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文檔簡介

1、計算方法習題答案王新民 術洪亮編吉大儀電 第一章習題答案1. 已知,求的插值多項式。解:由題意知:2. 取節(jié)點對建立型二次插值函數(shù),并估計差。解3. 已知函數(shù)在處的函數(shù)值,試通過一個二次插值函數(shù)求的近似值,并估計其誤差。 解:(1) 采用lagrange插值多項式其誤差為(2)采用newton插值多項式 根據(jù)題意作差商表:一階差商二階差商04216.252.52934. 設,試列出關于互異節(jié)點的插值多項式。 注意到:若個節(jié)點互異,則對任意次數(shù)的多項式,它關于節(jié)點滿足條件的插值多項式就是它本身??梢?,當時冪函數(shù)關于個節(jié)點的插值多項式就是它本身,故依公式有特別地,當時,有 而當時有 5. 依據(jù)下列

2、函數(shù)表分別建立次數(shù)不超過3的插值多項式和插值多項式,并驗證插值多項式的唯一性。 012419233解:(1) lagrange 插值多項式 =(2) newton 插值多項式一階差商二階差商三階差商00111982223143343-10由求解結果可知:說明插值問題的解存在且唯一。6. 已知由數(shù)據(jù)構造出的插值多項式的最高次項系數(shù)是6,試確定。 解:= =中最高次項系數(shù)為:7. 設,試利用余項定理給出以為節(jié)點的插值多項式。解:由lagrange余項定理 可知:當時,8. 求作關于節(jié)點的插值多項式,并利用插值余項定理證明 式中為關于節(jié)點的插值基函數(shù)。解:注意到關于節(jié)點的插值多項式為其插值余項為 據(jù)

3、此令即得。 附加題:設為關于節(jié)點的插值基函數(shù),證明 證明:據(jù)題4可知,令,則有。注意到 (證明見王能超數(shù)值簡明教程145頁題6)令即有。9. 已知,求差商和。解:根據(jù)差商與微商的關系,有10. 已知互異,求。其中。(此題有誤。)(見王能超教程p149題2) 解:因為,則 由差商性質(zhì)可知,11. 設首項系數(shù)為1的n次式有n個互異的零點,證明 證明:按題設,有表達式 故原式左端 注意到上式右端等于關于節(jié)點的階差商(見第10頁2.1式)利用差商與導數(shù)的關系(見2.11式)得知 13設節(jié)點與點互異,試對證明 并給出的插值多項式。 解 依差商的定義 ,一般地,設則 故的插值多項式為 14設是任意一個首項

4、系數(shù)為1的n+1次多項式,試證明 其中。 解:(1)由題意,可設,由lagrange插值余項公式得(2) 由(1)式可知, 15給定數(shù)據(jù)表:1023構造出函數(shù)的差商表,并寫出它的三次插值多項式. 解:利用newton插值公式:先作出差商表一階差商二階差商三階差商01313/213/41/22031/61/3325/3-2/3-5/3-2故:16 . 求作滿足條件的插值多項式 。 解法1:根據(jù)三次hermite插值多項式:并依條件,得解法2:由于,故可直接由書中(3.9)式,得17設充分光滑,求證 證明:顯然,滿足條件的插值多項式 由于故 18 求作滿足條件的插值多項式,并估計其誤差。 解法1:

5、由已知條件0121293用基函數(shù)方法構造。令其中,均為三次多項式,且滿足條件依條件可設,由 可得:同理,誤差為:解法2:用承襲性構造由條件先構造一個二次多項式作差商表:一階差商二階差商001112122973于是有:令所求插值多項式利用剩下的一個插值條件,得 由此解出 故有19 求作滿足條件的插值多項式。并給出插值余項。 解:令 利用插值條件定出 : 注意到這里是三重零點,是單零點,故插值余項為 20 求作次數(shù)的多項式,使?jié)M足條件并列出插值余項。 解法1:由于在處有直到一階導數(shù)值的插值條件,所以它是“二重節(jié)點”;而在處有直到二階導數(shù)值的插值條件所以是“三重節(jié)點”。因此利用重節(jié)點的差商公式: 可

6、以作出差商表 一階二階三階四階001111100021101039206115根據(jù)newton插值多項式,有 且插值余項為 21 設分段多項式是以為節(jié)點的三次樣條函數(shù),試確定系數(shù)的值。 解:由可得即解得 22 根據(jù)給定的數(shù)據(jù)表 12324121-1建立一個三次樣條插值函數(shù)。解: 由已知作差商表0121242231283 節(jié)點等距 第二章 習題答案 1. 計算下列函數(shù)關于的:注:, 解:(1) (2) (3)(4) 2. 令,試證是在上帶權的正交多項式,并求。解:是在上帶權的正交多項式。3. 是區(qū)間上帶權的最高次項系數(shù)為1的正交多項式族,其中,求。 解法一:解法二:設,則由4. 求,使積分取得最

7、小值。解:題意即為在中求的最佳平方逼近多項式,故滿足法方程或者按下述方法:因為上式分別對求偏導,并令其為零,有從而也有 ,5. 對,定義 問它們是否構成內(nèi)積?(1)推出,即為常數(shù),但不一定為0,故(1)不構成內(nèi)積。(2)顯然內(nèi)積公理的1),2),3)均滿足,考察第四條 若,則必有反之,若,則且,由此可推得, 即內(nèi)積公理第四條滿足,故(2)構成內(nèi)積。6. 對權函數(shù),區(qū)間,試求首項系數(shù)為1的正交多項式。解: 7. 利用正交化方法求上帶權的前三個正交多項式。解:8. 判斷函數(shù)在上兩兩正交,并求一個三次多項式,使其在上與上述函數(shù)兩兩正交。解:(1), , 所以,在上兩兩正交。(2)設所求多項式為 9.

8、 用最小二乘原理求矛盾方程組的最小二乘解。注:給定線性代數(shù)方程組,當時,稱其為超定方程組。求使得 取最小值。應用微分學中多元函數(shù)求極值的方法可以證明為方程組 的解。稱為超定方程組的最小二乘解。解法一:由題意得:所以即是所求的最小二乘解。誤差平方和為 解法二:求,使誤差平方和為最小,令得方程組如下: 解方程組有: 10. 用最小二乘法求一個形如的經(jīng)驗公式,使它與下列數(shù)據(jù)相擬合,并估計平方誤差。 192531384419.032.349.073.397.8解:將=19,25,31,38,44分別代入,得 所以誤差11. 求形如的經(jīng)驗公式,使它能和下表給出的數(shù)據(jù)相擬合。123456781532052

9、743664916568781176解:設,兩邊取對數(shù)得令,則有 設,于是得到正規(guī)方程組:其中, , 正規(guī)方程組化為:得=2.43689 =0.291211=2.43689所以=11.45 =0.291211=2.43689所以=11.45 1=0.29121112. 求函數(shù)在給定區(qū)間上對于的最佳平方逼近多項式: 解:設(1)(2) 。 13. 上求關于的最佳平方逼近多項式。解:legendre是-1,1上的正交多項式取,=14. 求在上的三次最佳平方逼近多項式。解:15. 已知勒讓德多項式,試在二次多項式類中求一多項式,使其成為上的最佳平方逼近函數(shù)。解:,設 由題意可知 即: 即:解得:16

10、. 求上的二次最佳平方逼近多項式,并估計平方誤差。解:設 第三章習題答案1. 分別用梯形公式、simpson公式、cotes公式計算積分計誤差。解:1)用梯形公式有:事實上,2)simpson公式事實上,3)由cotes公式有:事實上,2證明simpson公式具有三次代數(shù)精度。證明:而當時左側:右側:左側不等于右側。所以simpson具有三次代數(shù)精度.3.分別用復化梯形公式和復化公式simpson計算下列積分.(1),(3),(4)解:(1)用復化梯形公式有:,由復化simpson公式有:解(3): 由復化梯形公式有:由復化公式有:(4)解:由復化梯形公式:由復化simpson公式:4給定求積

11、節(jié)點試推出計算積分的插值型求積公式,并寫出它的截斷誤差。解: 考慮到對稱性,有,于是有求積公式 由于原式含有3個節(jié)點,故它至少有2階精度??紤]到其對稱性,可以猜想到它可能有3階精度。事實上,對原式左右兩端相等: 此外,容易驗證原式對不準確,故所構造出的求積公式有3階精度。5給定積分。(1) 利用復化梯形公式計算上述積分值,使其截斷誤差不超過(2) 取同樣的求積節(jié)點,改用復化simpson公式計算時,截斷誤差是多少?(3) 如果要求截斷誤差不超過,那么使用復化simpson公式計算時,應將積分區(qū)間分成多少等分? 解:(1) =,當誤差時,25.6, 所以取=26。(2)6用romberg求積方法

12、計算下列積分,使誤差不超過。(1);(2);(3);(4)解(1): 計算可以停止。解(2):(3)解:解(4):7推導下列三種矩形求積公式: 證明:將在處taylor展開,得 兩邊在上積分,得 將在處taylor展開,得 兩邊在上積分,得 將在處taylor展開,得 兩邊在上積分,得 8如果證明用復化梯形公式計算積分所得結果比準確值大,并說明其幾何意義。證明:復化梯形公式為 若在上連續(xù),則復化梯形公式的余項為 由于且 所以使 則(1)式成為: 又因為所以 即用復化梯形公式計算積分所得結果比準確值大。 其幾何意義:曲線在定義域內(nèi)是向下凹的,即曲線在曲線上任兩點連線的下方。9對構造一個至少具有三

13、次代數(shù)精度的求積公式。解:因為具有4個求積節(jié)點的插值型求積公式,至少有三次代數(shù)精度。如果在上取節(jié)點0,1,2,3,則插值型求積公式為:其中系數(shù)為同理求得即有:10判別下列求積公式是否是插值型的,并指明其代數(shù)精度:解:插值型求積公式 其中 則 因此,是插值型的求積公式。因其求積公式是插值型的,且存在2個節(jié)點,所以其代數(shù)精度至少是1。 對于時, 可見它對于不準確成立,故該求積公式的代數(shù)精度是1。11構造下列求積公式,并指明這些求積公式所具有的代數(shù)精度: 解(1):令原式對于準確成立,于是有 解之得 , 于是有求積公式 容易驗證,它對于不準確成立,故該求積公式的代數(shù)精度是1。解(2):令原式對于準確

14、成立,于是有 解之得 于是有求積公式 容易驗證當時,而 可見,它對于不準確成立,故該求積公式的代數(shù)精度是3。解(3):令原式對于準確成立,于是有 解得: 于是有求積公式 容易驗證,當時,而 可見,它對于不準確成立,故該求積公式的代數(shù)精度是2。12. 利用代數(shù)精度方法構造下列兩點gauss求積公式: 解(1):令原式對于準確成立,于是有 利用的第1式,可將第2式化為 同樣,利用第2式化簡第3式,利用第3式化簡第4式,分別得 由式消去得進一步整理由此解出解得:因此所求的兩點gauss求積公式:或依下面的思想:解(2):令原式對于準確成立,于是有 利用的第1式,可將第2式化為 同樣,利用第2式化簡第

15、3式,利用第3式化簡第4式,分別得 由式消去得 進一步整理 由此解出解得:因此所求的兩點gauss求積公式:或依下面的思想:13分別用三點和四點gausschebyshev求積公式計算積分,并估計誤差。解:用三點gauss-chebyshev求積公式來計算:此時,由公式可得:由余項可估計誤差為用四點gauss-chebyshev求積公式來計算:此時,由余項可估計誤差為14用三點求積公式計算積分,并估計誤差。解:作變換則得由三點gauss-legendre公式:其估計誤差為:,()。其準確值其準確誤差等于: 第四章 習題答案 1。用gauss消去法解方程組解:方程組寫成矩陣形式為對其進行gaus

16、s消去得得方程組2。用gauss列主元素消去法解方程組解:因為第一列中10最大,因此把10作為列主元素得到方程組3。舉例說明一個非奇異矩陣不一定存在lu分解。例如:設與題設相矛盾,所以一個非奇異矩陣不一定存在lu分解。4。下列矩陣能否分解為lu(其中l(wèi)為單位下三角矩陣,u為上三角矩陣)?若能分解,那么分解是否唯一? 解: 設b可以進行l(wèi)u分解,則b=計算得 5。對下列給定的矩陣a作lu分解,并利用分解結果計算a-1。 解: l= u= 由6。用doolittle分解法解方程組 解:a=其中l(wèi)= u=由ly= 解得y=由ux=y , 解得x=7。用crout分解法接方程組。解:由ly=b= 得y

17、=由ux=y= 得x=8。用平方根法求解方程組解:易知是對稱矩陣,可求得由ly=b得y=由解得x=9。用改進的平方根法求解下列方程組 解(1)a=分解得l= d=由lu=b得u=由dy=u 得y=由得x=(2)分解得 d=由lu=y得u=由dy=u得y=由x=y得x=10。用追趕法求解三對角方程組解:11。已知,求。解: ,12。已知 解:由范數(shù)定義得 13。求證:證明:(1) , , 所以,所以(2)14。設計算a的條件數(shù)解: 矩陣a的較大特征值為198.00505035,較小的特征值為-0.00505035,則 15。設矩陣a非奇異,求證證明: 16。設矩陣a可逆,為誤差,試證當也可逆。解

18、:,即可逆。17。設有方程組ax=b,其中,已知它有解如果右端有小擾動,試估計由此引起的解的相對誤差。解:18。設ax=b,其中為非奇異矩陣,證明:為對稱正定矩陣;證明:(1)(2) 第三章習題答案2. 分別用梯形公式、simpson公式、cotes公式計算積分計誤差。解:1)用梯形公式有:事實上,2)simpson公式事實上,3)由cotes公式有:事實上,2證明simpson公式具有三次代數(shù)精度。證明:而當時左側:右側:左側不等于右側。所以simpson具有三次代數(shù)精度.3.分別用復化梯形公式和復化公式simpson計算下列積分.(1),(3),(4)解:(1)用復化梯形公式有:,由復化s

19、impson公式有:解(3): 由復化梯形公式有:由復化公式有:(4)解:由復化梯形公式:由復化simpson公式:4給定求積節(jié)點試推出計算積分的插值型求積公式,并寫出它的截斷誤差。解: 考慮到對稱性,有,于是有求積公式 由于原式含有3個節(jié)點,故它至少有2階精度??紤]到其對稱性,可以猜想到它可能有3階精度。事實上,對原式左右兩端相等: 此外,容易驗證原式對不準確,故所構造出的求積公式有3階精度。5給定積分。(4) 利用復化梯形公式計算上述積分值,使其截斷誤差不超過(5) 取同樣的求積節(jié)點,改用復化simpson公式計算時,截斷誤差是多少?(6) 如果要求截斷誤差不超過,那么使用復化simpso

20、n公式計算時,應將積分區(qū)間分成多少等分? 解:(1) =,當誤差時,25.6, 所以取=26。(2)6用romberg求積方法計算下列積分,使誤差不超過。(1);(2);(3);(4)解(1): 計算可以停止。解(2):(3)解:解(4):7推導下列三種矩形求積公式: 證明:將在處taylor展開,得 兩邊在上積分,得 將在處taylor展開,得 兩邊在上積分,得 將在處taylor展開,得 兩邊在上積分,得 8如果證明用復化梯形公式計算積分所得結果比準確值大,并說明其幾何意義。證明:復化梯形公式為 若在上連續(xù),則復化梯形公式的余項為 由于且 所以使 則(1)式成為: 又因為所以 即用復化梯形

21、公式計算積分所得結果比準確值大。 其幾何意義:曲線在定義域內(nèi)是向下凹的,即曲線在曲線上任兩點連線的下方。9對構造一個至少具有三次代數(shù)精度的求積公式。解:因為具有4個求積節(jié)點的插值型求積公式,至少有三次代數(shù)精度。如果在上取節(jié)點0,1,2,3,則插值型求積公式為:其中系數(shù)為同理求得即有:10判別下列求積公式是否是插值型的,并指明其代數(shù)精度:解:插值型求積公式 其中 則 因此,是插值型的求積公式。因其求積公式是插值型的,且存在2個節(jié)點,所以其代數(shù)精度至少是1。 對于時, 可見它對于不準確成立,故該求積公式的代數(shù)精度是1。11構造下列求積公式,并指明這些求積公式所具有的代數(shù)精度: 解(1):令原式對于

22、準確成立,于是有 解之得 , 于是有求積公式 容易驗證,它對于不準確成立,故該求積公式的代數(shù)精度是1。解(2):令原式對于準確成立,于是有 解之得 于是有求積公式 容易驗證當時,而 可見,它對于不準確成立,故該求積公式的代數(shù)精度是3。解(3):令原式對于準確成立,于是有 解得: 于是有求積公式 容易驗證,當時,而 可見,它對于不準確成立,故該求積公式的代數(shù)精度是2。12. 利用代數(shù)精度方法構造下列兩點gauss求積公式: 解(1):令原式對于準確成立,于是有 利用的第1式,可將第2式化為 同樣,利用第2式化簡第3式,利用第3式化簡第4式,分別得 由式消去得進一步整理由此解出解得:因此所求的兩點

23、gauss求積公式:或依下面的思想:解(2):令原式對于準確成立,于是有 利用的第1式,可將第2式化為 同樣,利用第2式化簡第3式,利用第3式化簡第4式,分別得 由式消去得 進一步整理 由此解出解得:因此所求的兩點gauss求積公式:或依下面的思想:13分別用三點和四點gausschebyshev求積公式計算積分,并估計誤差。解:用三點gauss-chebyshev求積公式來計算:此時,由公式可得:由余項可估計誤差為用四點gauss-chebyshev求積公式來計算:此時,由余項可估計誤差為14用三點求積公式計算積分,并估計誤差。解:作變換則得由三點gauss-legendre公式:其估計誤差

24、為:,()。其準確值其準確誤差等于:第六章習題答案1.用二分法求方程在區(qū)間內(nèi)的根,要求其絕對誤差不超過解: 由于且當時,所以方程在區(qū)間內(nèi)僅有一個實根。由解得所以需要二分7次,才能得到滿足精度要求的根。取區(qū)間的中點將區(qū)間二等分,求得與同號,因此得到下一區(qū)間如此繼續(xù)下去,即得計算結果。01(-)1.5(-)2(+)11.5(-)1.75(+)2(+)21.5(-)1.625(-)1.75(+)31.625(-)1.6875(-)1.75(+)41.6875(-)1.71875(-)1.75(+)51.71875(-)1.734375(+)1.75(+)61.71875(-)1.7265625(-)

25、1.734375(+)71.7265625(-)1.73046875(-)1.734375(+)計算結果如下表:。2.證明在內(nèi)有一個根,使用二分法求誤差不大于的根要迭代多少次?證明:設由于且當時,因此方程在區(qū)間內(nèi)有一個根。由解得所以需要迭代14次,才能使求得的根的誤差不大于。3.證明方程在內(nèi)有根,使用二分法求這個根,若要求需二分區(qū)間多少等分?證明:設由于且當時,因此方程在區(qū)間內(nèi)有一個根。由解得所以需二分區(qū)間19等分,才能滿足4.能否用迭代法求解下列方程若不能,試將原方程改寫成能用迭代法求解的形式。解: 故迭代格式收斂,可以用其來求解方程。設且可知在上存在一個根,即當時,可知不能用迭代格式來求解

26、方程??蓪⒎匠套冃螢榱钏缘袷绞諗?,可以用其來求解方程。5.為求方程在附近的一個根,設將方程改寫成為下列等價形式,并建立相應的迭代公式:迭代公式迭代公式迭代公式試討論它們的收斂性。解:所以此迭代格式是收斂的。 所以此迭代格式是收斂的。 所以此迭代格式不收斂的。6.給出計算迭代格式,討論迭代格式的收斂性并證明解:由題意可得出其迭代格式為由上式可知,當時,所以迭代格式是收斂的。由可得,解得:其中舍去??傻眉唇獾?.用下列給定的方法求在附近的根,根的準確值為要求計算結果準確到四位有效數(shù)字。(1)用newton法;(2)用弦截法,(3)用拋物線法,取解:用newton法求解 將它們代入公式有, 取

27、計算結果列于下表,并和比較得出結果,012321.8888891.8794521.879385 解得用弦截法求解 取依迭代公式為進行計算。計算結果列于下表,并和比較0123421.91.8810941.8794111.879385解得用拋物線法求解 則 故 則根號前的符號為正。 迭代公式為 取計算 8.用aitken加速迭代法求下列方程在指定區(qū)間內(nèi)的根。 解:由迭代格式 則 在上因此迭代格式是收斂的。 相應于這一格式,可以得到aitken加速迭代格式: 因此由解得同理,得 所以式的近似解為(2)為, 注:若取迭代函數(shù),則因在上所以迭代格式不收斂。 但若用aitken加速迭代格式 計算,結果是收

28、斂的。9.設構造求解方程的newton迭代格式;證明此迭代格式是線性收斂的。解:由從而有newton迭代格式迭代格式為此外則所以此迭代格式是線性收斂的。10.設構造求解方程的newton迭代格式;證明此迭代格式具有二階收斂性。解:由 從而有newton迭代格式 迭代格式為此外則所以此迭代格式具有二階收斂性。11.用newton迭代法求解方程在附近的一個實根,要求(準確值為)。解:由題意則 newton迭代公式為 , 即 取時,解得 同理,可得 因 所以用迭代法求方程所得的根為12.試導出計算的newton迭代格式,使公式中既無開方又無除法運算。 解:令 則 由newton迭代公式 ,有 即計算

29、的newton迭代格式為 。13.應用newton迭代法于方程和分別導出求的迭代公式,并求 解:當 時故newton迭代公式為 此時: ()。當時,因故newton迭代公式為 此時: 14. 用newton迭代法求解方程組,取。解:記,其于是有即由逐次迭代得到故。第八章習題答案1.用euler格式計算初值問題的解函數(shù)在時的近似值(取步長保留到小數(shù)點后4位)。解:將代人euler格式,注意到則有:據(jù)可得計算結果如下即2.證明隱式euler格式是一階方法;而euler兩步格式是二階方法,并給出其局部截斷誤差的主項。證明:對于隱式euler格式,若假定則有 (1)依taylor公式有代人式(1)右端

30、,則有 另一方面,故隱式euler格式的局部截斷誤差為 可見隱式euler格式是一階方法。證明:對于euler兩步格式: ,考察局部截斷誤差,仍設則有注意到于是而因此有即euler兩步格式是二階方法。且其主項系數(shù)是2。 注:關于精度分析也可采用代數(shù)精度的概念來討論: 定義:稱某個差分格式具有階精度,如果它的近似關系式對于次數(shù)的多項式均能準確成立,而對于次式不能準確成立。 譬如,考察euler格式 ,其對應的近似關系式為 檢驗它所具有的代數(shù)精度,當時,左端右端1;當時,左端右端而當時,左端右端,所以euler格式僅有一階精度。3.證明梯形公式是二階方法,并給出其局部截斷誤差的主項。證明:將梯形公

31、式寫成:假定則在處的taylor展式為于是。另一方面,依taylor公式因此有 所以梯形公式是二階方法,且其主項系數(shù)為。 注:也可用代數(shù)精度來檢驗差分格式的精度 與梯形公式對應的近似關系式為(#) 為簡化處理手續(xù),可引進變換,而不妨令節(jié)點,步長,從而將近似關系式化簡。這時,梯形格式的近似關系式(#)簡化為 易知它對均能準確成立,而當時左端1,右端,因而梯形格式具有二階精度。4.已知初值問題有精確解試導出近似解的euler格式,并證明用改進的euler格式能準確地求出這一初值問題的解。 將此題作如下改動: 已知初值問題的精確解 證明:用euler格式以為步長所求得的近似解的整體截斷誤差為解: (

32、原題的解)euler格式為 將代人得由得 ,于是 就是所求的euler格式。如果用改進的euler格式求這一初值問題,則可得到準確解。 其中,由條件可得,而精確解為 ,由此可知所以用改進的euler格式能準確求出這一初值問題的解。 改動后的解: 解:euler格式為 將代人得由得 ,于是所以整體誤差為 5.用梯形格式求解初值問題取計算,要求小數(shù)點后保留5位數(shù)字。解:,梯形公式為 整理得顯格式為 ,由可得6.用改進的euler格式計算積分在時的近似值(保留到小數(shù)點后6位)。 解:此積分問題可轉化為微分問題,即將上式兩端對求導,得,并且取步長。然后利用改進的euler格式代人,有當時可計算得, 7.用梯形格式求解初值問題證明其近似解為,并證明當時,它收斂于原初值問題的準確解證明:將 代人梯形格式得 經(jīng)整理得從而因,故 證明:即當時,它收斂于原初值問題的準確解8.取用四階經(jīng)典runge-kutta格式求解下列初值問題:解:利用四階經(jīng)典runge-kutta格

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