Eksponentialfunksjonenes egenskaper
I artikkelen om potensfunksjoner så vi at en potensfunksjon er på formen f(x) = axb, der a og b er reelle tall.
I potensfunksjonen opphøyer vi en variabel i et tall. Hvis vi snur rundt på det og i stedet opphøyer et tall i variabelen, får vi en eksponentialfunksjon, som er på formen f(x) = kax, der k og a er reelle tall, a > 0.
a kalles funksjonens vekstfaktor fordi den styrer hvor mye funksjonsverdien endrer seg når x endrer seg.
k kalles funksjonens startverdi, for ved starten, altså når x = 0, får vi f(0) = ka0 = k · 1 = k.
I en potensfunksjon opphøyer vi altså variabelen i en konstant, mens vi en eksponentialfunksjon opphøyer en konstant i variabelen.
Eksempel på eksponentialfunksjoner er $2^{\large x}$ og $3\cdot \large (\frac{1}{5})^x$.
Definisjonsmengden til eksponentialfunksjoner er alle reelle tall, $D_f = \mathbb R$.
Verdimengden til eksponentialfunksjoner er alle positive tall, $V_f = (0, \infty)$.
Eksponentialfunksjoner med a > 1 går mot uendelig når x går mot uendelig, og mot 0 når x går mot minus uendelig.
Eksponentialfunksjoner med 0 < a < 1 går mot 0 når x går mot uendelig, og mot uendelig når x går mot minus uendelig.
Eksempel 1:
Bildet under viser grafene til funksjonene
$5^{\large x}$, grønn graf.
$2^{\large x}$, blå graf.
$1^{\large x}$, rød graf.
$\large(\frac{1}{2})^x$, oransje graf.
$\large(\frac{1}{5})^x$, lyseblå graf.
Vi ser at:
Alle grafene går gjennom punktet (0,1).
Alle grafene går gjennom punktet (1, a). Det vil si at 2x går gjennom punktet (1, 2), 5x går gjennom punktet (1, 5), etc.
Funksjonsverdien er alltid større enn 0.
Grafer med vekstfaktor a > 1 blir krappere jo større a er. De stiger mot høyre, har funksjonsverdi mellom 0 og 1 når x < 0 og funksjonsverdi større enn 1 når x > 0.
Grafer med vekstfaktor a = 1 er en rett linje.
Grafer med vekstfaktor a < 1 blir krappere jo mindre a er. De synker mot høyre, har funksjonsverdi større enn 1 når x < 0 og funksjonsverdi mellom 0 og 1 når x > 0.
Bruker vi regnereglene for potenser, ser vi at $(\frac{\displaystyle 1}{\displaystyle a})^{\large x} = \frac{\displaystyle 1^{\large x}}{\displaystyle a^{\large x}} = \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle a^{\large x}} = a^{\large −x}$. Det betyr at $(\frac{\displaystyle 1}{\displaystyle 5})^{\large x}$ kan skrives som $5^{\large −x}$ og $(\frac{\displaystyle 1}{\displaystyle 2})^{\large x}$ som $2^{\large −x}$. Det forklarer at grafparet $(\frac{\displaystyle 1}{\displaystyle 5})^{\large x}$ og $5^{\large x}$ og grafparet $(\frac{\displaystyle 1}{\displaystyle 2})^{\large x}$ og $2^{\large x}$ i eksempel 1 er speilversjoner av hverandre, med y-aksen som symmetriakse.
Eksempel 2:
Setter vi kr 1000 i banken, og får 2 % rente pr. år, har vi etter 1 år
kr 1000 · 1,02
Siden vi får rente av rentene, har vi etter 2 år
kr (1000 · 1,02) · 1,02, altså kr 1000 · (1,02)2
Etter 3 år har vi
kr ((1000 · 1,02) · 1,02) · 1,02, altså kr 1000 · (1,02)3
og etter x år har vi
kr 1000 · (1,02)x
Vi ser at dette er en eksponentialfunksjon på formen f(x) = kax, der k = 1000 og a = 1,02. Vekstfaktoren a er her altså 1 + 2 % = 1 + 0,02 = 1,02.
Tallet e
I eksempel 2 la vi til renter en gang hvert år. Men vi kan jo også tenke oss at vi gjør det hver måned. Da vil vi få rentes rente allerede etter 1 måned. Legger vi til renter hver dag, får vi rentes rente etter 1 dag. Slik kan vi fortsette: Hver time, hvert minutt, hvert sekund. Til slutt ender vi opp med at vi legger til rente kontinuerlig. Og kontinuerlig rente er faktisk noe som brukes i virkeligheten. Dersom vi setter inn kr 1000 til 2 % kontinuerlig rente, vil vi etter x år ha kr 1000 · e0,02x. Dette er en eksponentialfunksjon på formen f(x) = ax, men her er ikke a et rasjonalt tall som vi har sett tidligere, for eksempel 2 og 1,02, men et irrasjonalt tall som heter e. e kalles Euler-tallet, oppkalt etter matematikeren Leonard Euler. e opptrer i mange sammenhenger både i naturen og i matematikken. De første sifrene til e er 2,71828.
Under vises fire grafer i grønt, blått, rødt og oransje. De tilhører funksjonene
$f(x) = 2^{\large x}$
$g(x) = e^{\large x}$
$h(x) = {\large (\frac{1}{3})}^{\large x}$
$p(x) = x^{\large 3}$
men ikke i den rekkefølgen
- Hvilken av funksjonene er ikke en eksponentialfunksjon?
- Hvilken funksjon hører til hvilken graf?
Eksponentielle modeller
I artikkelen om representasjonsformer
så vi på lineære modeller. I en lineær modell er endringen konstant over tid. Vi trenger for eksempel en lineær modell for å beregne hvor langt vi har kjørt etter en viss tid når farten er konstant. I en lineær modell vil grafen være en rett linje, og eventuelle målepunkter vil ligge i nærheten av denne linjen.
I en eksponentiell modell, derimot, vil økningen være avhengig av hvor mye vi har fra før. La oss ta for oss eksempel 2 på nytt. Vi setter inn kr 1000 i banken med en årlig rente på 2 %. Hvis vi ikke hadde fått rentes rente, ville den årlige tilveksten vært konstant, kr 20. Vi ville da hatt en lineær modell. Med rentes rente vil tilveksten første år også være kr 20, men mellom år 19 og 20, for eksempel, vil den være
kr 1000 · (1,02)20 − 1000 · (1,02)19 ≈ kr 29,13.
Mellom år 99 og år 100 vil den være
kr 1000 · (1,02)100 − 1000 · (1,02)99 ≈ kr 142,05.
Mellom år 999 og år 1000 vil den være
kr 1000 · (1,02)1000 − 1000 · (1,02)999 ≈ kr 7 809 110 816,83.
Grafene under viser hvor hvordan beløpet i banken endrer seg over 200 år. Den blå grafen uten rentes rente – altså en lineær modell, den røde grafen med rentes rente – altså en eksponentiell modell.
Eksempel 3:
I eksempel 2 har vi en vekstfaktor, a, som er større enn 1, og grafen stiger derfor mot høyre. Et eksempel der vekstfaktoren ligger mellom 0 og 1, er følgende:
Vi kjøper en bil til kr 250 000 som faller i verdi med 13 % i året. Et verdifall på 13 % betyr en vekstfaktor på 1 − 0,13 = 0,87. Grafen til denne modellen er vist under, for de første 12 årene:
Siden vekstfaktoren a < 1, synker grafen mot høyre. Vi ser at etter x = 5 år har bilens verdi sunket til omtrent det halve. Dette er et realistisk prisfall på nye biler.
Elevtallet på en skole i 10 år etter 1989 er gitt i tabellen under:
År etter 1989 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
Antall elever | 100 | 110 | 121 | 133 | 146 | 161 | 177 | 195 | 214 | 236 | 259 |
- Foreslå en matematisk modell for elevtallet som funksjon av antall år etter 1989. Begrunn hvorfor du velger en lineær eller eksponentiell modell.
- Samme modell er gyldig for hele perioden mellom 1985 og 2005. Bruk modellen til å anslå elevtallet etter 12 år, og 2 år før 1989.
Den årlige prisstigningen på boliger i et område har vært 6 % de siste fem årene, og forventes å være 6 % også de neste to årene.
- Sett opp en matematisk modell for prisen på en bolig i denne perioden, når boligen koster 3 millioner kroner i dag.
- Hva vil boligen koste om 2 år ifølge denne modellen?
- Hva kostet boligen for 4 år siden ifølge denne modellen?
Kilder
-
- Gulliksen, T. & Hole, A. (2010). Matematikk i praksis. Universitetsforlaget
- Selvik, B. K. (2007). Algebra og funksjonslære. Caspar forlag