수리논술, 이게 다다.

생활과학·미디어 3번

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문제

[문항 3] 제시문 (ㄱ)~(ㄷ)을 읽고 문제(논제 1, 논제 2)에 답하시오. (40점)

(ㄱ) 용액의 산성도는 용액의 수소 이온 농도에 따라 정해진다. 이때, 수소 이온 농도는 매우 작은 값이어서 pH\displaystyle pH라는 수소 이온 지수로 용액의 산성도를 나타낸다. 용액의 수소 이온 농도가 xM\displaystyle xM일 때, pH\displaystyle pH값 y\displaystyle y는 다음과 같이 주어진다. (여기에서 M\displaystyle M은 농도의 단위이다.)

y=−log⁡10x\displaystyle y=-\log_{10}x

(ㄴ) 수소 이온 농도가 각각 0.01 M,0.02 M,⋯ ,0.10 M\displaystyle 0.01\,M,0.02\,M,\cdots,0.10\,M인 서로 다른 10\displaystyle 10개의 용액 A1,A2,⋯ ,A10\displaystyle A_1,A_2,\cdots,A_{10}이 있다. 즉, 용액 An\displaystyle A_n의 수소 이온 농도는 n100M\displaystyle \frac n{100}M이다. (단, n=1,2,⋯ ,10\displaystyle n=1,2,\cdots,10)

(ㄷ) 용액 An\displaystyle A_n의 pH\displaystyle pH값을 Pn\displaystyle P_n이라고 하자. (단, n=1,2,⋯ ,10\displaystyle n=1,2,\cdots,10)

논제 1. (20점) 수소 이온 농도가 0.0015 M\displaystyle 0.0015\,M인 용액의 pH\displaystyle pH값을 p2,p3\displaystyle p_2,p_3로 나타내시오.

논제 2. (20점) 10\displaystyle 10개의 용액 A1,A2,⋯ ,A10\displaystyle A_1,A_2,\cdots,A_{10}중 서로 다른 세 가지 용액을 선택하여 그 용액의 pH\displaystyle pH값을 알아보았더니 그 값이 등차수열을 이루었다. 선택된 세 가지 용액의 가능한 조합을 모두 열거하고 그 근거를 논술하시오.

해설강의 준비중
+10점

p2=−log⁡102100=2−log⁡102\displaystyle p_2=-\log_{10}\frac2{100}=2-\log_{10}2이고, p3=−log⁡103100=2−log⁡103\displaystyle p_3=-\log_{10}\frac3{100}=2-\log_{10}3이다.따라서, log⁡102=2−p2,  log⁡103=2−p3\displaystyle \log_{10}2=2-p_2,\;\log_{10}3=2-p_3이다.

+10점

수소 이온 농도가 0.0015 M\displaystyle 0.0015\,M인 용액의 pH\displaystyle pH값은−log⁡101510000=4−log⁡1015=4−log⁡103−log⁡105=4−log⁡103−(1−log⁡102)=3−log⁡103+log⁡102=3−(2−p3)+(2−p2)=3+p3−p2\displaystyle \begin{aligned}-\log_{10}\frac{15}{10000}&=4-\log_{10}15\\&=4-\log_{10}3-\log_{10}5\\&=4-\log_{10}3-(1-\log_{10}2)\\&=3-\log_{10}3+\log_{10}2\\&=3-(2-p_3)+(2-p_2)\\&=3+p_3-p_2\end{aligned}이다.

+10점

선택된 세 용액을 An,Am,Al\displaystyle A_n,A_m,A_l이라고 하자. (단, 1≤n<m<l≤10\displaystyle 1\le n<m<l\le10)이 세 용액의 pH\displaystyle pH값은 각각 2−log⁡10n,  2−log⁡10m,  2−log⁡10l\displaystyle 2-\log_{10}n,\;2-\log_{10}m,\;2-\log_{10}l이다.이 세 값이 등차수열을 이루므로 2−log⁡10m=12(2−log⁡10n+2−log⁡10l)\displaystyle 2-\log_{10}m=\frac12(2-\log_{10}n+2-\log_{10}l)을 만족한다.따라서 2log⁡10m=log⁡10nl\displaystyle 2\log_{10}m=\log_{10}nl이 성립한다. 즉, m2=nl\displaystyle m^2=nl이다.

+10점

m\displaystyle m은 2≤m≤9\displaystyle 2\le m\le9범위의 자연수이므로 각각의 m\displaystyle m의 값에 대해 가능한 n,l\displaystyle n,l을 구하도록 하자.m=2:  nl=4\displaystyle m=2:\;nl=4이고 1≤n<m<l≤10\displaystyle 1\le n<m<l\le10이므로 n=1,l=4\displaystyle n=1,l=4이다.m=3:  nl=9\displaystyle m=3:\;nl=9이고 1≤n<m<l≤10\displaystyle 1\le n<m<l\le10이므로 n=1,l=9\displaystyle n=1,l=9이다.m=4:  nl=16\displaystyle m=4:\;nl=16이고 1≤n<m<l≤10\displaystyle 1\le n<m<l\le10이므로 n=2,l=8\displaystyle n=2,l=8이다.m=5:  nl=25\displaystyle m=5:\;nl=25이고 1≤n<m<l≤10\displaystyle 1\le n<m<l\le10을 만족하는 자연수 n,l\displaystyle n,l은 없다.m=6:  nl=36\displaystyle m=6:\;nl=36이고 1≤n<m<l≤10\displaystyle 1\le n<m<l\le10이므로 n=4,l=9\displaystyle n=4,l=9이다.m=7:  nl=49\displaystyle m=7:\;nl=49이고 1≤n<m<l≤10\displaystyle 1\le n<m<l\le10을 만족하는 자연수 n,l\displaystyle n,l은 없다.m=8:  nl=64\displaystyle m=8:\;nl=64이고 1≤n<m<l≤10\displaystyle 1\le n<m<l\le10을 만족하는 자연수 n,l\displaystyle n,l은 없다.m=9:  nl=81\displaystyle m=9:\;nl=81이고 1≤n<m<l≤10\displaystyle 1\le n<m<l\le10을 만족하는 자연수 n,l\displaystyle n,l은 없다.따라서, 가능한 세 용액의 조합은(A1,A2,A4),  (A1,A3,A9),  (A2,A4,A8),  (A4,A6,A9)\displaystyle (A_1,A_2,A_4),\;(A_1,A_3,A_9),\;(A_2,A_4,A_8),\;(A_4,A_6,A_9)의 총 4\displaystyle 4가지 경우이다.

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