• Nem Talált Eredményt

A gyakorló feladatok megoldásai

In document Tehetséggondozás a matematikában (Pldal 32-44)

(x 

f , tehát a függvénynek 3-nál kisebb gyöke nem lehet. Másrészt ha x3, akkor a függ-vény szigorúan monoton nő, tehát csak egyetlenegy helyen lehet az értéke 0. Egy helyen viszont fel kell vennie ezt az értéket, mert f folytonos és f(3)10 illetve f(5)10, vagyis f a [ , ]3 5 inter-vallumon minden –10 és 10 közé eső értéket felvesz, így például a 0-t is. Tehát az egyenletnek pon-tosan egy megoldása van.

A gyakorló feladatok megoldásai

I. fejezet feladatainak megoldása:

1. Határozzuk meg az alábbi függvények grafikonjának a megadott x értékeknél húzott érintőjének egyenletét:

a) f(x)4x3 3x2 5x32, x = 3 b) f(x) x24, x = 3

c) 1

3 ) 2

( 

  x x x

f , x = 5 d) 

 

 

sin 2 4 )

(x x

f ,

3

  x

Megoldás:

a) f'(x)12x26x5. f'(3)12963595, f(3)64.

Az érintő egyenlete: y f(3) f(3)(x3), azaz y6495(x3)95x221.

b) 2 2

) 1 (

'  

x x

f .

2 ) 1 3 (

' 

f , f(3)5. Az érintő egyenlete: y f(3) f(3)(x3), azaz

2 7 2 ) 1 3 2 (

51   

 x x

y .

c) 2 2

III. fejezet feladatainak megoldása:

Határozzuk meg az alábbi függvények szélsőértékeit a megadott intervallumokon az indirekt módszer segítségével!

f . Tehát a megadott intervallumon a függvény legnagyobb értéke x = 6-nál 61, legki-sebb értéke x = 3-nál –74.

b) A derivált zérushelyei közül egyik sem esik az adott intervallumba. f(1,6)23,392, 516

) 4 ( 

f . Tehát a megadott intervallumon a függvény legnagyobb értéke x = 4-nél 516, leg-kisebb értéke x = –1,6-nél –23,392.

f . Tehát a megadott intervallumon a függvény legnagyobb értéke x = –3-nál –23, legkisebb értéke x = –6-nál –104. ka-punk, akkor minden tag osztható lesz x-szel, tehát 12-nek is oszthatónak kell lennie x-szel. Ha a le-hetőségeket kipróbáljuk, akkor f(2)12(841612)0 adódik, tehát a 2 a derivált egyik zérushelye. Az x – 2 így a deriváltból kiemelhető pl. polinomosztás segítségével, és kapjuk, hogy

)

f . Tehát a megadott intervallumon a függvény legnagyobb értéke x = 0-nál –32, legkisebb értéke x = –3-nál –545.

f . Tehát a megadott intervallumon a függvény legnagyobb értéke x = 3-nál 103, leg-kisebb értéke x = 0-nál –32.

a) A derivált zérushelyei közül a

f . Tehát a megadott intervallumon a függvény legnagyobb értéke x =

3

a) A derivált zérushelyei közül a –2 és a 0 is az adott intervallumba esik.

7 Tehát a megadott intervallumon a függvény legnagyobb értéke x = 0-nál 1, legkisebb értéke x

= –1-nél 0.

c) A derivált zérushelyei közül egyik sem esik az adott intervallumba.

3

Állapítsuk meg az első derivált előjelvizsgálatával, hogy az alábbi függvényeknek vannak-e helyi, illetve abszolút szélsőértékei! Végezzük el vizsgálatot a második derivált segítségével is!

6. f(x)8x39x2 6x42 fő-együtthatója pozitív, ezért értéke mindig pozitív. Mivel a deriváltja mindig pozitív, ezért az f függ-vény mindig szigorúan monoton növő, ezért nincs sem helyi, sem globális szélsőértéke.

7. f(x)4x3 5x2 4x5 függvény mindig szigorúan monoton csökkenő, ezért nincs sem helyi, sem globális szélsőértéke.

8. f(x)x4 8x3 18x2 27

de-rivált előjelét x előjele határozza meg, mert a másik tényező ahol nem 0, ott pozitív. Azaz ha x > 0, akkor a derivált pozitív, ha x < 0 és x ≠ –3, akkor a derivált negatív. Az f függvény tehát x > 0 vizsgálatra van szükség (pl. az első derivált előjelének vizsgálatára).

9. f(x)3x4 20x3 84x2 61

vagy x = –2. A derivált előjelének meghatározásához készítsünk egy kis táblázatot, amelyben fel-tüntetjük a tényezők és a szorzat előjelét:

x < –2 –2 < x < 0 0 < x < 7 7 < x

A táblázat utolsó sorából leolvasható, hogy a függvény deriváltja negatív, azaz a függvény szigorú-an monoton csökken, ha x < –2, illetve ha 0 < x < 7, továbbá a derivált pozitív, vagyis a függvény szigorúan monoton nő, ha –2 < x < 0 és ha 7 < x. Az f függvénynek tehát x = –2-nél és x = 7-nél he-lyi minimum értéke van, x = 0-nál pedig hehe-lyi maximum értéke.

A második derivált vizsgálatával: f(x)36x2120x16812(3x210x14). Az első akkor minden tag osztható lesz x-szel, tehát 6-nek is oszthatónak kell lennie x-szel. Ha a lehetősé-geket kipróbáljuk, akkor f(1)12(1416)0 adódik, tehát a –1 a derivált egyik zérushelye. Az x + 1 így a deriváltból kiemelhető pl. polinomosztás segítségével, és kapjuk, hogy

)

A derivált előjelének meghatározásához készítsünk egy táblázatot, amelyben feltüntetjük a ténye-zők és a szorzat előjelét:

A táblázat utolsó sorából leolvasható, hogy a függvény deriváltja negatív, azaz a függvény szigorú-an monoton csökken, ha x < –1, illetve ha 2 < x < 3, továbbá a derivált pozitív, vagyis a függvény szigorúan monoton nő, ha –1 < x < 2 és ha 3 < x. Az f függvénynek tehát x = –1-nél és x = 3-nál he-lyi minimum értéke van, x = 2-nél pedig hehe-lyi maximum értéke.

A második derivált vizsgálatával: f(x)36x296x1212(3x28x1). Az első derivált

11. 9

f . A nevező mindig pozitív, ezért a tört előjelét a

számlá-ló előjele határozza meg. A számlászámlá-ló gyökei 9 és –1, főegyütthatója negatív (lefelé nyíszámlá-ló parabola), tehát a két gyöke között pozitív. A derivált ezért negatív, ha x < –1 vagy x > 9 (ezeken a tartomá-nyokon f szigorúan monoton csökkenő), és pozitív, ha –1 < x < 9 (ezen a tartományon az f szigorú-an monoton növekedő). Tehát a függvénynek a –1-nél lokális minimuma vszigorú-an, a 9-nél pedig lokális maximuma.

min-dig pozitív, ezért a második derivált előjelének meghatározásához elég a számlálóban szereplő zár-jeles kifejezésbe helyettesíteni az első derivált zérushelyeit. Ha x = –1, akkor a zárójelben szerelő kifejezés értéke 27+36–12–1 > 0, ezért az x = 0-nál helyi minimuma van a függvénynek; ha x = 9, akkor a zárójelben szerelő kifejezés értéke 729–1281–81+36 < 0, így az x = 9-nél helyi maximuma van a függvénynek.

12. 4

pozitív (amikor értelmezve van a tört), ezért a derivált előjelét a tört számlálója határozza meg. Ha x > 14, akkor a tört értéke negatív, így f szigorúan monoton csökken, ha x < 14, akkor a tört értéke pozitív, tehát f szigorúan monoton nő. Így az f függvénynek az x = 14-nél lokális maximuma van.

A második derivált vizsgálatával:

A 14-et a második deriváltba helyettesítve a nevező pozitív, a számláló pedig –324, tehát a máso-dik derivált negatív, így a 14-nél lokális maximum van.

13. f x cos2x sinx

 . Készítsünk táblázatot a derivált előjelének megállapításához!

A táblázatból leolvasható, hogy a derivált előjelet vált a zérushelyeknél, így a 6

 -nál és az 6 5

-nál lokális maximumot, a

2

 -nél és a 2 3

-nél lokális minimumot találunk.

A második derivált vizsgálatával: f (x)2cos2xsinx. Behelyettesítve az első derivált

szereplő szögfüggvényértékek mind pozitívak. Tehát a 6

 -nál és az 6 5

-nál lokális maximuma van

f-nek. 1

-nél lokális minimuma van f-nek.

14.Egy gyártósoron kétféle henger alakú konzervet gyártanak. A hengerek átmérője azonos, de az egyik fajta henger magassága kétszer akkora, mint a másiké. A kétféle konzervből ugyanannyi da-rabot gyártanak. Mennyi legyen a konzervek alapköre átmérőjének és magasságának aránya, hogy a konzervekhez összesen felhasznált fémlemez mennyisége minimális legyen?

Megoldás:

A 9. kidolgozott feladat megoldása alapján dolgozunk. A problémát felfoghatjuk úgy is, hogy egy h magasságú hengert akarunk gyártani, de nem két, hanem négy alapkörrel. Ez a h magasság a két konzervdoboz együttes magassága lesz, ennek harmadrésze lesz a kisebb doboz magassága, és két-harmad része a nagyobbé.

2

Tehát az

intervallumon szigorúan monoton csökken, a 

V intervallumon szigorúan monoton nő.

Te-hát az 3

A konzervdobozok magassága: a kisebbé 1 3 16 3

A kisebb konzervdoboz szélességének és magasságának aránya:

2

másfélszer olyan széles, mint amilyen magas (pl. májkrémes doboz). A nagyobb doboznál értelem-szerűen az arány ennek a fele, azaz alapkörének átmérője a magasságának

4 3 része.

15.Egy adott hajóúton a hajózás napi költsége két részből tevődik össze: az egyik állandó, minden nap a forint, a másik pedig a hajó sebességének köbével arányosan növekedik. Milyen v sebesség ese-tén lesz a hajózás a leggazdaságosabb?

Megoldás:

Legyen a hajó által összesen megtett út s km, a hajó sebessége v km/nap. Ha n a napok száma, ak-kor egyrészt esetén a k(v) minimális.

16.Egy adott gömb köré írjunk minimális térfogatú kúpot!

Megoldás:

Tekintsük a gömb és a kúp síkmetszetét! A kúp metszetháromszöge le-gyen ABC, a gömb metszetkörének középpontja legyen O. Legyenek a kör érintési pontjai az ABC háromszög AB, BC, CA oldalán rendre E, F, G. Jelölje a CO távolságot x, a CG távolságot y, a kúp magasságát m, alapkörének sugarát r, a gömb sugarát R.

Ekkor a CGO és CEA háromszögek hasonlósága miatt

EA

y   . Figyelembe véve, hogy a CGO háromszög G-nél derékszögű,

2 el-lenkező esetben nem találkoznának a kúp alkotói egy pontban.)

) 0

17.Az R sugarú félgömbbe írjunk maximális térfogatú négyzet alapú téglatestet!

Megoldás:

Jelölje a téglatest alapélének hosszának felét a. Ekkor az ábráról leol-vashatóan a téglatest m magassága m R2a2 .

A téglatest térfogata V 4a2m4a2 R2a2 , tehát a

2

intervallumon, szigorúan monoton csökken a 

ma-ximuma van. Ebben az esetben m R 3

 1 .

18.Oldjuk meg a 10. kidolgozott feladatot az alábbi változtatással:

Kezdetben naponta 20000 autós parkol, 25%-uk bliccel. Az őrök jelenléte javítja a fizetési morált, ugyanakkor a parkolni szándékozó autósok egy részét zavarja, így a bliccelők számának csökkené-se mellett a parkoló autók száma is csökken. Minden újabb parkolóőr alkalmazásával 0,5 százalék-ponttal csökken a bliccelők százalékos aránya, és 1 százalékszázalék-ponttal csökken az összes parkoló au-tós száma.

Megoldás:

A feltételek szerint n parkolóőr alkalmazása esetén a bliccelők aránya 25–0,5n százalék, a fizetők aránya 75+0,5n százalék, a parkoló autósok száma pedig

100

származó napi bevétel 150

100 5 , 0 200 25 n

n garas, a parkolóőrök napi költsége pedig 330n garas.

Tehát a napi nettó bevétel:

150000 a parkolóőrök száma egész szám, ezért csak az egész számokat kell megvizsgálnunk. A függvény monotonitási tulajdonságaiból következik, hogy ha n20, akkor f(n) f(20), továbbá ha

n

21 , akkor f(n) f(21). Így az eredeti, pozitív egész számok halmazán értelmezett függvé-nyünk maximuma 20-nál vagy 21-nél lesz. Mivel f(20)219400 és f(21)219510, ezért a ke-resett maximális nettó bevételt 21 parkolóőr alkalmazása esetén érhetjük el.

19.Több részletben összesen 350 tonna árut szeretnénk vasúton elszállíttatni. Az egyik szállítócég árajánlatában a szállítási díj két összetevőből áll. Egyrészt a szállított áru tömegének négyzetével arányos díjat kell fizetnünk, másrészt az áru tömegétől független állandó alapdíjat is felszámíta-nak. Így tehát ha t tonna árut szállíttatunk a céggel, akkor ezért 205

10

2

t eurót kell fizetnünk. A vasúti szállítás költségének csökkentése érdekében a 350 tonna tömegű árut n egyenlő részre oszt-juk, és azt tervezzük, hogy minden egyes alkalommal egy-egy részt szállíttatunk el a vasúttal. A vasúti szállítás költségén kívül figyelembe kell vennünk azt is, hogy ha a 350 tonna árut n egyenlő tömegű részre akarjuk szétosztatni, akkor a munka elvégzéséért nekünk (n1)400 eurót kell fi-zetnünk.

Hány egyenlő tömegű részletre bontva lenne a legolcsóbb a 350 tonna áru elfuvaroztatása?

Megoldás:

Egy rész elszállításáért 350 205 10

n eurót kell fizetnünk. Az n rész elszállításáért és a

részek-re osztási munka elvégzéséért összesen 12250 605 400

400

Vizsgáljuk a pozitív valós számok halmazán értelmezett 12250 605 400 )

(   x

x x

f függvényt. A

függvény deriválható az értelmezési tartományán, és 12250 605 )

(  2

 x x

f . A derivált zérushelye

5 pozitív, ezért a derivált zérushelyén a függvénynek minimuma van. Ha

11 98

5

x , akkor az első derivált negatív, azaz a függvény szigorúan monoton csökken, így az

11 98

5

x feltételt teljesítő egész számok közül az x = 4-nél veszi fel a legkisebb értékét. Ha x

11 98

5 , akkor az első derivált

pozitív, azaz a függvény szigorúan monoton nő, így az x 11

98

5 feltételt teljesítő egész számok közül az x = 5-nél veszi fel a legkisebb értékét. Tehát csak az egész számokat vizsgálva vagy az x = 4-nél, vagy az x = 5-nél van a függvény legkisebb értéke. f(4)5082,5 és f(5)5075, ezért a szállítási problémában akkor minimális a költségünk, ha 5 részre osztva szállíttatjuk el az árut.

In document Tehetséggondozás a matematikában (Pldal 32-44)