Den afledte funktion kan anvendes til at beskrive, hvor hurtigt noget vokser eller aftager. Hertil indfører man begrebet væksthastighed.
Hvis en bakteriekoloni f.eks. har en stor positiv væksthastighed, betyder det, at antallet af bakterier hurtigt stiger.
Hvis bakteriekolonien f.eks. har en lille negativ væksthastighed, betyder det, at antallet af bakterier langsomt falder.
Ofte anvendes væksthastighed sammen med matematiske modeller, der beskriver udviklingen af noget fra den fysiske verden. Det betyder, at x-værdien i forskriften for den matematiske model ofte vil angive tiden. Derfor vil vi i dette afsnit udskifte x med t, hvor t beskriver tiden målt i sekunder, minutter, år eller hvad der nu giver bedst mening i den aktuelle situation.
Ofte vil vi også udskifte forskriftens navn f med andre bogstaver, der bedre passer til situationen. F.eks. anvendes N til at angive et antal (number på engelsk) og c til at angive en koncentration (concentration på engelsk).
For en funktion f(t), hvor t betegner tiden, kaldes f ’(t0) væksthastigheden til tidspunktet t0.
f ’(t0) er en øjeblikkelig væksthastighed. Man beregner altså væksthastigheden lige præcist i det tidspunkt hvor t = t0 hverken et sekund før eller efter. Det skal man huske at angive i sin konklusion.
Når man beregner en væksthastighed, skal man altid huske at angive den enhed, som væksthastigheden bliver målt i. Man bestemmer væksthastighedens enhed ved at skrive enheden på y-aksen divideret med enheden på x-aksen.
Væksthastighedens enhed = "Enheden for y" / "Enheden for x"
Grunden til at væksthastighedens enhed bestemmes sådan er, at væksthastigheden angives ved den afledte funktion til et bestemt tidspunkt f ’(t0), og at den afledte funktion til et bestemt tidspunkt angiver hældningskoefficienten af tangenten til grafen i røringspunktet P( t0 , f(t0) ). Da tangenten er en ret linje, kan dens hældningskoefficient beregnes med formlen for hældningen af en ret linje (formel (80) i formelsamlingen):
a = (y2 - y1) / (x2 - x1)
dvs. en forskel mellem to y-værdier (Δy) divideret med en forskel mellem to x-værdier (Δx), som også kan skrives:
a = Δy / Δx
Da forskellen mellem to y-værdier har samme enhed som y-værdien, og tilsvarende med x-værdien, er væksthastighedens enhed altså som angivet ovenfor.
I eksemplerne nedenfor er vist hvordan væksthastigheden tilskrives en enhed og hvordan man konkluderer.
I et forsøg undersøges populationen af en koloni af E. coli-bakterier i en væske. Man finder at populationen kan beskrives med modellen
N(t) = 2,464 ∙ e0,0202 ∙ t , 0 ≤ t ≤ 240
hvor N(t) angiver bakteriekoncentrationen (målt i tusinder bakterier pr liter), og t angiver tiden efter forsøgets start (målt i minutter).
Grafen i figur 14.6.1 viser, hvordan bakteriekoncentrationen vokser eksponentielt i det tidsrum forsøget blev udført. Bakteriekolonien vil selvfølgelig ikke blive ved med at vokse. Der vil være en naturlig grænse for, hvor mange bakterier der kan overleve, i forhold til den næring der er til rådighed.
Den afledte funktion findes med værktøjsprogram til at være
N'(t) = 0,04977 ∙ e0,0202 ∙ t , 0 ≤ t ≤ 240
Vi ønsker at bestemme populationens væksthastigheden efter 150 minutter. Derfor beregnes hældningen af tangenten i punktet P(150, N(150))
N'(150) = 0,04977 ∙ e0,0202 ∙ 150 = 1,030
Væksthastighedens enhed kan vi finde vha. figur 14.6.1. Da y-aksens enhed er "tusinder bakterier pr liter" og x-aksens enhed er "minut", er væksthastighedens enhed "1000 bakterier pr liter pr minut".
Vi konkluderer, at ifølge modellen er væksthastigheden for bakteriekolonien præcis 150 minutter efter forsøgets start 1,030 tusinder bakterier pr liter pr minut, dvs. 1030 bakterier pr liter pr minut.
Figur 14.6.1. Antal bakterier (målt i 1000 pr liter) som funktion af tiden (målt i minutter).
Ved en kemisk reaktion er koncentrationen af et bestemt stof givet ved modellen
c(t) = 8,2 ∙ (1 - e -0,03 ∙ t) , t ≥ 0
hvor c(t) angiver koncentrationen (målt i mmol/L = milli-mol/L), og t angiver tiden (målt i sekunder).
Grafen i figur 14.6.2 viser, hvordan koncentrationen af stoffet først stiger hurtigt men så langsommere og langsommere. Efterhånden opnås en konstant koncentration.
Den afledte funktion findes med værktøjsprogram til at være
c'(t) = 0,246 ∙ e -0,03 ∙ t , t ≥ 0
Den afledte funktion angiver den hastighed, hvormed reaktionen forløber. Den kaldes for reaktionshastigheden.
Hvis vi vil bestemme reaktionshastigheden efter 60 sekunder beregnes hældningen af tangenten i punktet P(60, c(60))
c'(60) = 0,246 ∙ e -0,03 ∙ 60 = 6,84
Væksthastighedens enhed kan vi finde vha. figur 14.6.2. Da y-aksens enhed er "mmol pr liter" og x-aksens enhed er "sekund", er væksthastighedens enhed "mmol pr liter pr sekund".
Vi konkluderer, at ifølge modellen er reaktionshastigheden præcist 60 sekunder efter reaktionen begyndte 6,84 mmol/L pr sekund.
Figur 14.6.2. Koncentrationen (målt i mmol pr liter) som funktion af tiden (målt i sekunder).
Med et frit fald menes et fald, hvor der ikke opleves luftmodstand. Strækningen, en genstand bevæger sig under et frit fald, afhænger af faldtiden på følgende måde
s(t) = 4,91 ∙ t 2 , t ≥ 0
hvor s(t) angiver strækningen (målt i meter), og t angiver faldtiden (målt i sekunder).
Grafen i figur 14.6.3 viser strækningen som funktion af tiden.
Den afledte funktion findes med værktøjsprogram til at være
s'(t) = 9,82 ∙ t , t ≥ 0
Den afledte funktion angiver den hastighed, hvormed strækningen ændrer sig. Det er det, vi normalt kalder for farten. Dvs. at genstandens fart til forskellige tidspunkter kan beregnes med formlen
v(t) = s'(t) = 9,82 ∙ t , t ≥ 0
hvor v(t) angiver farten (målt i meter/sekund), og t angiver faldtiden (målt i sekunder).
Hvis vi vil bestemme hvor hurtigt genstanden falder efter præcist 5 sekunder beregnes hældningen af tangenten i punktet P(5, s(5))
v(5) = s'(5) = 9,82 ∙ 5 = 49,1
Væksthastighedens enhed kan vi finde vha. figur 14.6.3. Da y-aksens enhed er "meter" og x-aksens enhed er "sekund", er væksthastighedens enhed "meter pr sekund".
Vi konkluderer, at ifølge modellen falder genstanden med farten 49,1 m/s præcist 5 sekunder efter start.
Figur 14.6.3. Strækningen (målt i meter) som funktion af faldtiden (målt i sekunder).
Normalkurven over højden for piger i alderen 0 til 48 måneder kan beskrives med modellen
h(t) = 49,8 + 6,32 ∙ t 0,554 , 0 ≤ t ≤ 48
hvor h(t) angiver højden (målt i cm), og t angiver alderen (målt i måneder).
Normalkurven angiver medianen af pigernes højde til forskellige tidspunkter. Dvs. at den højeste halvdel af alle piger med en given alder har en højde, der ligger over kurven, mens den laveste halvdel af alle piger med en given alder har en højde, der ligger under kurven. På figur 14.6.4 er normalkurven vist med den røde graf. De andre grafer repræsenterer hvordan højden er fordelt, indenfor det man kalder 1, 2 og 3 standardafvigelser.
Den afledte funktion findes med værktøjsprogram til at være
h'(t) = 3,50128 ∙ t -0,446 , 0 ≤ t ≤ 48
Vi ønsker at bestemme væksthastigheden for en 12 måneder gammel pige der følger normalkurven . Derfor beregnes hældningen af tangenten i punktet P(12, h(12))
h'(12) = 3,50128 ∙ 12 -0,446 = 1,15588 ≈ 1,2
Væksthastighedens enhed kan vi finde vha. figur 14.6.4. Da y-aksens enhed er "centimeter" og x-aksens enhed er "måneder", er væksthastighedens enhed "centimeter pr måned".
Vi konkluderer, at ifølge modellen er væksthastigheden for en præcis 12 måneder gammel pige der følger normalkurven 1,2 cm/måned.
Figur 14.6.4. Højden af piger (målt i cm) som funktion af alderen (målt i måneder). Den røde kurve angiver medianen - også kaldt normalkurven.
Den største væksthastighed finder man på en graf der, hvor tangenten har den største hældningskoefficient. Da det kan være vanskeligt at vurdere, hvor på grafen tangenten er stejlest, kan man med fordel tegne grafen for den afledte funktion. Der hvor den afledte funktion har sit højeste punkt, har vi den stejleste tangent, og dermed den maksimale væksthastigheden.
Bemærk at den stejleste tangent godt kan have en negativ hældningskoefficient. Så vil den maksimale væksthastighed være der, hvor den afledte funktion har sit laveste punkt. Det vil være tilfældet, hvis funktionen er aftagende.
Eksempel 5 viser hvordan man kan bestemme den maksimale væksthastighed.
Efter en frokost stilles en uren tallerken på køkkenbordet. På tallerkenen befinder der sig 10 bakterier. Bakterierne vil hurtigt begynde at formere sig, da der er rigeligt med næring på tallerkenen. Men efterhånden som der kommer flere bakterier, bliver konkurrencen om føden skærpet. Derfor begynder bakterievæksten på et tidspunkt at blive hæmmet. Det ender med, at der kun er plads til 50000 bakterier på tallerkenen.
Bakterievæksten kan beskrives ved følgende regneforskrift, hvor N er antallet af bakterier og t er tiden siden tallerkenen blev stillet på bordet. Grafen i figur 14.6.5a viser antallet af bakterier som funktion af tiden.
N(t) = 50000 / (1 + 4999 ∙ e -50000 ∙ 0,000003 ∙ t ) , t ≥ 0
Ved at beregne den afledte funktion i GeoGebra, får vi tegnet den grønne graf N'(t), som vises i figur 14.6.5b. Vi undlader at opskrive forskriften for den afledte funktion, da den er kompliceret og ikke skal bruges i det efterfølgende. På figur 14.6.5b kan vi se, at grafen har et toppunkt. Der er altså et tidspunkt, hvor væksthastigheden er størst. Vha. ekstremumsværktøjet i GeoGebra bestemmes toppunktets koordinater.
Vi konkluderer, at væksthastigheden for udviklingen af bakterier er størst efter 5,7 timer, og at den maksimale væksthastighed er 18750 bakterier pr time.
Figur 14.6.5a. Antallet af bakterier på en tallerken som funktion af tiden (målt i timer).
Figur 14.6.5b. Væksthastigheden af antallet af bakterier på en tallerken som funktion af tiden (målt i timer).