08 도함수의 활용 ⑴
03 함수의 극대와 극소
본책 170~172쪽 유 제
1 ⑴ f(x)=x+ 1x -1에서 x+0이고
⑵ f`'(x)=1- 1
xÛ`= xÛ`-1
xÛ` = (x+1)(x-1) xÛ`
⑵ f`'(x)=0에서 x=-1 또는 x=1
x y -1 y 0 y 1 y
f`'(x) + 0 - - 0 +
f(x) ↗ -3 ↘ ↘ 1 ↗
따라서 함수 f(x)는 x=-1에서 극댓값 -3, x=1에서 극 솟값 1을 갖는다.
⑵ f(x)= x-1 xÛ`+3에서
⑵ f`'(x) =xÛ`+3-(x-1)´2x
(xÛ`+3)Û` = -xÛ`+2x+3 (xÛ`+3)Û`
=-(x+1)(x-3) (xÛ`+3)Û`
⑵ f`'(x)=0에서 x=-1 또는 x=3
x y -1 y 3 y
f`'(x) - 0 + 0
-f(x) ↘ - 12 ↗ 1
6 ↘
따라서 함수 f(x)는 x=3에서 극댓값 16 , x=-1에서 극솟 값 - 12 을 갖는다.
⑴ 극댓값: -3, 극솟값: 1
⑵ 극댓값: 1
6 , 극솟값: - 12
다른 풀이 ⑴ f`"(x)= 2x´xÛ`-(xÛ`-1)´2x
xÝ` = 2
xÜ`에서 f`"(-1)=-2<0, f`"(1)=2>0
따라서 함수 f(x)의 극댓값은 f(-1)=-3, 극솟값은 f(1)=1이다.
⑵ f`"(x)
=(-2x+2)(xÛ`+3)Û`-(-xÛ`+2x+3)´2(xÛ`+3)´2x (xÛ`+3)Ý`
=2(xÜ`-3xÛ`-9x+3) (xÛ`+3)Ü`
⑵ 에서 f`"(-1)= 14 >0, f`"(3)=- 1 36 <0
⑵ 따라서 함수 f(x)의 극댓값은 f(3)= 16 , 극솟값은 f(-1)=- 12 이다.
2 ⑴ f(x)='§x+'Ä1-x 에서 f`'(x) = 1
2'§§x+ -1
2'Ä1-x= 'Ä1-x-'§x 2'§§x 'Ä1-x
⑵ f`'(x)=0에서 'Ä1-x='§§x 1-x=x ∴ x=1
2
x 0 y ;2!; y 1
f`'(x) + 0
-f(x) ↗ '2 ↘
따라서 함수 f(x)는 x= 12 에서 극댓값 '2 를 갖고 극솟값은 없다.
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본책
167 ~ 171쪽Ⅲ. 미분법
75
08
도함수의 활용 ⑴⑵ f(x)= x
'Äx-1에서 x>1이고
⑵ f`'(x)='Äx-1-x´ 1 2'Äx-1
x-1 = x-2
2(x-1)'Äx-1
⑵ f`'(x)=0에서 x=2
x 1 y 2 y
f`'(x) - 0 +
f(x) ↘ 2 ↗
⑵ 따라서 함수 f(x)는 x=2에서 극솟값 2를 갖고 극댓값은 없다.
⑴ 극댓값: '2, 극솟값: 없다.
⑵ 극댓값: 없다., 극솟값: 2
3 ⑴ f(x)=xÛ`ex에서
⑵ f`'(x)=2xex+xÛ`ex=xex(x+2)
⑵ f`'(x)=0에서 x=-2 또는 x=0
x y -2 y 0 y
f`'(x) + 0 - 0 +
f(x) ↗ 4
eÛ` ↘ 0 ↗
따라서 함수 f(x)는 x=-2에서 극댓값 4
eÛ`, x=0에서 극솟 값 0 을 갖는다.
⑵ f(x)=x(ln x)Û`에서 x>0이고
⑵ f`'(x)=(ln x)Û`+x´2 ln x´ 1x =ln x(ln x+2)
⑵ f`'(x)=0에서 ln x=-2 또는 ln x=0
⑵ ∴ x=e-2= 1
eÛ` 또는 x=1
x 0 y 1
eÛ` y 1 y
f`'(x) + 0 - 0 +
f(x) ↗ 4
eÛ` ↘ 0 ↗
따라서 함수 f(x)는 x= 1
eÛ`에서 극댓값 4
eÛ`, x=1에서 극솟 값 0 을 갖는다.
⑴ 극댓값: 4
eÛ`, 극솟값: 0
⑵ 극댓값: 4
eÛ`, 극솟값: 0
다른 풀이 ⑴ f`"(x) =2ex+2xex+2xex+xÛ`ex
=ex(xÛ`+4x+2) 에서 f`"(-2)=- 2
eÛ`<0, f`"(0)=2>0 따라서 함수 f(x)의 극댓값은 f(-2)= 4
eÛ`, 극솟값은 f(0)=0이다.
⑵ f`"(x) =ln x+2 x +ln x
x =
2(ln x+1) x 에서 f`"{ 1eÛ` }=-2eÛ`<0, f`"(1)=2>0 따라서 함수 f(x)의 극댓값은 f`{ 1eÛ` }=4
eÛ`, 극솟값은 f(1)=0이다.
4 ⑴ f(x)=2 cos`x-x에서
⑵ f`'(x)=-2 sin`x-1
⑵ f`'(x)=0에서 sin`x=-1 2
⑵ ∴ x=- 56 p 또는 x=-p
6 (∵ -p<x<p)
x -p y - 56p y - p6 y p
f`'(x) - 0 + 0
-f(x) ↘ -'3+ 56p ↗ '3+ p6 ↘ 따라서 함수 f(x)는 x=- p6 에서 극댓값 '3+p
6 ,x=- 56 p 에서 극솟값 -'3+ 56 p를 갖는다.
⑵ f(x)='2 x+sin`2x에서 f`'(x)='2+2 cos`2x f`'(x)=0에서 cos`2x=- '22 이때 0<x<p에서 0<2x<2p이므로 2x= 34 p 또는 2x=5
4p ∴ x= 38 p 또는 x=5
8p
x 0 y 3
8p y 5
8p y p
f`'(x) + 0 - 0 +
f(x) ↗ 3'2
8 p+'2
2 ↘ 5'2 8 p-'2
2 ↗
따라서 함수 f(x)는 x= 38 p에서 극댓값 3'2 8 p+ '22 , x= 58p에서 극솟값 5'28 p- '22 를 갖는다.
⑴ 극댓값: '3+ p6 , 극솟값: -'3+ 56p
⑵ 극댓값: 3'2
8 p+ '22 , 극솟값: 5'2 8 p- '22
다른 풀이 ⑴ f`"(x)=-2 cos`x에서
f`"{- 56p}='3 >0, f`"{- p6 }=-'3 <0 따라서 함수 f(x)의 극댓값은 f`{- p6 }='3+p
6 , 극솟값은 f`{- 56p}=-'3+ 56p이다.
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76
정답 및 풀이⑵ f`"(x)=-4 sin`2x에서 f`"{ 38 p}=-2'2<0, f`"{5
8 p}=2'2>0 따라서 함수 f(x)의 극댓값은 f`{ 38 p}=3'2
8 p+ '22 , 극솟 값은 f`{ 58 p}=5'2
8 p- '22 이다.
5 f(x)=ax+b xÛ`+3에서
f`'(x) =a(xÛ`+3)-(ax+b)´2x (xÛ`+3)Û`
= -axÛ`-2bx+3a (xÛ`+3)Û`
함수 f(x)가 x=2에서 극댓값 1을 가지므로 f(2)=1, f`'(2)=0
2a+b
7 =1, -a-4b49 =0 ∴ 2a+b=7, a+4b=0 위의 두 식을 연립하여 풀면 a=4, b=-1
a=4, b=-1
6 f(x)=ax+2 cos`x에서 f`'(x)=a-2 sin`x
함수 f(x)가 극값을 갖지 않으려면 모든 실수 x에 대하여 f`'(x)É0 또는 f`'(x)¾0이어야 한다.
이때 -1Ésin`xÉ1에서 -2É-2 sin`xÉ2 a-2Éa-2 sin`xÉa+2 이므로
a+2É0 또는 a-2¾0 ∴ aÉ-2 또는 a¾2
aÉ-2 또는 a¾2
0111 02 16 9 03② 04 p6 05 1e 06④ 07③ 08④ 09⑤ 102p 112 1221 130<a<4 14③ 1550 16① 17③ 18 1852 p 19①
중단원 연습 문제
본책 173~175쪽01
전략 곡선 y=f(x) 위의 x=a인 점에서의 접선과 수직인 직선의 기 울기는 - 1f`'(a)임을 이용한다. (단, f`'(a)+0)
풀이 f(x)= xx-3로 놓으면 점 (4, a)는 곡선 y=f(x) 위의 점이므로 a=4
f`'(x)=x-3-x
(x-3)Û`=- 3
(x-3)Û`이므로 점 (4, 4)에서의 접선의 기울기는 f`'(4)=-3
따라서 점 (4, 4)에서의 접선에 수직인 직선의 기울기는 1 3 이므 로 직선의 방정식은
y-4=1
3 (x-4) ∴ y=1 3 x+8
3 이 직선이 점 (b, 5)를 지나므로
5=b 3 +8
3 ∴ b=7
∴ a+b=11 11
02
전략 접선의 방정식을 구한 후 접선의 x절편, y절편을 이용한다.풀이 f(x)=sin`2x+3e2x으로 놓으면
f`'(x)=2 cos`2x+3´2e2x=2 cos`2x+6e2x y ❶ 점 (0, 3)에서의 접선의 기울기는
f`'(0)=2+6=8
이므로 접선의 방정식은 y=8x+3 y ❷
따라서 접선 y=8x+3의 x절편과 y절편이 각각 - 3 8 , 3이므로 구하는 도형의 넓이는
1
2´ 3 8´3= 9 16 y ❸
9 16
03
전략 곡선 y=2 ln x의 접선의 방정식을 구한 후 이 직선이 곡선 y=xÛ`+k와 접할 조건을 구한다.풀이 f(x)=2 ln x로 놓으면 f`'(x)= 2 x
점 (e, 2)에서의 접선의 기울기는 f`'(e)= 2 e이므로 접선의 방 정식은 y-2= 2 e (x-e) ∴ y= 2 e x yy ㉠㉠㉠
g(x)=xÛ`+k로 놓으면 g`'(x)=2x
직선 ㉠과 곡선 y=g(x)의 접점의 좌표를 (a, aÛ`+k)라 하면 접 선의 기울기는 g`'(a)=2a이므로 접선의 방정식은
y-(aÛ`+k)=2a(x-a) ∴ y=2ax-aÛ`+k
채점 기준 비율
❶ f`'(x)를 구할 수 있다. 30%
❷ 접선의 방정식을 구할 수 있다. 40%
❸ 도형의 넓이를 구할 수 있다. 30%
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본책
172 ~ 174쪽Ⅲ. 미분법
77
08
도함수의 활용 ⑴ 이 직선이 직선 ㉠과 일치해야 하므로2a= 2 e , -aÛ`+k=0 ∴ a= 1 e , k=aÛ`= 1
eÛ` ②
04
전략 두 직선이 평행하면 기울기가 같음을 이용한다.풀이 f(x)=sin`3x로 놓으면 f`'(x)=3 cos`3x
접점의 좌표를 (t, sin`3t)라 하면 직선 3x+y+4=0, 즉 y=-3x-4에 평행한 직선의 기울기는 -3이므로 f`'(t)=3 cos`3t=-3, cos`3t=-1 이때 0<t<p에서 0<3t<3p이므로 3t=p ∴ t=p
3 따라서 접점의 좌표가 {p
3 , 0}이므로 접선의 방정식은 y=-3{x- p 3 } ∴ y=-3x+p
이 직선이 점 {a, p 2 }를 지나므로
p
2 =-3a+p ∴ a= p 6 p
6
05
전략 접점의 좌표를 {a, ln aa }로 놓고 이 점에서의 접선이 원점을 지남을 이용한다.풀이 f(x)=ln x
x 로 놓으면
f`'(x)=;[!;´x-ln x
xÛ` = 1-ln x xÛ`
접점의 좌표를 {a, ln a
a }라 하면 이 점에서의 접선의 기울기는 f`'(a)= 1-ln a
aÛ` 이므로 접선의 방정식은 y-ln a
a =1-ln a
aÛ` (x-a) yy ㉠㉠㉠
직선 ㉠이 원점을 지나므로 -ln a
a =-1-ln a
a , 2 ln a=1
ln a= 12 ∴ a=e;2!;='e y ❶ a='e 를 ㉠에 대입하면 접선의 방정식은
y- 1
2'e= 12e (x-'e ) ∴ y= 1 2e x y ❷ 이 직선이 점 (2, k)를 지나므로
k= 1 2e´2= 1 e y ❸
1 e
06
전략 접점의 좌표를 (a, (a+k)e-a)으로 놓고 접선의 방정식을 구 한다.풀이 f(x)=(x+k)e-x으로 놓으면
f`'(x)=e-x-(x+k)e-x=-e-x(x+k-1)
접점의 좌표를 (a, (a+k)e-a)이라 하면 이 점에서의 접선의 기 울기는 f`'(a)=-e-a(a+k-1)이므로 접선의 방정식은 y-(a+k)e-a=-e-a(a+k-1)(x-a)
이 직선이 원점을 지나므로
-(a+k)e-a=-e-a(a+k-1)(-a) e-a(aÛ`+ka+k)=0
∴ aÛ`+ka+k=0 (∵ e-a>0) yy ㉠㉠㉠
원점에서 곡선 y=(x+k)e-x에 오직 하나의 접선을 그을 수 있 으려면 한 개의 접점이 존재해야 하므로 a에 대한 이차방정식 ㉠ 이 중근을 가져야 한다.
따라서 방정식 ㉠의 판별식을 D라 하면 D=kÛ`-4k=0, k(k-4)=0
∴ k=4 (∵ k+0) ④
07
전략 두 곡선 y=f(x), y=g(x)가 x=t인 점에서 공통인 접선을 가지면 f(t)=g(t), f`'(t)=g`'(t)임을 이용한다.풀이 f(x)=sinÛ``x, g(x)=-cos`x+a로 놓으면 f`'(x)=2 sin`x`cos`x, g`'(x)=sin`x
두 곡선 y=f(x), y=g(x)가 x=t인 점에서 공통인 접선을 가지 므로
f(t)=g(t)에서 sinÛ``t=-cos`t+a
∴ a=sinÛ``t+cos`t yy ㉠㉠㉠
f`'(t)=g`'(t)에서 2 sin`t`cos`t=sin`t sin`t(2 cos`t-1)=0
∴ cos`t= 12 {∵ 0<t<p 2 } ∴ t= p3
t= p3 를 ㉠에 대입하면 a={ '3
2 }Û`+ 12 =5
4 ③
08
전략 함수 f(x)에서 f`'(x)>0이면 f(x)가 증가함을 이용한다.풀이 f(x)= ex
xÛ`에서 x+0이고
채점 기준 비율
❶ 접점의 x좌표를 구할 수 있다. 40%
❷ 접선의 방정식을 구할 수 있다. 40%
❸ k의 값을 구할 수 있다. 20%
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78
정답 및 풀이f`'(x)= ex´xÛ`-ex´2x
(xÛ`)Û` =ex(x-2) xÜ`
f`'(x)=0에서 x=2 (∵ ex>0)
x y 0 y 2 y
f`'(x) + - 0 +
f(x) ↗ ↘ ↗
따라서 함수 f(x)는 구간 (-¦, 0) 또는 구간 (2, ¦)에서 증 가하므로 M=0, m=2
∴ M+m=2 ④
09
전략 함수 f(x)가 모든 실수 x에 대하여 감소하면 f`'(x)É0임을 이용한다.풀이 f(x)=(xÛ`+ax+5)e-x에서 f`'(x) =(2x+a)e-x-(xÛ`+ax+5)e-x
={-xÛ`+(2-a)x+a-5}e-x
함수 f(x)가 실수 전체의 집합에서 감소하려면 모든 실수 x에 대하여 f`'(x)É0, 즉 -xÛ`+(2-a)x+a-5É0이어야 한다.
이차방정식 -xÛ`+(2-a)x+a-5=0의 판별식을 D라 하면 D=(2-a)Û`+4(a-5)É0, aÛ`-16É0
(a+4)(a-4)É0 ∴ -4ÉaÉ4 따라서 정수 a는
-4, -3, -2, y, 4
의 9개이다. ⑤
10
전략 f`'(x)=0을 만족시키는 x의 값을 구한 후 증감표를 이용한다.풀이 f(x)=ex(sin`x+cos`x)에서
f`'(x) =ex(sin`x+cos`x)+ex(cos`x-sin`x)
=2ex cos`x
f`'(x)=0에서 cos`x=0 (∵ ex>0) ∴ x= p2 또는 x=3
2p (∵ 0<x<2p) y ❶
x 0 y p
2 y 3
2p y 2p
f`'(x) + 0 - 0 +
f(x) ↗ e;2Ò; ↘ -e;2#; p ↗
따라서 함수 f(x)는 x= p2 에서 극댓값 e;2Ò;, x= 32 p에서 극솟값
-e;2#;p을 가지므로
a=e;2Ò;, b=-e;2#;p y ❷
∴ ln|ab|=ln|-e2p|=2p y ❸
2p
채점 기준 비율
❶ f`'(x)=0을 만족시키는 x의 값을 구할 수 있다. 30%
❷ a, b의 값을 구할 수 있다. 50%
❸ ln|ab|의 값을 구할 수 있다. 20%
11
전략 미분가능한 함수 f(x)가 x=p에서 극값 q를 가지면 f(p)=q, f`'(p)=0임을 이용한다.풀이 f(x)= axÛ`+2x+b xÛ`+1 에서
f`'(x) =(2ax+2)(xÛ`+1)-(axÛ`+2x+b)´2x (xÛ`+1)Û`
=-2xÛ`+2(a-b)x+2 (xÛ`+1)Û`
함수 f(x)가 x=1에서 극댓값 4를 가지므로 f(1)=4, f`'(1)=0
a+2+b
2 =4, -2+2(a-b)+2
4 =0
∴ a+b=6, a-b=0
위의 두 식을 연립하여 풀면 a=3, b=3 따라서 f(x)= 3xÛ`+2x+3
xÛ`+1 , f`'(x)= -2xÛ`+2
(xÛ`+1)Û`= -2(x+1)(x-1) (xÛ`+1)Û` 이므로 f`'(x)=0에서 x=-1 또는 x=1
x y -1 y 1 y
f`'(x) - 0 + 0
-f(x) ↘ 2 ↗ 4 ↘
따라서 함수 f(x)는 x=-1에서 극솟값 2를 갖는다. 2
12
전략 3x=t (t>0)로 놓고 주어진 함수 f(x)를 t에 대한 함수로 나 타낸다.풀이 f(x)=33x-4´3x+1+a=33x-12´3x+a 3x=t로 놓으면 3x>0, 즉 t>0이고
f(t)=tÜ`-12t+a
∴ f`'(t)=3tÛ`-12=3(t+2)(t-2) f`'(t)=0에서 t=2 (∵ t>0)
t 0 y 2 y
f`'(t) - 0 +
f(t) ↘ a-16 ↗
따라서 함수 f(t)는 t=2에서 극솟값 a-16을 갖는다.
즉 a-16=5이므로 a=21 21
다른 풀이 f`'(x) =33x´ln 3´3-4´3x+1´ln 3
=3x+1(9x-4)ln 3
f`'(x)=0에서 9x-4=0 ∴ x=log £ 2 즉 함수 f(x)는 x=log £ 2에서 극솟값 5를 가지므로 33 log £ 2-4´3log £ 2+1+a=5
8-4´2´3+a=5 ∴ a=21
13
전략 함수 f(x)가 x>0에서 극댓값과 극솟값을 모두 가지려면 이차 방정식 f`'(x)=0이 서로 다른 두 양의 실근을 가져야 함을 이용한다.http://hjini.tistory.com
본책
174 ~ 175쪽Ⅲ. 미분법
79
08
도함수의 활용 ⑴풀이 f(x)=4 ln x+ ax -x에서 x>0이고 f`'(x) = 4x - a
xÛ`-1=-xÛ`-4x+a
xÛ` y ❶
함수 f(x)가 x>0에서 극댓값과 극솟값을 모두 가지려면 방정 식 f`'(x)=0이 서로 다른 두 양의 실근을 가져야 하므로 g(x)=xÛ`-4x+a로 놓으면 이차방정식 g(x)=0이 서로 다른
두 양의 실근을 가져야 한다. y ❷
Ú 이차방정식 g(x)=0의 판별식을 D라 하면 Ü D4=4-a>0 ∴ a<4
Û (두 근의 합)=4>0 Ü (두 근의 곱)=a>0 이상에서 상수 a의 값의 범위는
0<a<4 y ❸
0<a<4
14
전략 접선의 방정식을 이용하여 점 Q의 좌표를 구한다.풀이 f(x)=2x'§x =2x;2#;으로 놓으면 f`'(x)=3'§x
점 P(t, 2t't )에서의 접선의 기울기가 f`'(t)=3't 이므로 접선 의 방정식은
y-2t't=3't (x-t) ∴ y=3't x-t't 위의 식에 y=0을 대입하면
0=3't x-t't ∴ x= t3 따라서 Q{ t3 , 0}이므로
PQÓ =¾Ð{t- t3 }Û`+(2t't )Û` =®É4tÜ`+ 49 tÛ`
∴ lim
t 4Ú ¦`PQÓ t't=lim
t 4Ú ¦` ®É4tÜ`+ 49tÛ`
"ÅtÜ` =lim
t 4Ú ¦`®É4+ 49t
='4=2 ③
15
전략 곡선 y=f(x) 위의 x=a인 점에서의 접선과 수직인 직선의 기 울기는 - 1f`'(a)임을 이용한다. (단, f`'(a)+0) 풀이 점 (e, -e)는 곡선 y=f(x) 위의 점이므로 f(e)=-e
g(x)=f(x)ln xÝ`=4 f(x) ln x에서 g`'(x) =4 f`'(x)ln x+4 f(x)´1
x
채점 기준 비율
❶ f`'(x)를 구할 수 있다. 30%
❷ g(x)=0이 서로 다른 두 양의 실근을 가져야 함을 알 수 있다. 30%
❸ a의 값의 범위를 구할 수 있다. 40%
=4 f`'(x)ln x+4 f(x) x ∴ g`'(e)=4 f`'(e)ln e+4´(-e)
e =4 f`'(e)-4
이때 x=e인 점에서 두 곡선 y=f(x)와 y=g(x)의 접선이 서로 수직이므로
f`'(e)g`'(e)=-1 f`'(e){4 f`'(e)-4}=-1
4{ f`'(e)}Û`-4 f`'(e)+1=0, {2 f`'(e)-1}Û`=0 ∴ f`'(e)= 12 ∴ 100 f`'(e)=50
50
16
전략 이계도함수를 이용하여 극대´극소를 판정한다.풀이 f(x)= sin`xe2x =e-2x sin`x에서
f`'(x)=-2e-2x sin`x+e-2x cos`x=e-2x (-2 sin`x+cos`x) f`"(x) =-2e-2x (-2 sin`x+cos`x)+e-2x (-2 cos`x-sin`x)
=e-2x (3 sin`x-4 cos`x)
이때 함수 f(x)가 x=a에서 극솟값을 가지므로 f`'(a)=0, f`"(a)>0
f`'(a)=0에서 e-2a (-2 sin`a+cos`a)=0 cos`a=2 sin`a (∵ e-2a>0)
∴ tan`a= 12
f`"(a)=e-2a (3 sin`a-4 cos`a)>0에 cos`a=2 sin`a를 대입하면 e-2a (-5 sin`a)>0 ∴ sin`a<0 (∵ e-2a>0)
따라서 tan`a= 12 >0이고 sin`a<0이므로 p<a<3 2p 한편 secÛ``a=1+tanÛ``a=1+1
4 =5 4 이므로 cos`a= 1sec`a =-2'5
5 {∵ p<a< 32p} ①
다른 풀이 f(x)= sin`xe2x 에서 f`'(x) =cos`x´e2x-sin`x´2e2x
(e2x)Û` =- 2 sin`x-cos`x e2x
=- '5 sin(x-a)
e2x {단, cos`a= 2'5, sin`a= 1 '5 } f`'(x)=0에서 sin(x-a)=0
이때 0<x<2p에서 -a<x-a<2p-a이므로 x-a=0 또는 x-a=p
∴ x=a 또는 x=p+a
x 0 y a y p+a y 2p
f`'(x) + 0 - 0 +
f(x) ↗ 극대 ↘ 극소 ↗
따라서 함수 f(x)는 x=p+a에서 극솟값을 가지므로