Derivere kurver gitt ved parameterframstilling.
Frå statiske kurver til rørsle
I førre kapittel lærte vi om parameterframstilling av kurver. No skal vi sjå på korleis vi kan derivere vektorfunksjonar for å skildre rørsle langs ei kurve.
Når vi deriverer ein vektorfunksjon, får vi informasjon om:
- Retninga kurva rører seg i (tangentvektor)
- Hastigheita til eit objekt som rører seg langs kurva
- Farten (kor raskt objektet rører seg)
- Buelengda (kor langt kurva strekkjer seg)
Dette har mange praktiske bruksområde:
- Rekne ut banen til ein ball kasta gjennom lufta
- Finne hastigheita til ein bil i ein sving
- Bestemme lengda av ein sti eller veg
- Animasjon og rørsle i dataspel
Vektorfunksjonar
Ein vektorfunksjon (eller banekurve) skildrar ei kurve i planet ved hjelp av ein parameter .
der og er reelle funksjonar av parameteren .
Vi kan òg skrive dette som eller .
Parameteren representerer ofte tid, men kan òg vere kva for ein annan variabel som helst.
Skildre sirkelen med radius 3 og sentrum i origo som ein vektorfunksjon.
Vi bruker parameterframstillinga for ein sirkel:
Her er:
-
-
Når går frå til , rører vi oss éin gong rundt sirkelen mot klokka.
Kontroll: \checkmark
Ein partikkel startar i punktet og rører seg med konstant hastigheit i retning . Skriv opp vektorfunksjonen for banen til partikkelen.
Startpunktet er , og partikkelen rører seg langs retningsvektoren .
Vektorfunksjonen blir:
Her er:
-
-
Når , er partikkelen i .
Når , er partikkelen i .
Når , er partikkelen i .
Partikkelen rører seg langs ei rett linje.
Derivasjon av vektorfunksjonar
For å derivere ein vektorfunksjon, deriverer vi ganske enkelt kvar komponent for seg.
Den deriverte av er:
Vi deriverer altså kvar komponent for seg med omsyn på .
Finn når .
Vi deriverer kvar komponent for seg:
Dermed er:
Lat vere parameterframstillinga for ein sirkel. Finn .
Vi deriverer kvar komponent:
Dermed er:
Tangentvektoren
Den deriverte har ei viktig geometrisk tyding: han er ein tangentvektor til kurva.
Tangentvektoren peikar i den retninga kurva rører seg når aukar.
Viss , kan vi finne einingstangentvektoren:
For sirkelen , finn tangentvektoren for og vis at han står vinkelrett på posisjonsvektoren.
Frå eksempel 4 har vi .
For :
Tangentvektoren i punktet er , som peikar i negativ -retning.
Sjekk ortogonalitet:
Sidan skalarproduktet er null, står vektorane vinkelrett på kvarandre. Dette gir meining fordi tangentvektoren til ein sirkel alltid er vinkelrett på radiusvektoren.
Ei kurve er gitt ved . Finn likninga for tangentlinja i punktet der .
Punktet på kurva:
Tangentvektoren:
Tangentlinja går gjennom med retningsvektor :
På kartesisk form: Stigingstalet er .
Normalvektoren
Normalvektoren står vinkelrett på tangentvektoren og peikar mot "innsida" av kurva.
Begge desse står vinkelrett på tangentvektoren. Den fyrste er rotert mot klokka, den andre med klokka.
Einingsnormalvektoren er:
Skalarproduktet er null, så vektorane er ortogonale.
For kurva , finn tangent- og normalvektoren i punktet der .
Punktet:
Tangentvektoren:
Normalvektoren (rotert mot klokka):
Kontroll: \checkmark
Hastigheitsvektoren
Når parameteren representerer tid, får tangentvektoren ei fysisk tolking som hastigheitsvektor.
Hastigheitsvektoren er den deriverte av posisjonsvektoren:
Hastigheitsvektoren angir:
- Retninga partikkelen rører seg
- Farten (via lengda )
Ein ball blir kasta frå bakken med starthastigheit m/s i ein vinkel på med horisontalplanet. Finn hastigheitsvektoren som funksjon av tid. (Bruk m/s².)
Starthastigheit:
- Horisontal komponent: m/s
- Vertikal komponent: m/s
Posisjonsvektoren:
Hastigheitsvektoren:
For : (starthastigheita)
For : (toppunktet, berre horisontal rørsle)
Fart
Fart er lengda av hastigheitsvektoren. Medan hastigheit er ein vektor med retning, er fart eit tal som berre angir kor raskt objektet rører seg.
Farten er alltid positiv (eller null).
Ein partikkel rører seg langs sirkelen . Finn farten.
Hastigheitsvektoren:
Farten:
Farten er konstant lik 3 for alle . Dette er typisk for rørsle langs ein sirkel med konstant vinkelhastigheit.
Ein partikkel rører seg langs kurva for . Finn farten som funksjon av og bestem farten når .
Hastigheitsvektoren:
Farten:
For :
Merk at farten aukar med . Når er farten , og når aukar, aukar òg farten.
Buelengd
Buelengda er den totale lengda av ei kurve mellom to punkt. For å finne buelengda integrerer vi farten.
Buelengda av kurva frå til er:
Dette er det same som å integrere farten over tid.
Intuitivt gir dette meining: Viss du går med konstant fart i tid , tilbakelegg du ei strekning . Når farten varierer, må vi integrere.
Finn omkrinsen av sirkelen for .
Frå eksempel 9 veit vi at farten er konstant lik 3.
Buelengda:
Omkrinsen er , som stemmer med formelen . \checkmark
Finn lengda av linjestykket frå til ved hjelp av parameterframstilling og integrasjon.
Parameterframstilling: Vi kan skrive linjestykket som
Når :
Når :
Hastigheitsvektor:
Fart:
Buelengd:
Kontroll med avstandsformelen:
Finn buelengda av kurva for .
Hastigheitsvektor:
Fart:
Buelengd:
Lat , då er .
Når :
Når :
Buelengda er .
Ein partikkel har posisjon . Finn hastigheitsvektoren, farten og akselerasjonsvektoren når .
Posisjon:
Hastigheitsvektor (fyrste deriverte):
Fart:
Akselerasjonsvektor (andre deriverte):
Akselerasjonsvektoren viser korleis hastigheita endrar seg.
Ein ellipse er gitt ved for .
a) Finn tangentvektoren når .
b) Finn farten når .
a) Tangentvektoren:
For :
b) Farten:
Ein bil køyrer langs ein veg skildra ved for (posisjon i km, tid i timar). Kor langt køyrer bilen?
Hastigheitsvektor:
Fart:
Buelengd (tilbakelagd strekning):
For å løyse dette integralet bruker vi substitusjon eller tabelloppslag.
Med formelen :
Oppgåver
Finn for følgjande vektorfunksjonar:
Finn og for:
Ein partikkel rører seg langs kurva .
Finn posisjonen når .
Finn hastigheitsvektoren når .
Finn farten når .
For kurva , finn tangentvektoren og normalvektoren i punktet der .
Ein sirkel har parameterframstillinga .
Finn tangentvektoren.
Finn farten.
Finn omkrinsen ved å rekne ut buelengda for .
Finn likninga for tangentlinja til kurva i punktet der .
Ein partikkel rører seg slik at for (posisjon i meter, tid i sekund).
Vis at partikkelen rører seg langs ei rett linje.
Finn farten.
Kor lang strekning har partikkelen tilbakelagt etter 10 sekund?
Finn buelengda av kurva for .
Ein ball blir kasta horisontalt frå 80 m høgd med starthastigheit 20 m/s. Posisjonsvektoren er (bruk m/s²).
Finn hastigheitsvektoren.
Finn farten som funksjon av tid.
Kor lang tid tek det før ballen treffer bakken?
Finn farten i det ballen treffer bakken.
Vis at tangentvektoren til sirkelen alltid står vinkelrett på posisjonsvektoren.
Ein ellipse er gitt ved for .
Finn tangentvektoren.
Finn farten som funksjon av .
Ved kva for verdiar av er farten størst og minst?
Finn buelengda av kurva for . (Denne kurva blir kalla ein astroide.)
Ein sykloide er kurva som eit punkt på kanten av eit rullande hjul skildrar. Viss hjulet har radius og rullar langs -aksen, er parameterframstillinga:
Finn hastigheitsvektoren.
Finn farten som funksjon av .
Når er farten null? Kva tyder dette fysisk?
Ein partikkel rører seg slik at posisjonsvektoren er for .
Finn hastigheitsvektoren.
Finn farten som funksjon av .
Vis at farten veks eksponentielt.
Ei kurve har einingstangentvektor . For kurva for :
Finn .
Finn farten .
Finn einingstangentvektoren .
Finn buelengda av spiralen for .
Lat vere ein ellipse med halvakser og der .
Finn farten som funksjon av .
I kva for punkt er farten størst?
I kva for punkt er farten minst?
Ein partikkel rører seg langs kurva for .
Finn hastigheitsvektoren og farten.
Finn akselerasjonsvektoren.
Finn buelengda frå til .
Oppsummering
I dette kapittelet har du lært:
- Vektorfunksjon: skildrar ei rørsle i planet.
- Derivasjon: — deriver komponentvis.
- Tangent- og hastigheitsvektor: peikar langs banen i rørsleretninga.
- Fart: — eit tal.
- Buelengd: .
Nøkkelomgrep
| Omgrep | Forklaring |
|---|---|
| Vektorfunksjon | |
| Hastigheitsvektor | , tangent til banen |
| Fart | |
| Buelengd |
Viktige formlar
-
-
-
Oppgaver
Dette kapitlet er skrevet av Anthropics toppmodeller (Claude Opus og Claude Fable) og er foreløpig ikke manuelt gjennomgått — kvalitetskontrollen gjøres av uavhengige KI-agenter, og innmeldte feil rettes fortløpende. Funnet en feil? Meld fra, så retter vi den. Les mer om hvordan innholdet lages.
