수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

문제 1 (20점)

아파트 신축 과정에서 사용한 건축 재료에는 휘발성 성분인 벤젠을 비롯한 각종 유기화합물들이 포함되어 있다. 신축 아파트 입주민들이 이를 지속적으로 흡입하게 되면 두통이 발생하는 등 새집 증후군이라고 알려진 증상이 나타나기도 한다. 벤젠(C6H6\displaystyle \mathrm{C}_{6}\mathrm{H}_{6})은 국제 암연구소에서 제시한 물질별 위해성 등급에 따르면 1급 발암물질로 알려져 있다. 이에 정부에서는 신축 아파트의 실내공기질 권고기준을 마련하였으며, 이 중 벤젠 농도는 30 ㎍/㎥ 이하로 설정되어 있다.

신축 아파트 A의 완공 직후 실내공기질 검사 결과, 벤젠 농도가 150 ㎍/㎥ 으로 측정되었으며, 벤젠 농도는 다음의 조건 (가), (나)에 따라 변동한다.

(가) 창문을 열어 환기하는 경우, [그림 1]과 같이 창문을 열기 직전 벤젠 농도가 a\displaystyle a ㎍/㎥ 이면, 환기 시작 후 t\displaystyle t시간이 경과했을 때, 벤젠 농도 C=a×0.4t\displaystyle C=a\times0.4^{t} ㎍/㎥ 이다.

(나) 창문을 닫아 놓는 경우, [그림 2]와 같이 창문을 닫기 직전 벤젠 농도가 b\displaystyle b ㎍/㎥ 이면, 창문을 닫은 후 s\displaystyle s시간이 경과했을 때, 벤젠 농도 C=b×1.25s\displaystyle C=b\times1.25^{s} ㎍/㎥ 이다.

[그림 1]은 창문을 연 후 경과 시간 t에 따라 벤젠 농도가 C = a×0.4^t로 줄어드는 그래프, [그림 2]는 창문을 닫은 후 경과 시간 s에 따라 C = b×1.25^s로 늘어나는 그래프.

(다) 신축 아파트 A의 벤젠 농도를 대략적으로 알아보기 위해 log⁡2\displaystyle \log2 는 0.3으로 계산한다. 예를 들어, log⁡5=log⁡10−log⁡2=1−log⁡2\displaystyle \log5=\log10-\log2=1-\log2 이므로, log⁡5\displaystyle \log5 는 1−0.3=0.7\displaystyle 1-0.3=0.7로 계산한다.

(1) 완공 직후부터 창문을 열어 환기하기 시작하면 몇 시간 후 벤젠 농도가 실내공기질 권고기준을 만족하게 되는지 구하시오.

(2) 매일 일정한 t\displaystyle t시간 동안 창문을 열어 환기한 후, 나머지 24−t\displaystyle 24-t시간 동안은 창문을 닫아 놓으려 한다. 완공 직후부터 벤젠 농도가 실내공기질 권고기준을 위반하는 시간의 총합을 최소화하려면 적어도 몇 시간 이상 매일 환기해야 하는지 구하시오.

(3) 완공 직후부터 2시간 동안 창문을 열어 환기한 후, 6시간 동안 창문을 닫아놓는 방식으로 창문 열고 닫기를 주기적으로 반복할 경우, 최소 몇 시간 후 입주가 가능한지 구하시오. (단, 입주 후에도 같은 방식으로 계속 환기하며, 벤젠 농도가 실내공기질 권고기준을 항상 만족해야 한다.)

해설강의 준비중
4점 만점 · 적절한 부등식을 제시함 (3점) 농도가 권고기준을 만족하게 되는 시간을 올바르게 계산하여 구함 (1점)

(1) 창문을 열어두었을 때 t\displaystyle t시간 후 벤젠 농도(C\displaystyle C)가 기준치 이하(30 ㎍/㎥ 이하)로 내려갔다면 C=150(0.4)t≤30\displaystyle C=150(0.4)^{t}\le30 이다. 로그함수를 이용하여 이 부등식을 풀면(0.4)t≤0.2\displaystyle (0.4)^{t}\le0.2t×log⁡0.4≤log⁡0.2\displaystyle t\times\log0.4\le\log0.2t×log⁡410≤log⁡210\displaystyle t\times\log\frac{4}{10}\le\log\frac{2}{10}t×(log⁡4−log⁡10)≤log⁡2−log⁡10\displaystyle t\times(\log4-\log10)\le\log2-\log10t×(2log⁡2−log⁡10)≤log⁡2−log⁡10\displaystyle t\times(2\log2-\log10)\le\log2-\log10(log⁡2=0.3\displaystyle \log2=0.3으로 주어졌으므로 log⁡4\displaystyle \log4를 2log⁡2\displaystyle 2\log2로 변환하여 계산)t×(2×0.3−1)≤0.3−1\displaystyle t\times(2\times0.3-1)\le0.3-1t×(−0.4)≤−0.7\displaystyle t\times(-0.4)\le-0.7 (※ log⁡0.4=−0.4\displaystyle \log0.4=-0.4, log⁡0.2=−0.7\displaystyle \log0.2=-0.7)t≥1.75\displaystyle t\ge1.75 또는 74\displaystyle \frac{7}{4} 이다.즉, 1.75시간 (= 74\displaystyle \frac{7}{4}시간 = 1시간 45분) 후 권고기준을 만족하게 된다.

8점 만점 · 적절한 부등식을 제시함 (3점) log0.2, log0.4, log1.25를 모두 log2와 연관된 형태로 변환함 (4점) 구하는 환기 시간을 올바르게 계산하여 얻음 (1점)

(2) 문제에서와 같이 24시간마다 일정하게 환기를 반복할 때 벤젠 농도가 30 이상인 시간의 총합을 최소화하려면 처음 24시간 경과했을 때 벤젠 농도가 30 이하이어야 한다. 즉, 처음 창문을 열어 t\displaystyle t시간 동안 환기시킨 후 창문을 닫고 24−t\displaystyle 24-t시간 지났을 때 30 ㎍/㎥ 이하가 되면 된다. 이를 부등식으로 나타내면150(0.4)t(1.25)24−t≤30\displaystyle 150(0.4)^{t}(1.25)^{24-t}\le30

이고 이를 로그함수를 이용하여 풀면(0.4)t(1.25)24−t≤0.2\displaystyle (0.4)^{t}(1.25)^{24-t}\le0.2t×log⁡0.4+(24−t)×log⁡1.25≤log⁡0.2\displaystyle t\times\log0.4+(24-t)\times\log1.25\le\log0.2(※ log⁡1.25=log⁡25100=log⁡25−log⁡100=3log⁡5−2log⁡10=3×0.7−2=0.1\displaystyle \log1.25=\log\frac{25}{100}=\log25-\log100=3\log5-2\log10=3\times0.7-2=0.1)Correction. 1.25=125100\displaystyle 1.25=\frac{125}{100}이므로 log⁡25100\displaystyle \log\frac{25}{100}과 log⁡25\displaystyle \log25의 25\displaystyle 25는 모두 125\displaystyle 125여야 한다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.t×(−0.4)+(24−t)×(0.1)≤−0.7\displaystyle t\times(-0.4)+(24-t)\times(0.1)\le-0.7t×(−0.4−0.1)≤−0.7−24×0.1\displaystyle t\times(-0.4-0.1)\le-0.7-24\times0.1t×(−0.5)≤−3.1\displaystyle t\times(-0.5)\le-3.1t≥6.2\displaystyle t\ge6.2 또는 315\displaystyle \frac{31}{5} 이다.즉, 매일 적어도 6.2시간 (= 315\displaystyle \frac{31}{5}시간 = 6시간 12분) 동안 환기해야 한다.

8점 만점 · 적절한 부등식을 제시함 (3점) 적어도 네 번 창문 열고 닫기를 반복해야 됨을 구하고 24시간에서 32시간 사이에 구하는 답이 존재함을 설명함 (4점) 문항에서 요구하는 답을 올바르게 계산하여 구함 (1점)

(3) 문제에서와 같이 8시간마다 일정하게 환기를 반복할 때 8시간마다 벤젠 농도는 직전 농도에 0.42×1.256\displaystyle 0.4^{2}\times1.25^{6}을 곱한 값이 된다. 8시간씩 n\displaystyle n번 지난 후 벤젠 농도가 30 ㎍/㎥ 이하가 되었다면150(0.4)2n(1.25)6n≤30\displaystyle 150(0.4)^{2n}(1.25)^{6n}\le30

이다. 이를 (1), (2)에서와 같이 로그함수를 이용하여 풀면 n≥3.5\displaystyle n\ge3.5이다. n\displaystyle n은 정수이므로 n=4\displaystyle n=4이다. 즉, 8×3=24\displaystyle 8\times3=24시간 후(n=3\displaystyle n=3) 벤젠 농도는 30보다 크지만 8×4=32\displaystyle 8\times4=32시간 후(n=4\displaystyle n=4) 벤젠 농도는 30보다 작게 된다.그런데, 24시간과 32시간 사이에 벤젠 농도가 30 이하로 내려가는 때가 있고 그 이후에는 항상 벤젠 농도가 30 이하이다. 이 시점을 24+t\displaystyle 24+t라 하면 (단, 0<t<8\displaystyle 0<t<8)150(0.4)6(1.25)18(0.4)t≤30\displaystyle 150(0.4)^{6}(1.25)^{18}(0.4)^{t}\le30

이고, 이를 로그함수를 이용하여 풀면(0.4)6(1.25)18(0.4)t≤0.2\displaystyle (0.4)^{6}(1.25)^{18}(0.4)^{t}\le0.26×log⁡0.4+18×log⁡1.25+t×log⁡0.4≤log⁡0.2\displaystyle 6\times\log0.4+18\times\log1.25+t\times\log0.4\le\log0.26×(−0.4)+18×(0.1)+t×(−0.4)≤−0.7\displaystyle 6\times(-0.4)+18\times(0.1)+t\times(-0.4)\le-0.7t×(−0.4)≤−0.1\displaystyle t\times(-0.4)\le-0.1t≥0.25\displaystyle t\ge0.25 이다.즉, 24+0.25=24.25\displaystyle 24+0.25=24.25시간 (= 974\displaystyle \frac{97}{4}시간 = 24시간 15분) 후 입주가 가능하다.

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