MaA 6 Derivata

21. Derivatan av exponentialfunktionen

Derivera \( 5^x \).

Lösning

Vi börjar med att uttrycka \( 5^x \) med hjälp av basen \( e \), \( 5=e^{\ln 5} \).

Då är \( 5^x= (e^{\ln 5 })^x = e^{x\ln 5} \).

Vi får att

\( \begin{array}{rcll} D5^x & = & De^{x\ln 5} & \mid De^{f(x)}=e^x{f(x)}\cdot f'(x) \\ & = & e^{x\ln 5} Dx\ln 5 \\ & = & e^{x\ln 5} \ln5 & \mid 5^x=e^{x\ln5}\\ & = & 5^x \ln 5 \\ \end{array} \)

Då vi gör det allmänt får vi att derivatan av \( k^x=k^x \ln k \)

Motivering:

För \( k^x \) uttrycker vi \( k \) som \( e^{\ln k} \) och då är \( k^x=(e^{\ln k})^x = e^{x\ln k} \).

\( Dk^x=De^{x\ln k} = e^{x\ln k}D(x\ln k) = e^{x\ln k} \ln k = k^x \ln k \).

Alltså \( Dk^x=k^x \ln k \).

Exempel 1 För radioaktiva isotoper gäller att under samma tid sönderfaller det en lika stor procentuell andel till andra isotoper. Kalium, \( ^{11}C \), är en av isotoperna som används vid PET-scanning. Under 20 minuter minskar radioaktiviteten med 50 %. Vi antar att en patient har fått en dos på 3,6 mg.

  1. Bilda en funktion som beskriver mängden radioaktiva isotoper som finns kvar i kroppen.
  2. Bestäm hastigheten som isotopen sönderfaller vid 30 minuter efter att den injucerats.

Lösning

För att bilda en funktion börjar vi med att göra en tabell.

TidMängd kvar
0\( 3,6 \)
20\( 3,6 \cdot 0,5 \)
40\( 3,6 \cdot 0,5^2 \)
60\( 3,6 \cdot 0,5^3 \)
\( t \)\( 3,6 \cdot 0,5^{\frac{t}{20}} \)

Inom naturvetenskaper brukar man uttrycka exponentiella förlopp med funktioner som har basen \( e \), \( 0,5=e^{\ln 0,5} \). Vår funktion är \( 3,6 \cdot (e^{\ln 0,5})^{\frac{t}{20}} = 3,6e^{\frac{t}{20}\ln 0,5} \). Eftersom vi har en tillämpad uppgift kan vi skriva det som \( 3,6e^{-0,0347t} \).

Funktionen är \( m(t)=3,6e^{\frac{t}{20}\ln 0,5} \) där \( t \) är tiden i minuter efter att isotoperna injicerats.

För att bestämma hastigheten för sönderfallet deriverar vi funktionen, \( m'(t)=3,6e^{\frac{t}{20}\ln 0,5} \cdot \dfrac{1}{20}\ln 0,5 \).

Hastigheten för sönderfallet vid 30 min är \( m'(30)=3,6e^{\frac{30}{20}\ln 0,5} \cdot \dfrac{1}{20}\ln 0,5 = -0,044 \) (mg/min).

Isotoperna sönderfaller efter 30 min med hastigheten 0,044 mg/min.

Exempel 2 Visa att \( e^{3x} > x \).

Lösning

Vi visar att \( e^{3x} > x \) genom att undersöka funktionen \( f(x)=e^{3x}-x \) och visa att för funktionen gäller att \( e^{3x} -x > 0 \).

Vi visar att vi har en funktion som alltid är positiv genom att derivera den och visa att den alltid är positiv.

Derivatafunktionen är \( f'(x)=e^{3x}\cdot 3 -1 = 3e^{3x}-1 \).

Derivatans nollställen finner vi genom att lösa ekvationen \( 3e^{3x}-1 = 0 \).

\( \begin{array}{rcl} 3e^{3x} -1 & = & 0 \\ 3e^{3x} & = & 1 \\ e^{3x} & = & \dfrac{1}{3} \\ 3x & = & \ln \dfrac{1}{3} = \ln 1 -\ln 3 = -\ln 3 \\ x & = & \dfrac{1}{3} (-\ln 3) = -\ln \sqrt[3]{3} \approx -0,37 \\ \end{array} \)

Vi bildar ett teckenschema:

\( f'(-1)= 3e^{3(-1)}-1 = \dfrac{3}{e^3} -1 < 0 \).

\( f'(0)= 3e^{3\cdot 0}-1 = 3e^0 -1 = 3-1 = 2 > 0 \).

\( \begin{array}{r|ccc} & & -\ln \sqrt[3]{3} & \\ \hline f'(x) & - & 0 & + \\ f(x) & \searrow & 0 & \nearrow \\ \end{array} \)

Funktionen får sitt minsta värde i punkten \( -\ln \sqrt[3]{3} \). Funktionens minsta värde är \( f(-\ln \sqrt[3]{3}) = e^{3(-\ln \sqrt[3]{3})}-(-\ln \sqrt[3]{3}) \approx 0,70 \).

Eftersom funktionens minsta värde är positivt är resten av värdena positiva. Vi har visat att \( e^{3x} > x \).

Uppgifter

  1. Derivera
    1. \( 2^x \)

      \( D2^x=\ln2 \cdot 2^x = 2^x \ln 2 \)

    2. \( 4^x \)

      \( D4^x = \ln 4 \cdot 4^x = 4^x\ln4 \)

    3. \( (\dfrac{1}{2})^x \)

      \( D(\dfrac{1}{2})^x=\ln \dfrac{1}{2}\cdot(\dfrac{1}{2})^x=(\ln 1 -\ln 2)(\dfrac{1}{2})^x = -\ln 2\dfrac{1^x}{2^x} = -\dfrac{\ln 2}{2^x} \)

  2. Derivera \( f(x) = 10^x \).

    \( f'(x) = \ln 10 \cdot 10^x \)

    1. Bestäm \( f'(0) \)

      \( f'(0) = \ln 10 \cdot 10^0 = \ln 10 \)

    2. Bestäm \( f'(3) \)

      \( f'(3) = \ln 10 \cdot 10^3 = 1000\ln 10 \)

  3. Bestäm nollställena för derivatafunktionen för följande funktioner.
    1. \( f(x) = 2x + e^{-x} \)

      Derivatafunktionen är \( f'(x) = 2 -e^{-x} \).

      Derivatafunktionens nollställe, \( f'(x) = 0 \), är \( x = -\ln 2 \).

    2. \( g(x) = x^2e^{-x} \)

      Derivatafunktionen är \( g'(x) = 2xe^{-x}-x^2e^{-x} \).

      Derivatafunktionens nollställe, \( g'(x) = 0 \), är \( x = 0 \) och \( x = 2 \).

    3. \( h(x) = \dfrac{e^{-x}}{x^2} \)

      Derivatafunktionen är \( h'(x) = \dfrac{-2e^{-x}-xe^{-x}}{x^3} \).

      Derivatafunktionens nollställe, \( h'(x) = 0 \), är \( x = -2 \).

  4. För radioaktiva ämnen är det typiskt att under en viss tid sönderfaller en viss mängd av det radioaktiva ämnet till någon annan isotop. För fluors radioaktiva isotop fluor-18 sönderfaller alltid 32 % per timme. Isotopen används som skuggmedel i medicinska undersökningar. Vi antar att en patient har fått en dos om 3,6 milligram.
    1. Skapa en funktion som beskriver mängden fluor-18 i kroppen efter \( t \) timmar.

      Varje timme har vi 100 % - 32 % = 68 % kvar.

      Vi kan skriva massan kvar som \( m(t) = 3,6 \cdot 0,68^t \).

      Inom naturvetenskaper har man helst basen \( e \). Eftersom \( 0,68 = e^{\ln 0,68} \) får vi med basen \( e \) följande \( m(t) = 3,6e^{t \ln 0,68} \approx 3,6e^{-0,368t} \).

    2. Hur snabbt minskar isotopmängden vid tidpunkten \( t = 0,5 \)?

      Derivatafunktionen är \( m'(t) = -1,390e^{-0,386t} \).

      Förändringen för mängden är \( m'(0,5) \approx -1,1 \).

      Alltså minskar mängden med 1,1 mg/h.

    3. Hur snabbt minskar isotopmängden vid tidpunkten \( t = 2 \)?

      Förändringen för mängden är \( m'(2) \approx -0,64 \) mg/h.

      Alltså minskar mängden med 0,64 mg/h.

  5. Halveringstiden för den radioaktiva isotopen polonium 210 är ca 140 dagar (exakt är det 138,4 dagar). Polonium 210 är ett relativt allmänt ämne att mörda personer med. Tex Alexander Litvinenko och Yasser Arafat har högst antagligen blivit förgiftade och mördade med polonium.

    En dödlig dos för en vuxen person vars massa är 75 kg är ungefär 650 ng (nanogram) polonium.

    1. Bilda en funktion som beskriver mängd polonium kvar i kroppen som funktion av tiden i dagar för en vuxen person på 75 kg.

      \( m(t)=650\cdot 0,5^{\frac{t}{140}} \) eller \( m(t)=650\cdot e^{\frac{t}{140}\cdot \ln0,5} \) eller \( m(t)=650\cdot e^{-0,00495t} \).

      I stället för 140 kan du bra ha exakta värdet 134,8.

    2. Efter en dödlig dos med polonium tar det ca 44 dagar före man dör. Hur många ng polonium finns det kvar i kroppen?

      \( m(44)=522,79 \) ng \( = 522,8 \) ng

    3. Hur länge tar det förrän mängden aktiv polonium har sjunkit till 30 % av vad den var i början?

      Lös ekvationen \( 650e^{-0,00495t} = 0,3\cdot 650 \), \( t=243,2 \) dagar.

    4. Hur snabb är sönderfallet 30 dagar efter injicering?

      \( m'(t)=-3,2175e^{-0,00495t} \). \( m'(30)=-2,77348 \) ng/dag.

  6. Bestäm tangenten för funktionen \( f(x)=(\dfrac{1}{2})^x \) då \( x = -1 \).

    \( f'(x)=-\ln 2 \cdot (\dfrac{1}{2})^x \).

    Tangentens riktingskoefficient då \( x=-1 \) är \( f'(-1) = -2\ln2 \).

    \( y \)-koordinaten är \( f(-1)=2 \).

    Tangentens ekvation är \( y-y_0 = k(x-x_0) \), alltså

    \( y-2 = -2\ln 2(x+1) \Leftrightarrow y = -2\ln 2 \cdot x +2-2\ln 2 \).

  7. Bestäm tangenten för funktionen \( f(x)=3^x \) då \( x=1 \).

    \( f'(x)=\ln 3 \cdot 3^x \).

    Tangentens riktingskoefficient då \( x=1 \) är \( f'(1)=\ln 3 \cdot 3^1 = 3\ln3 \).

    \( y \)-koordinaten är \( f(1)=3^1 =3 \).

    Tangentens ekvation är \( y-y_0 = k(x-x_0) \), alltså

    \( y-3 = 3\ln 3(x-1) \Leftrightarrow y = 3\ln 3 \cdot x +3-3\ln 3 \).

  8. Bestäm normalen för funktionen \( f(x)=2^x-1 \) då \( x=-1 \).

    \( f'(x)=\ln 2 \cdot 2^x \).

    Tangentens riktingskoefficient då \( x=-1 \) är \( f'(-1) = \dfrac{1}{2}\ln2 \).

    Då är normalens riktningskoefficent, \( -\dfrac{2}{\ln 2} \) eftersom \( \dfrac{1}{2}\ln2 \cdot -\dfrac{2}{\ln 2} =-1 \).

    \( y \)-koordinaten är \( f(-1)=-\dfrac{1}{2} \).

    Normalens ekvation är \( y-y_0 = k(x-x_0) \), alltså

    \( y+\dfrac{1}{2} = -\dfrac{2}{\ln 2}(x+1) \Leftrightarrow y = -\dfrac{2}{\ln 2} \cdot x --\dfrac{2}{\ln 2}-\dfrac{1}{2} \).

  9. Bestäm tangenten för funktionen \( f(x)=4^x \) som har riktningskoefficienten \( \ln 4 \).

    Derivatafunktionen är \( f'(x)=4^x \cdot \ln 4 \).

    Vi söker den punkt som har riktingskoefficienten \( \ln 4 \). Den \( x \)-koordinaten hittar vi via

    \( f'(x)=\ln 4 \), alltså \( 4^x \cdot \ln 4 = \ln 4 \Leftrightarrow 4^x = 1 \Leftrightarrow x=0 \).

    Då \( x=0 \) är \( y \)-koordinaten \( f(0)=4^0=1 \).

    Tangentens ekvation är \( y-y_0 =k(x-x_0) \), alltså \( y-1 =\ln 4(x-0) \Leftrightarrow y = \ln (4)\cdot x +1 \).

  10. Bestäm minsta värde för funktionen \( f(x)=e^{2x}-x \).

    \( e^{2x} \) är en sammansatt funktion där den yttre funktionen är \( e^x \) och den inre är \( 2x \).

    Derivatafunktionen är \( f'(x)=e^{2x} \cdot 2-1 = 2\cdot e^{2x}-1 \).

    De punkter där funktionen byter riktning är de punkter där \( f'(x)=0 \). Alltså

    \( \begin{array}{rcll} 2\cdot e^{2x}-1 & = & 0 \\ 2\cdot e^{2x} & = & 1 \\ e^{2x} & = & \dfrac{1}{2} \\ 2x & = & \ln \dfrac{1}{2} & \mid \cdot\dfrac{1}{2}\\ x & = & \dfrac{1}{2}\cdot\ln \dfrac{1}{2} \\ x & = & \dfrac{1}{2}(\ln 1 -\ln 2) = \dfrac{1}{2}(0-\ln 2) \\ & = & -\ln 2^{\frac{1}{2}} = -\ln \sqrt{2} \approx -0,35\\ \end{array} \)

    Vi skissar upp ett teckenschema för funktionen.

    \( '(-1) = 2\cdot e^{2(-1)}-1 < 0 \).

    \( f-(0) = 2\cdot e^{2\cdot0}-1 > 0 \).

    \( \begin{array}{l|ccc} & & -\ln \sqrt{2} & \\ f'(x) & - & 0 & + \\ f(x) & \searrow & 0 & \nearrow \\ \end{array} \)

    Vi har ett minsta värde då \( x=-\ln \sqrt{2} \), funktionens värde är \( f(-\ln \sqrt{2})= e^{2(-\ln \sqrt{2})}-(-\ln \sqrt{2}) \approx 0,87 \).

  11. För funktionen \( e^{-x} \) ritas tangenten i den punkt där funktionen skär \( y \)-axeln. Bestäm ekvationen för tangenten.

    Derivatafunktionen är \( f'(x)=-e^{-x} \). Den punkt där funktionen skär \( y \)-axeln är den punkt där \( x=0 \). Riktningskoefficenten för tangenten är \( f'(0)=-e^0 = -1 \). \( y \)-koordinaten är \( e^{-0}=1 \).

    Tangentens ekvation är \( y-y_0=k(x-x_0) \): \( y-1=-1(x+0) \Leftrightarrow y=-x+1 \).

  12. Bestäm värdemängden för funktionen \( f(x)=xe^x \).

    För att bestämma värdemängden ritar vi först upp funktionen på räknarprogram. Då märker vi att funktionen avtar och sedan växer. Då vi bestämmer det minsta värdet så har vi sedan värdemängden för funktionen.

    Derivatafunktionen är \( f'(x)=xe^x +e^x \). Derivatans nollställe är \( x=-1 \). Då \( f'(-2) = 2e^{-2}+e^{-2} < 0 \) och \( f'(0)=0e^0+e^0 > 0 \). Vi har alltså ett minimi i \( x=-1 \).

    Funktionens minsta värde är \( f(-1)=-1e^{-1} = -\dfrac{1}{e} \approx -0,37 \).

    Värdemängden för funktionen är \( [-\dfrac{1}{e}, \infty[ \).

  13. Visa att \( e^{5x} > 15e^x-20 \) för alla värden på \( x \).

    Vi bildar funktionen \( f(x)=e^{5x}-15e^x+20 \) och visar att den alltid är positiv.

    Derivatafunktionen är \( f'(x)=5e^{5x}-15e^x \). Derivatans nollställe hittar vi i \( x=\dfrac{\ln 3}{4} \approx 0,27 \).

    \( f'(0)=5e^{5\cdot 0}-15e^0 = 5-15 < 0 \) och \( f'(1)= 5e^{5\cdot 1}-15e^1 = 5e^5-15e > 0 \). Vi har ett minsta värde då \( x=\dfrac{\ln3}{4} \). Funktionens minsta värde är \( f(\dfrac{\ln3}{4}) \approx 4,21 \).

    Eftersom funktionens minsta värde är \( 4,21 \) så är \( f > 0 \). Alltså är \( e^{5x} > 15e^x-20 \) för alla värden på \( x \).