkaa y-akselin korkeudelta y=-6. g (t ) ln(4t t 2 ) 3. a) määritelty, kun 4t t 2 0 Alaspäin aukeava parabeli, nollakohdat 0 ja 4, joten 0<x<4. g (t ) ln(4t t 2 ) 4 2t 4 2t g´(t ) g ´( t ) 0 kun 0 4t t 2 4t t 2 4 2t 0 4 2t 2 t Tutkitaan merkkikaaviolla alkuperäisen funktion kulkua: MAA8 Juuri- ja logaritmifunktiot 27.3.2012 Jussi Tyni VALITSE VAIN KUUSI TEHTÄVÄÄ! Tee vastauspaperin yläreunaan pisteytystaulukko! Kaikkiin tehtäviin tarvittavat välivaiheet esille! Suurin arvo x=2, joten g (2) ln(4 2 22 ) ln 4 Funktio ei ole määritelty avoimen välinsä ]0,4[ päätepisteissä, joten sillä ei ole pienintä arvoa! b)Olkoon M se määrä ainetta, joka on juuri ja juuri turvallisuusrajan mukainen. Kymmenkertainen määrä on 10M. 2,4 prosentin mukainen vähentyminen tarkoittaa sitä, että ainetta jää jäljelle 0,976 osaa 10M:stä joka vuosi. Näin ollen: 0,976n 10M M missä n on vuosien määrä. Ratkaistaan n: 0,976n 10 M M : M 0,976n 10 1 :10 0,976n 1 lg 10 1 ) 10 n lg 0,976 lg1 lg10 lg 0,976n lg( n lg 0,976 0 1 : lg 0.976 n 1 94, 785 lg 0,976 Eli noin 95 vuotta. 4. a) yhtälö 2 2 x 2 x 4 on määritelty, kun juuren sisusta on positiivien tai nolla, ja juuren vastaus on positiivinen tai nolla, eli: 2 2x 0 1 x 2 x 1 Nyt uskaltaa korottaa puolittain toiseen. 2 x 4 0 x 2 MAA8 Juuri- ja logaritmifunktiot 27.3.2012 Jussi Tyni VALITSE VAIN KUUSI TEHTÄVÄÄ! Tee vastauspaperin yläreunaan pisteytystaulukko! Kaikkiin tehtäviin tarvittavat välivaiheet esille! 2 2 x 2 x 4 () 2 2 2 x (2 x 4) 2 2 2 x 4 x 2 16 x 16 0 4 x 2 18 x 14 x1 1 Nollakohdat: x 7 2 2 x2 ei sovi määrittelyjoukkoon, joten x1 1 on ainoa ratkaisu. b) f ( x) (3 x)e5 x f '( x) D(3 x) e5 x De5 x (3 x) 1 e5 x 5e5 x (3 x) e5 x (1 5(3 x)) e5 x (14 5 x) f '(ln 5 2) e5ln 2 (14 5ln 5 2) 5 1 1 5 1 5 ln 2 5 1 (14 5 ln 2) 5 ln 2 e (14 ln 2) 2(14 ln 2) 28 2 ln 2 e 5ln 2 5 (14 5ln 2 ) e 5. Funktio f ( x) x 2 x x on määritelty, kun x 0. Funktion f ( x) x 2 x x derivaattafunktion f ( x) 2 x 3 3 2 1 3 3 x 2x x x (2 x ) 2 2 2 nollakohdat saadaan yhtälöstä 3 3 x (2 x ) 0 x 0 tai 2 x 0 2 2 9 1 1 1 3 3 . Koska f ( ) (2 ) 0 ja f (1) 1 (2 1 ) 0 , niin funktio 16 4 2 4 2 2 9 9 f ( x) x 2 x x on aidosti vähenevä välillä 0, ja aidosti kasvava, kun x . Negatiivisilla 16 16 muuttujan arvoilla funktiota ei ole edes määritelty. Näin ollen funktion f ( x) x 2 x x pienin x 0 tai x 9 9 9 9 81 27 81 108 27 . arvo on f ( ) ( ) 2 16 16 16 16 256 64 256 256 6. Olkoon piste A se jäätien piste, josta käännytään kohti saarta. Olkoon S saari, R rannan piste, josta jäätie alkaa, ja L jäätien lähinnä saarta oleva piste. Valitaan muuttujaksi x AL . MAA8 Juuri- ja logaritmifunktiot 27.3.2012 Jussi Tyni VALITSE VAIN KUUSI TEHTÄVÄÄ! Tee vastauspaperin yläreunaan pisteytystaulukko! Kaikkiin tehtäviin tarvittavat välivaiheet esille! Tällöin RA 3,4 x ja AS x 2 0,82 (suorakulmaisesta kolmiosta Pythagoraan lauseella). Nyt voimme muodostaa funktion, joka ilmoittaa kokonaisajan rannasta saareen: t ( x) RA 65 AS 45 3,4 x 65 1 x 2 0,8 2 3,4 1 1 x ( x 2 0,8 2 ) 2 . 45 65 65 45 t (x) on määritelty ja derivoituva kaikkialla, mutta riittää tutkia suljettua väliä 0;3,4 . t ( x) 65 x 45 x 2 0,64 1 1 1 2 1 x 2 ( x 0,64) 2 x 0 , kun 65 45 2 65 45 x 2 0,64 65 45 x 2 0,64 1 45 x 2 0,64 = 65 x . Koska yhtälön molemmat puolet ovat tarkasteltavalla välillä ei- negatiivisia, niin yhtälö voidaan korottaa puolittain neliöön. Tällöin saadaan 2025x 2 1296 4225x 2 ja edelleen x 2 1296 162 162 0,76752 , joten x 2200 275 5 11 ( negatiivinen nollakohta ei ole tarkasteltavalla välillä ). Lasketaan lopuksi funktion arvo sekä välin päätepisteissä että derivaatan nollakohdassa: 162 ) 0,065 . Siis funktion pienin arvo on derivaatan nol5 11 lakohdassa, jolloin 3,4km – 0,77km = 2,63km. t (0) 0,070 , t (3,4) 0,078 ja t ( Vastaus: Matin kannattaa ajaa jäätietä 2630 metriä ja kääntyä siitä suoraan kohti saarta. 7. T (0) 90 a) Yhtälöparista . Ylemmästä yhtälöstä saamme m e n0 90 m 90 . Koska kyT ( 5 60 ) 40 seessä on lämpötila, niin m 90C . Sijoitamme tämän vakion m arvon alempaan yhtälöön, jolloin 4 4 4 saamme 90 e n300 40 e 300n ln(e 300n ) ln( ) 300n ln( ) 9 9 9 4 ln( ) 9 2,70310... 10 3 2,70 10 3. n 300 MAA8 Juuri- ja logaritmifunktiot 27.3.2012 Jussi Tyni VALITSE VAIN KUUSI TEHTÄVÄÄ! Tee vastauspaperin yläreunaan pisteytystaulukko! Kaikkiin tehtäviin tarvittavat välivaiheet esille! 4 ln( ) 9 1 2,7 10 3 1 . Koska eksponentissa oleva aika t on minuutteja, saamme n min 300 min b) Lämpötilan T (t ) m e nt muutosnopeus on derivaatta T (t ) mn e nt ja hetkellä 120 min se on 4 4 ln( ) ln(9 ) 120 2 4 ln( ) 3 4 T (120) 90 9 e 300 ln( ) e 5 9 0,17588... 0,176 . Yksikkö huomioiden 300 10 9 2 4 ln( ) C C 3 4 . T (120) ln( ) e 5 9 0,176 min 10 9 min c) Jäähtymisnopeus J (t ) on muutosnopeuden T (t ) vastaluku. Koska vakio m on positiivinen ja vakio n negatiivinen sekä e nt positiivinen, niin T (t ) 0 kaikilla ajan t arvoilla, joten J (t ) mn e nt 0 kaikilla ajan t arvoilla. Jotta saamme selville, milloin J (t ) on suurin, on meidän derivoitava J (t ) . Saamme J (t ) mn 2 e nt 0, joten J (t ) on kaikilla ajan t ei- negatiivisilla arvoilla vähenevä, joten J (t ) on suurin, kun aika t = 0. Vastaus: a) m 90C ja n 2,7 10 3 1 C . b) T (120) 0,176 . c) t = 0 min. min min 8. a) x2 (1) Lasketaan funktion f ( x) arvo välin päätepisteissä, saamme ln x 3 ( )2 e2 3 9 e 2 7,389... . f( ) 2 5,549... ja f (e) 3 3 ln e 2 ln( ) 4 ln( ) 2 2 x2 arvo välille ln x (2) Lasketaan funktion f ( x) 2 x ln x x 2 (ln x) 2 3 2 , e kuuluvissa derivaatan nollakohdissa. Saamme 1 x 2 x ln x x x(2 ln x 1) , josta derivaatan nollakohdiksi saamme x 0 (ln x) 2 (ln x) 2 1 tai 2 ln x 1 0 ln x Saamme f ( e ) e ln e 1 x e 2 e , joista x 0 ei kelpaa, koska se ei kuulu välille 2 2 1 2 3 2 , e . e 2e 5,436... . 1 2 x2 jatkuvana funktiona saa kaikki arvot pienimmän arvon f ( e ) 2e ja suuln x rimman arvon f (e) e 2 väliltä, joten A f 2e, e 2 . Funktio f ( x) MAA8 Juuri- ja logaritmifunktiot 27.3.2012 Jussi Tyni VALITSE VAIN KUUSI TEHTÄVÄÄ! Tee vastauspaperin yläreunaan pisteytystaulukko! Kaikkiin tehtäviin tarvittavat välivaiheet esille! Vastaus: Arvojoukko f 2e, e2 . f ( x) x 9 x 2 , ja 3 x 3 b) x f '( x) 1 9 x2 Derivaatan nollakohdat: 1 x 9 x 2 0 1 x 9 x 9 x2 x2 9 2x2 2 9 x 2 9 x 2 x () 2 määritelty, kun 0 x 3 9 9 3 x2 x x 2 2 2 => 3 x1 2 2,12 x1 ei käy vastaukseksi, koska ei kuulu juuriyhtälön määrittelyjoukkoon. Deri x 3 2,12 2 2 vaatalla on siis vain yksi nollakohta, n. 2.12 Ääriarvot derivaatan nollakohdista, merkkikaaviolla onko min vai max. Kokeiluarvot: f’(2)=0,1 ja f’(2,5)=-0,5 2,12 f'(x) + - f(x) On löydetty siis funktion maksimikohta x=2,12. Tällöin funktion arvo f(2,12)=4,24. Funktion ääriarvot voivat lisäksi löytyä tarkasteluvälin päätepisteistä. Lasketaan siis f(-3)=-3 ja f(3)=3. Maksimikohta on siis x=3 ja maksimiarvo on f(3)=3.