第16卷第5期
2006年10月长春大学学报JOURNAI。OFCHANGCHUNUNIVERSITYV01.16No.5Oct.2()016文章编号:1009—3907(2006)05-0017—04
关于积分因子的讨论
温启军1,张丽静2
(1.氏春大学理学院,吉林长春130022;2.延吉市第三高中,吉林延吉133000)
摘要:采用积分因子方法将一阶微分方程转化为全微分方程是求解微分方程一个重要手段,讨论
了积分因子存在的充要条件及确定若干特殊类型积分因子的准则;通过实例来说明准则的应用方
法。
关键词:微分方程;全微分方程;积分因子;存在准则
中图分类号:0175.1文献标识码:A
0引言
一阶微分方程的求解是整个微分方程求解的基础,一般的有两种处理方式:一是以变量可分离的方程为基础,通过适当的变量代换把一阶微分方程化为可积型方程;另外就是以全微分方程为基础,采取积分因子法把一个一阶微分方程化为全微分方程求解。然而寻找积分因子不是容易的事情,一般的教科书只介绍了依据经验或者通过观察来寻找积分因子。这里我们讨论了积分因子存在的充要条件,给出了确定若于特殊类型的积分因子的准则,最后通过实际例子来说明准则的应用方法。
1积分因子存在的充要条件
1.1积分因子
对于一阶微分方程Pdx+Qdy=0。(1)定义1:若方程左端恰好是U(x,y)的全微分,即有du=P池+Qdy=警出+等曲,称方程(1)是全微分方程,其通解是V(x,Y)=c…。并且,当P,Q在平面内某单连通区域G内具有一阶连续偏导数时,要使方程(1)成为全微分方程的充要条件是芒:磐在G内恒成立。在O.P,o_。_Q_的情形下dVdxOyd石
积分因子Ⅲ。例如:7擢ydx一戈dy=o不是全微分方程,但是由于d(÷)=学,可知砉是一个积分因子。可以验证土,{也都是该方程的积分因子。
xy戈。定义2:如果存在不为零的函数肛(戈,Y)使胪dx+tzQdy=0成为全微分方程,则称肛(戈,y)为方程(1)的
1.2积分因子存在的充要条件
命题1:对于方程(1),=.,,O、P,O、Q时,/z(茗,,J)是其积分因子的充要条件是
收稿日期:2006—05—14
基金项目:全国教育科学“十五”规划教育都重点课题(DHB010678)
作者简介:温启军(]973一),男,l匹lJil省绵竹县人,长春大学理学院讲师,硕士,主要从事摹础数学的教学及课程与教学沦方向研究。
18长春大学学报第16卷
肛(筹一警)=Q詈一P丝Oy。(2)
证明:p(算,y)是积分因子铮丛笋=丛笋邰筹+P考=p警+Q詈邰(筹一警)=Q警一P亟Oy。
命题2:对于枣程(1),当蒡≠警时,p(茗,,,)是其积分因子的充要条件是
(訾Q—O妙lnlzp=筹一警。(3)
证明:肛(菇∽是积分因子铮警笋=亟笋部筹+P巫Oy=肛警+Qmox’i比㈧o”y‘P一五10d1石兰.Q=a缸Q一望Oy甘al_坐naQ—aJ_坐e:aP一煦。OxOyOyOx。
2确定积分因子的若干准则
准则l:若面l、oaPy一警)仅是关于石的函数,设万1。面OP—aa-等x)=妒(髫)则方程(1)有积分因子p=exp[』妒(菇)出]。(不定积分常数取C=o,下面各准则中均取C=0)。
证明:如果弘=p(戈),则充要条件(2)中考=oj吉警=百1。万OP一等)等警=面1(、OaPy一警)。
因此当上式右端仅为石的函数时,设为妒(石),方程(2)有积分因子肛=exp[知(石)如]。
准则2:若与(OdP',一警)仅是关于),的函数,设击(OdPy一警)=妒(),),则方程(1)有积分因子弘=exp[肺(),)dy]。(证明略)
准则3:,。Q一1P、(O以P一警)仅是关于(石+y)的函数,设歹与(等一警)=妒(石+),),则方程(1)有积分因
子p=exp[』妒(茗+Y)d(x+Y)]。
证明:若肛仅是关于(戈+,,)的函数,即p=p(z+y),设z=石+,,;此时p满足(3)式,有背%Q一甓,P=筹一盟Ox,也即警=‘歹b)(筹一警),因此,当上式右端仅是(x+,,)的函数时,设为妒(石+y),方程(1)有积分因子p=exp[,9(z+y)d(髫+y)]。类似地有:
准则4:若Fb‘面OP一警)仅是关于(石一),)的函数,设Fb(筹一警)=妒(x-y),则方程(1)有积分因子p=exp[加(髫一y)d(x—Y)]。(证明略)准则5:若五嚣歹j丢知(OdPy一警)仅是石my8的函数时,
设瓦i了j可≥虿j历两(箐一警)=妒(戈“),“),则方程(1)有积分因子/x=exp[f妒(戈“),“)d(戈4),8)]。证明:设p=/x(x”Y“),令z=戈”Y“,则弘满足式(3),即訾妾Q一静=筹一署j警[臌m--lyttQ—w“,,一1P]=等一署j业dz=7
石m-IY”1(myQ一妒)、Oy1r塑一煦、Ox7
因此,仅当上式右端是0y“的函数时,设为妒(菇“),“),方程(1)有积分因子肛=exp[fq,(茹“),8)d(z“y“)]。
类似地有:
准则6.(yQ-1xP)(等~警)仅是秒的函数时,设志(等一警)=≯(衫)测方程(1)有积分因子
第5期温启军,等:关于积分因子的讨论19弘=exp[』qo(xy)d(xy)]。(证明略)
易知,准则6是准则5中m=1,n=1的特殊情形。
准则7:2(xQl(oP一警)仅是(戈2+严)的函数时,畅苑毫两(箐一署)=妒(戈2+严),则方程(1)有积分因子肛=exp[~(x2+y2)d(x2+y2).】。
证明:设p=p(髫2+y2),令z=z2+y2,则1.t满足(3)式,即:
有絮絮Q一絮争=万OP一等等警[2加一2垆]=石OP一署j业dz=(ZxQ-2yP)Oy一盟缸。
因此,仅当上式右端为(x2+y2)的函数时,设为妒(菇2+y2),则方程(1)有积分凼于/.t=exp[fg,(x2+y2)d(x2+广)]。
有积分因子肛=exp[妒(石2一y2)d(x2一y2)]。(证明略)准则8:双面1一∥,(OdPy一警)仅是(石2一,)的函数时,设南(蒡一警)=妒(x2+y2),则方程(1)
准则9:夏手弓(等一鲁)(口≠o)仅是(省2+町)的函数时,设夏方;(筹一等)=妒(戈2+吖),则方程(1)有积分因子肛=exp[1Iiv(x2+ay)d(x2+町)]。
证明:设肛=p(x2+町),令z=x2+ay,则弘满足(3)式,即:
絮氅Q一等等P=面OP一警j警[2加一叩]=筹一警j警=西丽1一叩,(OdPy一警)。
因此,仅当上式右端为(X2+ay)的函数时,设为妒(石2+ay),则方程(1)有积分因子’肛=exp[妒(戈2+ay)d(x2+oy)]。
准则10:若面{劢(筹一警)(口≠o)仅是(y2+似)的函数时,设面{驴(筹一蓑)=妒(广+似),则方程(1)有积分因子肛=exp[/妒(y2+ax)d(y2+耐)]。
(证明略)
3应用举例
解:P=),+叫+siny,Q=x+cosy,由于万1L,面0P一警)=L鼍掣=1仅是),的函数,由准则2方程有
积分因子肛=exp(Jdy)=e7。
例2:求方程(2石3+3x2Y+),2一y3)dx+(2广+3矿+石2一石3)dy=o的积分因子。
解:P:2茗3+3x2y+广一广,Q=2),3+3石y2d-.,2--3由于歹与(筹一誓)=i专仅是(石+),)的函数,由准则3,方程有积分因子/.t----exp[』(i专)d(z+y)]=(石+y)~。
例3:求黎卡提(R洳神方程口]),’=一广一去的积分因子。
影的函数,由准则6,方程有积分因子p=exp[f‘夏弓‰)d(形)]=(2夥-1)~.exp(器)o解:方程变形龇2+去)以+以=0,P=广+壶,Q=1,由于丽与(筹一署)=砑啬知仅是’4茁V一4芏V+l-一,‘解.P=考_3x2,Q_1号,由于矿尹知(茜一警)=例4:求方程(考一3茗2)出+(1一Xy)dy20的积分因子。
1
万了~(my—mx3~ny+3nx3)(÷+等)=万而二3x)3x+,y而
d(x2令譬二三3j{竺,从而£式右端x去y是关“y2的函数,因此由准则5,方程有积分因子p:exp[』击d(茗3y2)]=戈3,,2。解:P=y,Q=一(x2+y2+x),由于赤(等一警)=瓦毒药仅是(戈2+广)的函数,因此由准则例5:求方程ydx一(戈2+y2+x)dy=o的积分因子。zY7,方程有移',分B:I-T-/2,=exp[’瓦‘-万1j2)]=百‘1一y~2)。
例6:求克莱罗(Clair8m)方程‘43Y=z,.’+y应的积分因子。
赤仅是x2+4y
参考文献:
[1]
[2]
f5]解:方程变形为(x+ ̄/xx2-+4一y)dx+2dy=0,P…∥巧肛2,由于南(等一警)尘f1.(J数,由准则9,方程有积分因子/,t=exp[f端]=
Discussionon。曙—而1同济大学数学教研室.高等数学[M].北京:高等教育出版社,2002:282—283・丁同仁,李承秉.常微分方程教程[M].北京:高等教育出版社,2002.f3]王高雄.常微分方程[M].北京:高等教育出版社,1987.{41刘志权.常微分方程讲义[M].西安:陕西师范大学出版社,1981.刘会民,王新.有关一阶微分方程积分因予的订“算[J].辽宁师范大学学报:自然科学版,2003,26(3):237—340・责任编辑:王晓阳integratingfactors
WENQi-junl,ZHANGLi-jin92
(1.ScienceCollege,ChangchunUniversity,Changchun130022,China;
2.TheThirdSenj(1rMiddleScho{)lofYanji,Yanji133000,China)
facto璐i8姐imp。rL锄tAbst船ct:TransforHlingfirst。rderdifferential。quationt。completedifferentialequati。nbythewayofintegrating
necessarythesufficientandmeanst。seeks。luti。nfordifferentialequati。ns.Thispaperdiscusses
fact。rsand
rules.
Keywords:differentialequation;completec。nditi。nforexistente。fintegratingmles。fdetemIinings。mespecialkindsofintegratingfact。rs.Itals。takess。Hieaetuale]【amplest。explaintheapplicati。nofdifferentialequation;intergrati“gfac£or;existencerules
关于积分因子的讨论
作者:
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年,卷(期):
被引用次数:温启军, 张丽静, WEN Qi-jun, ZHANG Li-jing温启军,WEN Qi-jun(长春大学,理学院,吉林,长春,130022), 张丽静,ZHANG Li-jing(延吉市第三高中,吉林,延吉,133000)长春大学学报(自然科学版)JOURNAL OF CHANGCHUN UNIVERSITY2006,16(5)0次
参考文献(5条)
1. 同济大学数学教研室 高等数学 2002
2. 丁同仁. 李承治 常微分方程教程 2002
3. 王高雄. 周之铭 常微分方程 1987
4. 刘志权 常微分方程讲义 1981
5. 刘会民. 王新 有关一阶微分方程积分因子的计算[期刊论文]-辽宁师范大学学报(自然科学版) 2003(03)
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0 引言
一个一阶微分方程写成P(x,y)dx+Q(x,y)dy=0(1)形式后,如果它的左端恰好是某一个函数u=u(x,y)的全微分:du(x,y)=P(x,y)dx+Q(x,y)dy那么方程(1)就叫做全微分方程.这里(u)/(x)=P(x,y), (u)/(y)=Q(x,y)方程(1)就是du(x,y)=0,其通解为:u(x,y)=C (C为常数)可见,解全微分方程的关键在于求原函数u(x,y).因此,本文将提供一种求原函数u(x,y)的简捷方法,并给出证明.
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第16卷第5期
2006年10月长春大学学报JOURNAI。OFCHANGCHUNUNIVERSITYV01.16No.5Oct.2()016文章编号:1009—3907(2006)05-0017—04
关于积分因子的讨论
温启军1,张丽静2
(1.氏春大学理学院,吉林长春130022;2.延吉市第三高中,吉林延吉133000)
摘要:采用积分因子方法将一阶微分方程转化为全微分方程是求解微分方程一个重要手段,讨论
了积分因子存在的充要条件及确定若干特殊类型积分因子的准则;通过实例来说明准则的应用方
法。
关键词:微分方程;全微分方程;积分因子;存在准则
中图分类号:0175.1文献标识码:A
0引言
一阶微分方程的求解是整个微分方程求解的基础,一般的有两种处理方式:一是以变量可分离的方程为基础,通过适当的变量代换把一阶微分方程化为可积型方程;另外就是以全微分方程为基础,采取积分因子法把一个一阶微分方程化为全微分方程求解。然而寻找积分因子不是容易的事情,一般的教科书只介绍了依据经验或者通过观察来寻找积分因子。这里我们讨论了积分因子存在的充要条件,给出了确定若于特殊类型的积分因子的准则,最后通过实际例子来说明准则的应用方法。
1积分因子存在的充要条件
1.1积分因子
对于一阶微分方程Pdx+Qdy=0。(1)定义1:若方程左端恰好是U(x,y)的全微分,即有du=P池+Qdy=警出+等曲,称方程(1)是全微分方程,其通解是V(x,Y)=c…。并且,当P,Q在平面内某单连通区域G内具有一阶连续偏导数时,要使方程(1)成为全微分方程的充要条件是芒:磐在G内恒成立。在O.P,o_。_Q_的情形下dVdxOyd石
积分因子Ⅲ。例如:7擢ydx一戈dy=o不是全微分方程,但是由于d(÷)=学,可知砉是一个积分因子。可以验证土,{也都是该方程的积分因子。
xy戈。定义2:如果存在不为零的函数肛(戈,Y)使胪dx+tzQdy=0成为全微分方程,则称肛(戈,y)为方程(1)的
1.2积分因子存在的充要条件
命题1:对于方程(1),=.,,O、P,O、Q时,/z(茗,,J)是其积分因子的充要条件是
收稿日期:2006—05—14
基金项目:全国教育科学“十五”规划教育都重点课题(DHB010678)
作者简介:温启军(]973一),男,l匹lJil省绵竹县人,长春大学理学院讲师,硕士,主要从事摹础数学的教学及课程与教学沦方向研究。
18长春大学学报第16卷
肛(筹一警)=Q詈一P丝Oy。(2)
证明:p(算,y)是积分因子铮丛笋=丛笋邰筹+P考=p警+Q詈邰(筹一警)=Q警一P亟Oy。
命题2:对于枣程(1),当蒡≠警时,p(茗,,,)是其积分因子的充要条件是
(訾Q—O妙lnlzp=筹一警。(3)
证明:肛(菇∽是积分因子铮警笋=亟笋部筹+P巫Oy=肛警+Qmox’i比㈧o”y‘P一五10d1石兰.Q=a缸Q一望Oy甘al_坐naQ—aJ_坐e:aP一煦。OxOyOyOx。
2确定积分因子的若干准则
准则l:若面l、oaPy一警)仅是关于石的函数,设万1。面OP—aa-等x)=妒(髫)则方程(1)有积分因子p=exp[』妒(菇)出]。(不定积分常数取C=o,下面各准则中均取C=0)。
证明:如果弘=p(戈),则充要条件(2)中考=oj吉警=百1。万OP一等)等警=面1(、OaPy一警)。
因此当上式右端仅为石的函数时,设为妒(石),方程(2)有积分因子肛=exp[知(石)如]。
准则2:若与(OdP',一警)仅是关于),的函数,设击(OdPy一警)=妒(),),则方程(1)有积分因子弘=exp[肺(),)dy]。(证明略)
准则3:,。Q一1P、(O以P一警)仅是关于(石+y)的函数,设歹与(等一警)=妒(石+),),则方程(1)有积分因
子p=exp[』妒(茗+Y)d(x+Y)]。
证明:若肛仅是关于(戈+,,)的函数,即p=p(z+y),设z=石+,,;此时p满足(3)式,有背%Q一甓,P=筹一盟Ox,也即警=‘歹b)(筹一警),因此,当上式右端仅是(x+,,)的函数时,设为妒(石+y),方程(1)有积分因子p=exp[,9(z+y)d(髫+y)]。类似地有:
准则4:若Fb‘面OP一警)仅是关于(石一),)的函数,设Fb(筹一警)=妒(x-y),则方程(1)有积分因子p=exp[加(髫一y)d(x—Y)]。(证明略)准则5:若五嚣歹j丢知(OdPy一警)仅是石my8的函数时,
设瓦i了j可≥虿j历两(箐一警)=妒(戈“),“),则方程(1)有积分因子/x=exp[f妒(戈“),“)d(戈4),8)]。证明:设p=/x(x”Y“),令z=戈”Y“,则弘满足式(3),即訾妾Q一静=筹一署j警[臌m--lyttQ—w“,,一1P]=等一署j业dz=7
石m-IY”1(myQ一妒)、Oy1r塑一煦、Ox7
因此,仅当上式右端是0y“的函数时,设为妒(菇“),“),方程(1)有积分因子肛=exp[fq,(茹“),8)d(z“y“)]。
类似地有:
准则6.(yQ-1xP)(等~警)仅是秒的函数时,设志(等一警)=≯(衫)测方程(1)有积分因子
第5期温启军,等:关于积分因子的讨论19弘=exp[』qo(xy)d(xy)]。(证明略)
易知,准则6是准则5中m=1,n=1的特殊情形。
准则7:2(xQl(oP一警)仅是(戈2+严)的函数时,畅苑毫两(箐一署)=妒(戈2+严),则方程(1)有积分因子肛=exp[~(x2+y2)d(x2+y2).】。
证明:设p=p(髫2+y2),令z=z2+y2,则1.t满足(3)式,即:
有絮絮Q一絮争=万OP一等等警[2加一2垆]=石OP一署j业dz=(ZxQ-2yP)Oy一盟缸。
因此,仅当上式右端为(x2+y2)的函数时,设为妒(菇2+y2),则方程(1)有积分凼于/.t=exp[fg,(x2+y2)d(x2+广)]。
有积分因子肛=exp[妒(石2一y2)d(x2一y2)]。(证明略)准则8:双面1一∥,(OdPy一警)仅是(石2一,)的函数时,设南(蒡一警)=妒(x2+y2),则方程(1)
准则9:夏手弓(等一鲁)(口≠o)仅是(省2+町)的函数时,设夏方;(筹一等)=妒(戈2+吖),则方程(1)有积分因子肛=exp[1Iiv(x2+ay)d(x2+町)]。
证明:设肛=p(x2+町),令z=x2+ay,则弘满足(3)式,即:
絮氅Q一等等P=面OP一警j警[2加一叩]=筹一警j警=西丽1一叩,(OdPy一警)。
因此,仅当上式右端为(X2+ay)的函数时,设为妒(石2+ay),则方程(1)有积分因子’肛=exp[妒(戈2+ay)d(x2+oy)]。
准则10:若面{劢(筹一警)(口≠o)仅是(y2+似)的函数时,设面{驴(筹一蓑)=妒(广+似),则方程(1)有积分因子肛=exp[/妒(y2+ax)d(y2+耐)]。
(证明略)
3应用举例
解:P=),+叫+siny,Q=x+cosy,由于万1L,面0P一警)=L鼍掣=1仅是),的函数,由准则2方程有
积分因子肛=exp(Jdy)=e7。
例2:求方程(2石3+3x2Y+),2一y3)dx+(2广+3矿+石2一石3)dy=o的积分因子。
解:P:2茗3+3x2y+广一广,Q=2),3+3石y2d-.,2--3由于歹与(筹一誓)=i专仅是(石+),)的函数,由准则3,方程有积分因子/.t----exp[』(i专)d(z+y)]=(石+y)~。
例3:求黎卡提(R洳神方程口]),’=一广一去的积分因子。
影的函数,由准则6,方程有积分因子p=exp[f‘夏弓‰)d(形)]=(2夥-1)~.exp(器)o解:方程变形龇2+去)以+以=0,P=广+壶,Q=1,由于丽与(筹一署)=砑啬知仅是’4茁V一4芏V+l-一,‘解.P=考_3x2,Q_1号,由于矿尹知(茜一警)=例4:求方程(考一3茗2)出+(1一Xy)dy20的积分因子。
1
万了~(my—mx3~ny+3nx3)(÷+等)=万而二3x)3x+,y而
d(x2令譬二三3j{竺,从而£式右端x去y是关“y2的函数,因此由准则5,方程有积分因子p:exp[』击d(茗3y2)]=戈3,,2。解:P=y,Q=一(x2+y2+x),由于赤(等一警)=瓦毒药仅是(戈2+广)的函数,因此由准则例5:求方程ydx一(戈2+y2+x)dy=o的积分因子。zY7,方程有移',分B:I-T-/2,=exp[’瓦‘-万1j2)]=百‘1一y~2)。
例6:求克莱罗(Clair8m)方程‘43Y=z,.’+y应的积分因子。
赤仅是x2+4y
参考文献:
[1]
[2]
f5]解:方程变形为(x+ ̄/xx2-+4一y)dx+2dy=0,P…∥巧肛2,由于南(等一警)尘f1.(J数,由准则9,方程有积分因子/,t=exp[f端]=
Discussionon。曙—而1同济大学数学教研室.高等数学[M].北京:高等教育出版社,2002:282—283・丁同仁,李承秉.常微分方程教程[M].北京:高等教育出版社,2002.f3]王高雄.常微分方程[M].北京:高等教育出版社,1987.{41刘志权.常微分方程讲义[M].西安:陕西师范大学出版社,1981.刘会民,王新.有关一阶微分方程积分因予的订“算[J].辽宁师范大学学报:自然科学版,2003,26(3):237—340・责任编辑:王晓阳integratingfactors
WENQi-junl,ZHANGLi-jin92
(1.ScienceCollege,ChangchunUniversity,Changchun130022,China;
2.TheThirdSenj(1rMiddleScho{)lofYanji,Yanji133000,China)
facto璐i8姐imp。rL锄tAbst船ct:TransforHlingfirst。rderdifferential。quationt。completedifferentialequati。nbythewayofintegrating
necessarythesufficientandmeanst。seeks。luti。nfordifferentialequati。ns.Thispaperdiscusses
fact。rsand
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Keywords:differentialequation;completec。nditi。nforexistente。fintegratingmles。fdetemIinings。mespecialkindsofintegratingfact。rs.Itals。takess。Hieaetuale]【amplest。explaintheapplicati。nofdifferentialequation;intergrati“gfac£or;existencerules
关于积分因子的讨论
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被引用次数:温启军, 张丽静, WEN Qi-jun, ZHANG Li-jing温启军,WEN Qi-jun(长春大学,理学院,吉林,长春,130022), 张丽静,ZHANG Li-jing(延吉市第三高中,吉林,延吉,133000)长春大学学报(自然科学版)JOURNAL OF CHANGCHUN UNIVERSITY2006,16(5)0次
参考文献(5条)
1. 同济大学数学教研室 高等数学 2002
2. 丁同仁. 李承治 常微分方程教程 2002
3. 王高雄. 周之铭 常微分方程 1987
4. 刘志权 常微分方程讲义 1981
5. 刘会民. 王新 有关一阶微分方程积分因子的计算[期刊论文]-辽宁师范大学学报(自然科学版) 2003(03)
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0 引言
一个一阶微分方程写成P(x,y)dx+Q(x,y)dy=0(1)形式后,如果它的左端恰好是某一个函数u=u(x,y)的全微分:du(x,y)=P(x,y)dx+Q(x,y)dy那么方程(1)就叫做全微分方程.这里(u)/(x)=P(x,y), (u)/(y)=Q(x,y)方程(1)就是du(x,y)=0,其通解为:u(x,y)=C (C为常数)可见,解全微分方程的关键在于求原函数u(x,y).因此,本文将提供一种求原函数u(x,y)的简捷方法,并给出证明.
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