Stikkord: skjæringspunkt

Publisert

Funksjonsanalyse med GeoGebra

I denne artikkelen skal vi se hvordan vi kan bruke GeoGebra til å lage grafer og punkter, finne funksjonsverdier, skjæringspunkter, ekstremalpunkter, vendepunkter og asymptoter, samt lage verditabeller og bruke glidere.

Eksempel 1:

Vi skal studere funksjonen f(x) = x4 + 6x3 + 7x2 − 5x − 1. Vi starter med å skrive inn funksjonsforskriften i inntastingsfeltet. Potenser angis med en hatt (^), så det blir
x^4 + 6x^3 + 7x^2 – 5x – 1. Grafen kommer opp i grafikkfeltet mens vi skriver, og når vi trykker på linjeskift-tasten, kommer funksjonsforskriften opp i algebrafeltet:

Graf til en fjerdegradsfunksjon i GeoGebra

Det kan være at vi må justere på akseverdiene for å få bildet slik som vist i eksempel 1. For å justere på akseverdiene åpner vi innstillinger-dialogboksen ved å velge «Rediger» – «Egenskaper», klikker på trekantsymbolet, og velger min- og maksverdier for x og y. I bildet over er «x-min» = -6, «x-max» = 3, «y-min» = -8, «y-max» = 10. (I stedet for å velge fra hovedmenyen kan vi også få opp innstillinger-dialogboksen ved å høyreklikke i grafikkfeltet eller på funksjonsforskriften i algebrafeltet og velge «Egenskaper»).

Punkter

Det finnes flere måter å lage punkter på, beskrevet i brukermanualen. Her skal vi lage punkter ved å skrive inn koordinatene, (x, y), i inntastingsfeltet, for eksempel (2, 3) eller (-2, 1). Punktene dukker opp både i algebrafeltet og i grafikkfeltet, og gis navn fortløpende med store bokstaver, A, B, C, etc. Vi kan også gi punktene egne navn, da skriver vi navnet og et likhetstegn foran koordinatene, for eksempel Origo = (0, 0). Et punktnavn kan altså bestå av flere bokstaver. NB! Første bokstav i navnet må være stor (versal), ellers blir punktet tolket som en vektor.

Funksjonsverdier

Med funksjonsverdien mener vi den verdien en funksjon gir ut når vi putter inn en gitt x-verdi. For å finne en funksjonsverdi, skriver vi funksjonsnavnet med den ønskede x-verdien i parentes i inntastingsfeltet. Har vi lagt inn en funksjon, f(x), finner vi for eksempel verdien til f i x = 1 ved å skrive f(1). Funksjonsverdien kommer opp i algebrafeltet, med navnet a. Navnene tildeles fortløpende på samme måte som for punkter, a, b, c, etc., men kan også gis egne navn på samme måte, for eksempel start = f(0). Vi kan fritt bruke både store og små bokstaver.

Basert på x-verdien og den tilhørende funksjonsverdien kan vi lage punkter på grafen til f(x). Har vi for eksempel funnet to funksjonsverdier, a = f(1) og b = f(−1), skriver vi (1, a) og (-1, b) i inntastingsfeltet.

Vi kan også lage et punkt på grafen uten å finne funksjonsverdien eksplisitt først. Vil vi for eksempel lage et punkt på grafen der x-verdien er −2, skriver vi (-2, f(-2)).

Oppgave 1:

Bruk GeoGebra til å tegne grafen til funksjonen g(x) = x3 − 4x + 2, og plott punktene på grafen som har x-verdi −1 og 1. Kall punktene A og B.

SkjermfilmSe film der løsningen vises
 

NB! I den løsningen som vises på filmen heter funksjonen z(x). Nå godtar ikke lenger GeoGebra z som funksjonsnavn, så oppgaven spør derfor etter g(x). Når du ser filmen, må du bare derfor huske å skrive g alle steder filmen sier z.

Skjæringspunkter

Med GeoGebra kan vi finne skjæringspunktene mellom to kurver, eller mellom en kurve og aksene. En enkel måte å gjøre det på er å velge «Skjæring mellom to objekt» fra menyen som vist under.

Menyvalg for å finne skjæring mellom to punkter i GeoGebra

Deretter klikker vi på kurvene/aksene vi vil finne skjæringspunktene mellom. Bildet under viser skjæringspunktene mellom
f(x) = x4 + 6x3 + 7x2 − 5x − 1 og x-aksen.

Skjæring mellom graf og x-akse i GeoGebra

Disse punktene representerer de fire løsningene til fjerdegradslikningen
 x4 + 6x3 + 7x2 − 5x − 1 = 0.

Ekstremalpunkter, nullpunkter og vendepunkter

Med GeoGebra kan vi finne en funksjons ekstremalpunkter, det vi si maksimums- og minimumspunkter, nullpunkter og vendepunkter.

I det følgende forutsetter vi at funksjonen f(x) er en polynomfunksjon. GeoGebra har mulighet for å finne ekstremalpunkter og nullpunkter til andre funksjonstyper også, men kommandoene krever flere parametere, og vi går ikke inn på det her. Sjekk i brukermanualen. Vendepunkter kan vi bare finne i polynomfunksjoner.

Ekstremalpunktene finner vi ved å skrive ekstremalpunkt i inntastingsfeltet etterfulgt av funksjonsnavnet i parentes, for eksempel ekstremalpunkt(f).

Nullpunktene finner vi ved å skrive nullpunkt i inntastingsfeltet etterfulgt av funksjonsnavnet i parentes, for eksempel nullpunkt(f). Nullpunktene er de samme som vi finner ved å be om skjæringspunktene mellom kurven og x-aksen.

Vendepunktene finner vi ved å skrive vendepunkt i inntastingsfeltet etterfulgt av funksjonsnavnet i parentes, for eksempel vendepunkt(f).

Oppgave 2:

Ta utgangspunkt i funksjonen f(x) = x3 + 2x2 − x − 2.

      1. Bruk GeoGebra til å finne ekstremalpunktene til funksjonen.
         
      2. Bruk GeoGebra til å finne funksjonens vendepunkt.
         
      3. Bruk GeoGebra til å løse likningen x3 + 2x2 − x − 2 = 0.

Se løsningsforslag

​Asymptoter

GeoGebra kan finne både horisontale, vertikale og skrå asymptoter. For å finne asymptotene til en funksjon skriver vi asymptote i inntastingsfeltet etterfulgt av funksjonsnavnet i parentes, for eksempel asymptote(f).

Asymptotene presenteres i form av ei liste. Hvis en funksjon ikke har noen asymptoter, er lista tom.

Oppgave 3:

Finn eventuelle asymptoter til funksjonene

      1. $f(x) = 3 + \frac{\displaystyle 2}{\displaystyle x + 4}$
         
      2. $g(x) = x^2 + 3x − 2$

Se løsningsforslag

Lage verditabell

Ønsker vi å lage mange punkter langs en graf, er det tungvint å skrive inn x-verdiene én og én slik vi gjorde tidligere. Mye mer effektivt er det å bruke regneark-funksjonen til å generere en mengde punkter automatisk. Hvordan dette gjøres, er det lettest å vise ved hjelp av en film.

SkjermfilmSe film om å lage verditabell
 

Oppgave 4:

Tegn grafen til f(x) = x3 − 4x + 2 og bruk verditabell til å plotte punkter på grafen med x-verdier fra −2 til 2 i sprang på 0,2.

Det er ikke laget eget løsningsforslag til denne oppgaven, men den er nesten helt lik det som vises i filmen om å lage verditabell, så bruk filmen til hjelp.

Bruke glidere

Av og til ønsker vi å se hvordan grafen til en funksjon endrer seg når en konstant endrer seg. For eksempel studere hvordan stigningen til grafen til f(x) = ax + b endrer seg når a endrer seg, og hvordan skjæringspunktet med y-aksen endrer seg når b endrer seg.

Til det kan vi bruke glidere. En glider som heter a er vist under. I GeoGebra kan vi klikke på prikken og dra den mot høyre for å øke verdien til a, og mot venstre for å redusere verdien til a.

Glider i GeoGebra

For å sette inn en glider, velger vi fra menyen som vist under:

Velge glider fra menyen i GeoGebra

Deretter klikker vi på stedet i grafikkfeltet der vi vil ha glideren.
Vi får opp en dialogboks som vist under:

Dialogboks for å angi glider-data

Det viktigste her er å velge riktig navn. GeoGebra foreslår a som navn på første glider, b som navn på andre og så videre. Dette navnet må samsvare med parameteren vi skal undersøke. Dersom vi for eksempel skal undersøke k i funksjonen f(x) = kx2, må glideren hete k.

Når vi har valgt navn, må vi velge intervall, det vil si hvilket tallområde glideren skal dekke. I dialogboksen over er «Min» = -5 og «Maks» = 5, det betyr at glideren dekker intervallet [−5, 5]. Når den står helt til venstre, har den verdi −5, og når den står helt til høyre har den verdi 5.

Vi kan også velge animasjonstrinn, det vil si hvor mye verdien endrer seg når vi drar i glideren. I dialogboksen over er animasjonstrinnet «0.1», det vil si at hvis glideren står helt til venstre og vi drar den mot høyre, vil verdiene bli −5,0, −4,9, −4,8, … , 5.0.

Oppgave 5:

Bruk glidere i GeoGebra til å studere hvordan forskjellige valg av n påvirker grafen til funksjonen f(x) = xn. La n variere mellom hele tall fra 0 til 10.

SkjermfilmSe film der løsningen vises
 

GeoGebra-filSe den tilhørende GeoGebra-fila
 

Oppgave 6:

I et fysikkforsøk varmer en gruppe elever opp vann til det koker, mens de måler temperaturen hvert minutt. Temperaturen stiger en stund lineært med tida, men stopper på 100 grader.

I perioden mellom 10 og 14 minutter måler de følgende:

Tid (min) 10 11 12 13 14
Temperatur (grader Celsius) 60 64 70 76 80

Legg målingene inn som punkter i GeoGebra, og bruk glidere til å anslå en funksjonsforskrift for en lineær funksjon, f(t), som kan brukes som modell for forsøket. La gliderne angi hele tall. (Du skal altså finne forskriften at + b for ei rett linje som går nærmest mulig målepunktene, der a og b er hele tall, og t er tida).

        1. Hvilken funksjonsforskrift fant du?
           
        2. Bruk funksjonsforskriften til å anslå hvilken temperatur vannet hadde da forsøket startet.
           
        3. Bruk funksjonsforskriften til å anslå hvor mye temperaturen stiger per minutt.
           
        4. Kan funksjonsforskriften brukes til å anslå hvilken temperatur vannet vil ha etter 30 minutter?

Se løsningsforslag

Kilder

    • Bueie, H: (2011) GeoGebra for lærere. Universitetsforlaget
    • Gulliksen, T. & Hole, A. (2010). Matematikk i praksis. Universitetsforlaget
Publisert

Polynomfunksjoner

Alle funksjonene vi møtte i artikkelen om funksjonsbegrepet var polynomfunksjoner. Polynomfunksjoner er enkle, og er derfor praktiske å starte med når vi skal lære om funksjoner. Polynomfunksjoner inneholder bare summer og differanser av konstanter multiplisert med ikke-negative, heltallige potenser av den uavhengige variabelen. Den høyeste potensen av variabelen angir polynomfunksjonens grad.

Konstantfunksjoner

Den enkleste polynomfunksjonen er på formen f(x) = a, der a er en konstant, et vilkårlig tall. Grafen til denne funksjonen er ei rett linje, parallell med x-aksen, som skjærer y-aksen i a. For eksempel f(x) = 3, som vist under:

Graf til funksjonen f(x) = 3

En konstantfunksjon kan kalles en polynomfunksjon av grad 0, fordi den kan skrives som f(x) = ax0.

Førstegradsfunksjoner (Lineære funksjoner)

Den nest enkleste polynomfunksjonen er på formen f(x) = ax + b, der a og b er konstanter, a ≠ 0. Dette kalles en førstegrads polynomfunksjon fordi høyeste potens av x er 1. Førstegrads polynomfunksjoner kalles også gjerne lineære funksjoner. Grafene til lineære funksjoner er rette linjer. Konstanten a angir hvor kjapt funksjonsverdien stiger, og kalles funksjonens stigningstall. Konstanten b angir hvor linja skjærer y-aksen.

Eksempel 1:

Grafene til $f(x) = 2x$, $f(x) = \frac{1}{2}x$ og $f(x) = −x$ er vist under, med henholdsvis rødt, grønt og blått. Den røde linja har stigningstall 2, y-verdien øker med 2 for hver gang x-verdien øker med 1. Den grønne linja har stigningstall $\frac{1}{2}$, y-verdien øker med $\frac{1}{2}$ for hver gang x-verdien øker med 1. Den blå linja har stigningstall −1, y-verdien avtar med 1 for hver gang x-verdien øker med 1.

Grafene til f(x) = 2x, f(x) = 1/2x og f(x) = -x

 

Eksempel 2:

Grafene til $f(x) = 2x$, $f(x) = 2x + 3$ og $f(x) = 2x − 3$ er vist under med henholdsvis rødt, grønt og blått. Vi ser at alle har stigningstall 2, men linjene skjærer y-aksen i henholdsvis 0, 3 og −3, tilsvarende konstanten b.

Grafene til f(x) = 2x, f(x) = 2x+3 og f(x) = 2x-3

 

For å tegne grafen til en lineær funksjon, trenger vi bare to punkter. En vanlig feil blant elever og studenter er at de beregner en mengde punkter og så skisserer grafen etter dem. På grunn av unøyaktighet blir resultatet gjerne en bølget linje. Men grafen til en lineær funksjon er alltid snorrett.

Ett av punktene som trengs har vi allerede, nemlig skjæringspunktet med y-aksen: (0, b). Det andre finnes også lett ved å sette inn en annen verdi av x som er enkel å regne med, for eksempel 1.

Oppgave 1:

Skisser grafen til f(x) = 2x + 1.

Se løsningsforslag

Andregradsfunksjoner

Bygger vi ut en førstegradsfunksjon med et ledd med x2, får vi en andregradsfunksjon, generelt angitt som f(x)= ax2 + bx + c. I denne inngår tre konstanter, a, b og c, a ≠ 0. Grafen til andregradsfunksjoner er ikke en rett linje, men en parabel. Stigningstallet er ikke konstant, men varierer med x-verdien.

Eksempel 3:

Figuren under viser grafen til andregradsfunksjonen f(x)= 2x2 − x − 3. Her er altså a = 2, b = −1 og c = −3.

grafen til funksjonen f(x)=2x^2 -x -3

Eksempler på fenomener som beskrives av andregradsfunksjoner er:

  • Overflaten til geometriske figurer. For eksempel er flateinnholdet av et kvadrat gitt som en funksjon av sidelengden l, ved f(l) = l2.
     
  • Et objekts kinetiske energi øker med kvadratet av farten. Det betyr for eksempel at en bils bremselengde også øker med kvadratet av farten. Vi kan beskrive det med en funksjon som f(v) = kv2, der k er en konstant og v er farten. (Det er vanlig å bruke v – velocity som symbol for fart.)
     
  • En ball som kastes oppover med en hastighet på 15 meter per sekund fra en høyde på 2 meter, vil på et gitt tidspunkt ha høyde gitt ved om lag f(t) = −5t2 + 15t + 2 meter, der t er tiden i sekunder. Generelt, hvis den kastes med b meter per sekund fra høyde c meter, vil høyden være gitt ved om lag f(t) = −5t2 + bt + c meter.
    Konstanten 5 er egentlig en tilnærming til $\large \frac{g}{2}$, der g er tyngdens akselerasjon, ca. 9,8 ms−2.

I avsnittet om førstegradsfunksjoner så vi hva konstantene a og b betydde for grafen. For grafen til en andregradsfunksjon betyr a, b og c at:

  • Grafen blir krappere jo høyere a blir.
     
  • Når a > 0 vender grafen sin hule side opp, når a < 0 vender grafen sin hule side ned. Huskeregel: Grafen smiler når a er positiv.
     
  • Når b endres, skyves grafen langs en kurve sidelengs uten at formen endres.
     
  • Når c endres, skyves grafen rett opp og ned uten at formen endres. c er skjæringspunktet med y-aksen.
     
  • Når grafen skjærer x-aksen, skjer det med x-verdier som er løsningene til likningen f(x) = 0, altså
    $x_1 = \frac{\displaystyle −b − \sqrt{b^2 – 4ac}}{\displaystyle 2a}$
    og
    $x_2 = \frac{\displaystyle −b + \sqrt{b^2 – 4ac}}{\displaystyle 2a}$
    slik det er beskrevet i algebra-artikkelen om andregradslikninger.
     
  • Grafen er symmetrisk, det vil si at et maksimumspunkt (toppunkt) eller minimumspunkt (bunnpunkt) vil ligge midt mellom skjæringspunktene med x-aksen. Vi kan finne x-verdien til dette punktet ved å beregne gjennomsnittsverdien til skjæringspunktene:
    $\frac{\displaystyle x_1 + x_2 }{\displaystyle 2} = \frac{\frac{\Big(\displaystyle -b – \sqrt{b^2 – 4ac }\Big)+ \Big(-b + \sqrt{b^2 – 4ac}\Big)}{\displaystyle 2a}}{\displaystyle 2} = \frac{\displaystyle -2b}{\displaystyle 4a} = -\frac{\displaystyle b}{\displaystyle 2a}$

Basert på disse opplysningene kan vi lage en skisse av grafen.

Oppgave 2:

Skisser grafen til f(x) = x2 + 2x − 3.

Se løsningsforslag

Oppgave 3:

Gitt andregradsfunksjonen f(x) = x2 − 2x − 3. Analyser funksjonen og svar på følgende spørsmål:

  1. Vender grafen sin hule side opp eller ned?
     
  2. Hva er grafens skjæringspunkt med y-aksen?
     
  3. Hva er grafens skjæringspunkter med x-aksen?
     
  4. Hva er grafens maksimums/minimumspunkt?

Se løsningsforslag

Polynomfunksjoner generelt

Vi kan bygge videre på andregradsfunksjonen ved å legge til et tredjegradsledd, x3, et fjerdegradsledd, x4, og så videre. Hvert ledd multipliserer vi med en konstant. I andregradsfunksjonen brukte vi a, b og c som navn på konstantene. I tredjegradsfunksjonen legger vi til en konstant, d, og får uttrykket f(x)= ax3 + bx2 + cx + d. Slik kan vi fortsette, men tar vi med mange nok potenser av x, vil vi slippe opp for bokstaver. Vi kaller derfor i stedet konstantene a0, a1 og så videre opp til an. Det generelle uttrykket for en polynomfunksjon blir da:

anxn + an−1xn−1 + ⋯ + a1x + a0

Konstantene i uttrykket, altså an, an−1, ⋯, a0 kalles gjerne koeffisienter. Bortsett fra den første koeffisienten, an, kan hvilken som helst av koeffisientene være 0.

Eksempel 4:

f(x) = x4 + 6x3 + 7x2 − 5x − 1 er en polynomfunksjon av fjerde grad.
Koeffisientene er henholdsvis 1, 6, 7, −5 og −1.

Grafen til denne polynomfunksjonen er vist under.

 

Grafen til funksjonen f(x) = x^4 + 6x^3 + 7x^2 - 5x -1

Eksempel 5:

f(x) = −x5 + 3x2 − 2 er en polynomfunksjon av femte grad.

Koeffisientene er henholdsvis −1, 0, 0, 3, 0 og −2.

Definisjonsmengden til en polynomfunksjon er alle reelle tall, $D_f = \mathbb{R}$. Verdimengden vil variere fra funksjon til funksjon. For polynomfunksjoner av odde grad vil det være hele $\mathbb{R}$. For polynomfunksjoner av like grad vil det være [ymin, ∞) hvis an > 0 og (−∞, ymaks] hvis an < 0, der ymin og ymaks er y-verdien til funksjonens minimums/maksimumspunkt.

Kilder

    • Finney, T. (1988). Calculus and Analytic Geometry. Addison Wesley.