문제
해설
경과된 시간이 t 일 때 x 만큼 반응하였다고 한다면 [A]t=[A]0−x, [B]t=[B]0−2x 이다.
v=dtdx=k[A]t[B]t2=k([A]0−x)([B]0−2x)2
양변에 dt 를 곱하면 ([A]0−x)([B]0−2x)2dx=kdt
k 를 구하기 위해서는 양변을 적분하여 ∫0tkdt=kt 를 도출해야 하므로, 좌변의 적분을 용이하게 하기 위해
([A]0−x)([B]0−2x)2dx=[A]0−xp+([B]0−2x)24px+q 형태로 변환하자.
이는 [A]0−xp를 우선 잡은 후에, 분모를 ([A]0−x)([B]0−2x)2 로 통분하였을 때 분자의 이차항이 0 이 되도록 ([B]0−2x)24px+q 의 일차항을 잡은 것이다.
양변을 통분한 후 양변에 ([A]0−x)([B]0−2x)2 를 곱하면
1=p([B]0−2x)2+(4px+q)([A]0−x)=[B]02p−4[B]0px+4px2+4[A]0px−4px2+[A]0q−q
(4[A]0p−4[B]0p−q)x+([B]02p+[A]0q−1)=0
4([A]0−b)p=q, [B]0p+[A]0q=1
[B]02p+4[A]0([A]0−[B]0)p=1
(4[A]02−4[A]0[B]0+4[B]02)p=1
p=(2[A]0−[B]0)21, q=(2[A]0−[B]0)24([A]0−[B]0)
∴([A]0−x)([B]0−2x)21=(2[A]0−[B]0)21×{[A]0−x1+([B]0−2x)24x+4([A]0−[B]0)} 이므로,
[(2[A]0−[B]0)21×{[A]0−x1+([B]0−2x)24x+4([A]0−[B]0)}]dx=kdt
∫0tkdt=∫0x([A]0−x)([B]0−2x)2dx=(2[A]0−[B]0)21×∫0x{[A]0−x1+([B]0−2x)24x+4([A]0−[B]0)}dx=(2[A]0−[B]0)21×{∫0x[A]0−x1dx+∫0x([B]0−2x)24xdx+∫0x([B]0−2x)24([A]0−[B]0)dx}
∫0x([B]0−2x)24xdx 를 구하기 위해 치환적분하자.
앞에서 [B]0−2x=[B]t 였다. x=2[B]0−[B]t, −2dx=d[B]t 이므로,
∫0x[B]t24xdx=∫[B]0[B]0−2x−([B]t)2[B]0−[B]td[B]t=∫[B]0−2x[B]0([B]t2[B]0−[B]t1)d[B]t=[−[B]t[B]0−ln[B]t][B]0−2x[B]0
∫0tkdt=(2[A]0−[B]0)21×{[−ln([A]0−x)]0x+[−[B]t[B]0−ln[B]t][B]0−2x[B]0+[2([B]0−2x)4([A]0−[B]0)]0x}=(2[A]0−[B]0)21×[{−ln([A]0−x)+ln[A]0}+{−1+[B]0−2x[B]0+ln[B]0[B]0−2x}+{[B]0−2x2([A]0−[B]0)−[B]02([A]0−[B]0)}]=(2[A]0−[B]0)21×{[B]0−2x2[A]0−[B]0−[B]02[A]0−[B]0+ln[B]0([A]0−x)[A]0([B]0−2x)}=(2[A]0−[B]0)21×{[B]0([B]0−2x)2(2[A]0−[B]0)x+ln[B]0([A]0−x)[A]0([B]0−2x)}=(2[A]0−[B]0)21×{[B]0[B]t2(2[A]0−[B]0)x+ln[B]0[A]t[A]0[B]t}=(2[A]0−[B]0)[B]0[B]t[B]0−[B]t+(2[A]0−[B]0)21ln[B]0[A]t[A]0[B]t(∵2x=[B]0−[B]t)=(2[A]0−[B]0)1×([B]t1−[B]01)+(2[A]0−[B]0)21ln[B]0[A]t[A]0[B]t
(2[A]0−[B]0)2×kt=(2[A]0−[B]0)×([B]t1−[B]01)+ln[B]0[A]t[A]0[B]t
ln[A]t[B]t+[B]t2[A]0−[B]0=(2[A]0−[B]0)2×kt+[B]02[A]0−[B]0−ln[B]0[A]0
⎩⎨⎧f([A]0,[B]0)g([A]0,[B]0)h([A]0,[B]0)=2[A]0−[B]0=(2[A]0−[B]0)2=[B]02[A]0−[B]0−ln[B]0[A]0
p[A]0+q[B]0f([A]0,[B]0)a×g([A]0,[B]0)b=[B]02[A]0−[B]0
p[A]0+q[B]0(2[A]0−[B]0)a+2b=[B]02[A]0−[B]0 이 항등식이 되기 위해서는 a+2b=1, p=0, q=1 이 되어야 한다.
a+2b=1 을 만족하는 실수 a, b 에 대하여 ab 의 최댓값을 구하기 위해, ab=α 라고 두자.
우리가 구하고자 하는 것은 ‘최댓값’이므로, α≥0 일 때를 우선적으로 검토할 것이다.
만약 α>0 일 때 a+2b=1 을 만족하는 실수 a, b 가 없다면, α<0 일 때를 검토하면 된다.
b=−21a+21 와 b=aα(α>0) 를 ab 좌표평면에 나타낼 때, 두 그래프는 오직 제1사분면에서만 만난다.
이때 a≥0, b≥0 이며, 산술-기하평균을 사용하면 a+2b=1≥22ab
2ab≤21; ab≤81
ab=81 일 때 a=2b 이므로, a=21=m, b=41=n
∴m+n+p+q≤21+41+0+1=47=M
16M=28
정답
28
풀이를 막상 까보면 단순 계산이 위주인 문제이지만, 비주얼로 압도하는 문제이다. [A]0, [B]0 문자를 a, b로 간단하게 표현한 다음, 식을 하나하나씩 정리해나가다보면 수월하게 풀릴 것이다.
History
- 최초 출제일: 2022.10.26.
- 해설 작성일: 2022.10.26.
- 웹 업로드일: 2023.02.06.