4.6 Funksjonsdrøfting | Matematikk R1

Analysere funksjoner ved hjelp av derivasjon.

65 min

18 oppgaver

Stigning og monotoniEkstremalpunkterVendepunkterAsymptoter

Din fremgang i kapitlet

0 / 18 oppgaver

Hva er funksjonsdrøfting?

Funksjonsdrøfting handler om å analysere en funksjon systematisk for å forstå dens oppførsel. Vi undersøker:

1. Definisjonsmengde - Hvor er funksjonen definert?
2. Nullpunkter - Hvor krysser grafen $x$ -aksen?
3. Monotoniegenskaper - Hvor er funksjonen voksende/avtagende?
4. Ekstremalpunkter - Hvor har funksjonen topp- og bunnpunkter?
5. Vendepunkter - Hvor endrer grafen krumning?
6. Asymptoter - Hvordan oppfører funksjonen seg mot grensene?

Med denne informasjonen kan vi tegne en nøyaktig skisse av grafen.

Monotoniegenskaper

Den deriverte $f'(x)$ forteller oss om funksjonen er voksende eller avtagende.

📜Monotoniteoremet

La $f$ være en deriverbar funksjon på et intervall $I$ .

- Hvis $f'(x) > 0$ for alle $x$ i $I$ , så er $f$ strengt voksende på $I$
- Hvis $f'(x) < 0$ for alle $x$ i $I$ , så er $f$ strengt avtagende på $I$
- Hvis $f'(x) = 0$ for alle $x$ i $I$ , så er $f$ konstant på $I$

Metode for å finne monotoniintervaller:

1. Finn $f'(x)$
2. Løs $f'(x) = 0$ for å finne stasjonære punkter
3. Sett opp et fortegnsskjema for $f'(x)$
4. Les av intervallene hvor $f'(x) > 0$ (voksende) og $f'(x) < 0$ (avtagende)

✏️Eksempel 1: Monotoniegenskaper

Finn monotoniintervallene til $f(x) = x^3 - 3x$ .

Løsning:

Steg 1: Finn den deriverte
$f'(x) = 3x^2 - 3 = 3(x^2 - 1) = 3(x-1)(x+1)$

Steg 2: Løs $f'(x) = 0$
$3(x-1)(x+1) = 0$
$x = -1 \quad \text{eller} \quad x = 1$

Steg 3: Fortegnsskjema

$x$	$(-\infty, -1)$	$-1$	$(-1, 1)$	$1$	$(1, \infty)$
$f'(x)$	$+$	$0$	$-$	$0$	$+$
$f$	$\nearrow$	$\searrow$	$\nearrow$

Svar:
-

f

er strengt voksende på

(-\infty, -1)

(1, \infty)

f

er strengt avtagende på

(-1, 1)

Ekstremalpunkter

Et ekstremalpunkt er et punkt der funksjonen har en lokal maksimum- eller minimumsverdi.

📜Første derivasjonstest

La $c$ være et stasjonært punkt for $f$ (dvs. $f'(c) = 0$ ).

- Hvis $f'(x)$ skifter fra positiv til negativ i $x = c$ , har $f$ et lokalt maksimum i $c$
- Hvis $f'(x)$ skifter fra negativ til positiv i $x = c$ , har $f$ et lokalt minimum i $c$
- Hvis $f'(x)$ ikke skifter fortegn i $x = c$ , har $f$ ikke ekstremalpunkt i $c$ (terrassepunkt)

📜Andre derivasjonstest

La $c$ være et stasjonært punkt for $f$ (dvs. $f'(c) = 0$ ).

- Hvis $f''(c) < 0$ , har $f$ et lokalt maksimum i $c$
- Hvis $f''(c) > 0$ , har $f$ et lokalt minimum i $c$
- Hvis $f''(c) = 0$ , gir testen ingen konklusjon (bruk første derivasjonstest)

✏️Eksempel 2: Ekstremalpunkter

Finn ekstremalpunktene til $f(x) = x^3 - 3x$ fra forrige eksempel.

Løsning:

Fra forrige eksempel har vi $f'(x) = 3x^2 - 3$ med nullpunkter $x = -1$ og $x = 1$ .

Metode 1: Fortegnsskjema
Fra fortegnsskjemaet ser vi at:
- $f'(x)$ skifter fra $+$ til $-$ i $x = -1$ → lokalt maksimum
- $f'(x)$ skifter fra $-$ til $+$ i $x = 1$ → lokalt minimum

Metode 2: Andre derivasjonstest
$f''(x) = 6x$
- $f''(-1) = -6 < 0$ → lokalt maksimum i $x = -1$
- $f''(1) = 6 > 0$ → lokalt minimum i $x = 1$

Ekstremalpunktene:
- Lokalt maksimum: $(-1, f(-1)) = (-1, 2)$
- Lokalt minimum: $(1, f(1)) = (1, -2)$

📝Oppgave 1

Finn monotoniintervaller og ekstremalpunkter.

f(x) = x^2 - 4x + 3

g(x) = x^3 - 12x

h(x) = x^4 - 8x^2

Vendepunkter

Et vendepunkt er et punkt der grafen endrer krumning - fra konkav (buet nedover) til konveks (buet oppover), eller omvendt.

📜Vendepunkter

La $f$ være to ganger deriverbar.

Et punkt $(c, f(c))$ er et vendepunkt for $f$ hvis $f''(c) = 0$ og $f''(x)$ skifter fortegn i $x = c$ .

Krumning:
- Hvis $f''(x) > 0$ , er grafen konveks (buet oppover, smiler)
- Hvis $f''(x) < 0$ , er grafen konkav (buet nedover, sur)

✏️Eksempel 3: Vendepunkter

Finn vendepunktene til $f(x) = x^3 - 3x$ .

Løsning:

Steg 1: Finn andrederiverte
$f'(x) = 3x^2 - 3$
$f''(x) = 6x$

Steg 2: Løs $f''(x) = 0$
$6x = 0 \Rightarrow x = 0$

Steg 3: Sjekk fortegnskifte
- For $x < 0$ : $f''(x) = 6x < 0$ (konkav)
- For $x > 0$ : $f''(x) = 6x > 0$ (konveks)

$f''(x)$ skifter fortegn i $x = 0$ , så dette er et vendepunkt.

Steg 4: Finn koordinatene
$f(0) = 0^3 - 3 \cdot 0 = 0$

Svar: Vendepunkt i $(0, 0)$ .

📝Oppgave 2

Finn vendepunktene til funksjonene.

f(x) = x^3 - 6x^2 + 9x

g(x) = x^4 - 6x^2

h(x) = e^{-x^2}

Asymptoter

En asymptote er en linje som grafen nærmer seg mer og mer, uten nødvendigvis å krysse den.

Typer asymptoter

x = a

Finne skrå asymptote $y = ax + b$ :

1. $\displaystyle a = \lim_{x \to \infty} \frac{f(x)}{x}$
2. $b = \lim_{x \to \infty} [f(x) - ax]$

Hvis $a = 0$ , har vi en horisontal asymptote $y = b$ .
Hvis grensene ikke eksisterer, har vi ingen asymptote i den retningen.

✏️Eksempel 4: Asymptoter

Finn asymptotene til $\displaystyle f(x) = \frac{x^2 - 1}{x - 2}$ .

Løsning:

Vertikal asymptote:
Nevneren er null når $x = 2$ .
$\lim_{x \to 2^+} \frac{x^2 - 1}{x - 2} = \frac{3}{0^+} = +\infty$

Vertikal asymptote: $x = 2$

Skrå asymptote:
Vi utfører polynomdivisjon:
$\frac{x^2 - 1}{x - 2} = x + 2 + \frac{3}{x - 2}$

Når $x \to \pm\infty$ : $\displaystyle \frac{3}{x-2} \to 0$

Skrå asymptote: $y = x + 2$

Svar:
- Vertikal asymptote: $x = 2$
- Skrå asymptote: $y = x + 2$

✏️Eksempel 5: Horisontal asymptote

Finn asymptotene til $\displaystyle f(x) = \frac{2x + 1}{x - 1}$ .

Løsning:

Vertikal asymptote:
Nevneren er null når $x = 1$ .
$\lim_{x \to 1} \frac{2x + 1}{x - 1} = \frac{3}{0}$

Vertikal asymptote: $x = 1$

Horisontal asymptote:
$\lim_{x \to \infty} \frac{2x + 1}{x - 1} = \lim_{x \to \infty} \frac{2 + \frac{1}{x}}{1 - \frac{1}{x}} = \frac{2}{1} = 2$

Horisontal asymptote: $y = 2$

Svar:
- Vertikal asymptote: $x = 1$
- Horisontal asymptote: $y = 2$

📝Oppgave 3

Finn asymptotene til funksjonene.

\displaystyle f(x) = \frac{1}{x - 3}

\displaystyle g(x) = \frac{x + 2}{x - 1}

\displaystyle h(x) = \frac{x^2}{x + 1}

Fullstendig funksjonsdrøfting

Nå skal vi sette alt sammen i en systematisk analyse av en funksjon.

Sjekkliste for fullstendig funksjonsdrøfting:

1. Definisjonsmengde - Hvor er $f$ definert?
2. Symmetri - Er $f$ partall eller oddetall?
3. Nullpunkter - Løs $f(x) = 0$
4. Asymptoter - Vertikale, horisontale, skrå
5. Førstederiverte - Finn $f'(x)$
6. Stasjonære punkter - Løs $f'(x) = 0$
7. Monotoni - Fortegnsskjema for $f'(x)$
8. Ekstremalpunkter - Klassifiser stasjonære punkter
9. Andrederiverte - Finn $f''(x)$
10. Vendepunkter - Løs $f''(x) = 0$ , sjekk fortegnskifte
11. Skisse - Tegn grafen med all informasjon

✏️Eksempel 6: Fullstendig funksjonsdrøfting

Utfør fullstendig drøfting av $\displaystyle f(x) = \frac{x^2}{x - 1}$ .

Løsning:

1. Definisjonsmengde: $D_f = \mathbb{R} \setminus \{1\}$

2. Symmetri: $\displaystyle f(-x) = \frac{x^2}{-x-1} \neq f(x)$ og $\neq -f(x)$ . Ingen symmetri.

3. Nullpunkter: $f(x) = 0 \Rightarrow x^2 = 0 \Rightarrow x = 0$

4. Asymptoter:
- Vertikal: $x = 1$ (nevner $= 0$ )
- Skrå: $\displaystyle f(x) = x + 1 + \frac{1}{x-1}$ , så $y = x + 1$

5. Førstederiverte:
$f'(x) = \frac{2x(x-1) - x^2 \cdot 1}{(x-1)^2} = \frac{x^2 - 2x}{(x-1)^2} = \frac{x(x-2)}{(x-1)^2}$

6. Stasjonære punkter: $f'(x) = 0 \Rightarrow x = 0$ eller $x = 2$

7. Monotoni: $f'(x) > 0$ for $x < 0$ og $x > 2$ , $f'(x) < 0$ for $0 < x < 2$ (unntatt $x = 1$ )

8. Ekstremalpunkter:
- Lokalt maksimum i $(0, 0)$
- Lokalt minimum i $(2, 4)$

9. Andrederiverte:
$f''(x) = \frac{2}{(x-1)^3}$

10. Vendepunkter: $f''(x) \neq 0$ for alle $x \neq 1$ . Ingen vendepunkter.

Skisse: Grafen har en vertikal asymptote ved $x = 1$ , en skrå asymptote $y = x + 1$ , et lokalt maksimum i origo, og et lokalt minimum i $(2, 4)$ .

📝Oppgave 4

Utfør fullstendig funksjonsdrøfting.

f(x) = x^3 - 3x^2

g(x) = xe^{-x}

📝Oppgave 5

Fullstendig funksjonsdrøfting med rasjonale funksjoner.

\displaystyle f(x) = \frac{x}{x^2 + 1}

\displaystyle g(x) = \frac{x^2 - 4}{x^2 - 1}

📝Oppgave 6

Bruk GeoGebra til å verifisere svarene dine fra oppgave 4 og 5. Sammenlign din skisse med GeoGebra-grafen.

Tegn $f(x) = x^3 - 3x^2$ i GeoGebra. Marker nullpunkter, ekstremalpunkter og vendepunkt.

Tegn $g(x) = xe^{-x}$ i GeoGebra. Finn ekstremalpunkt og vendepunkt numerisk.

📝Oppgave 7

Utfordringsoppgaver.

Finn $a$ og $b$ slik at $f(x) = ax^3 + bx^2$ har et vendepunkt i $(1, 2)$ .

Vis at grafen til $f(x) = x^3 - 3x$ alltid passerer gjennom sitt vendepunkt med stigningstall $-3$ .

Oppsummering

Monotoni:
- $f'(x) > 0$ → $f$ voksende
- $f'(x) < 0$ → $f$ avtagende

Ekstremalpunkter:
- $f'(c) = 0$ og fortegnskifte → ekstremalpunkt
- $f''(c) > 0$ → minimum, $f''(c) < 0$ → maksimum

Vendepunkter:
- $f''(c) = 0$ og fortegnskifte i $f''$ → vendepunkt
- $f''(x) > 0$ → konveks, $f''(x) < 0$ → konkav

Asymptoter:
- Vertikal: der nevneren blir null
- Horisontal: $\lim_{x \to \pm\infty} f(x)$
- Skrå: $y = ax + b$ der $\displaystyle a = \lim \frac{f(x)}{x}$ , $b = \lim(f(x) - ax)$

📊Funksjonsdrøfting visualisert

Grafen til $f(x) = x^3 - 3x$ med ekstremalpunkter og vendepunkt.

x

(-\infty, -1)

-1

(-1, 1)

1

(1, \infty)

f'(x)

+

0

-

0

+

f

\nearrow

\searrow

\nearrow