新高考數(shù)學(xué)一輪復(fù)習(xí)講練測(cè)專題8.6空間向量及其運(yùn)算和空間位置關(guān)系(講)解析版_第1頁
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專題8.6空間向量及其運(yùn)算和空間位置關(guān)系新課程考試要求1.了解空間直角坐標(biāo)系,會(huì)用空間直角坐標(biāo)表示點(diǎn)的位置2.了解空間向量的概念,了解空間向量的基本定理及其意義,掌握空間向量的正交分解及其坐標(biāo)表示.3.掌握空間向量的加、減、數(shù)乘、數(shù)量積的定義、坐標(biāo)表示的運(yùn)算.4.掌握空間兩點(diǎn)間的距離公式,會(huì)求向量的長度、兩向量夾角,并會(huì)解決簡(jiǎn)單的立體幾何問題.核心素養(yǎng)本節(jié)涉及的數(shù)學(xué)核心素養(yǎng):數(shù)學(xué)運(yùn)算、邏輯推理、直觀想象、數(shù)學(xué)抽象等.考向預(yù)測(cè)(1)空間向量的線性運(yùn)算及其坐標(biāo)表示.(2)運(yùn)用向量的數(shù)量積判斷向量的共線與垂直.(3)應(yīng)用空間向量解決立體幾何問題.(4)一般不獨(dú)立命題.預(yù)測(cè)2022年高考會(huì)以簡(jiǎn)單幾何體為載體,利用空間向量解決與平行、垂直有關(guān)的證明及空間角的計(jì)算問題.解題時(shí)要求有較強(qiáng)的運(yùn)算能力.【知識(shí)清單】知識(shí)點(diǎn)1.空間向量的線性運(yùn)算1.空間向量的有關(guān)概念(1)空間向量:在空間中,具有大小和方向的量叫做空間向量,其大小叫做向量的?;蜷L度.(2)幾種常用特殊向量①單位向量:長度或模為1的向量.②零向量:長度為0的向量.③相等向量:方向相同且模相等的向量.④相反向量:方向相反而模相等的向量.⑤共線向量:如果表示空間向量的有向線段所在的直線平行或重合,則這些向量叫作共線向量或平行向量.⑥共面向量:平行于同一個(gè)平面的向量.2.空間向量的線性運(yùn)算(1)空間向量的加減與數(shù)乘運(yùn)算是平面向量運(yùn)算的推廣.設(shè)a,b是空間任意兩向量,若,P∈OC,則,,.(2)向量加法與數(shù)乘向量運(yùn)算滿足以下運(yùn)算律①加法交換律:a+b=b+a.②加法結(jié)合律:(a+b)+c=a+(b+c).③數(shù)乘分配律:λ(a+b)=λa+λb.④數(shù)乘結(jié)合律:λ(μa)=(λμ)a.(λ∈R,μ∈R).知識(shí)點(diǎn)2.共線向量定理、共面向量定理的應(yīng)用(1)共線向量定理:對(duì)于空間任意兩個(gè)向量a,b(b≠0),a∥b的充要條件是存在實(shí)數(shù)λ,使a=λb.(2)共面向量定理:如果兩個(gè)向量a、b不共線,則向量p與向量a、b共面的充要條件是存在唯一實(shí)數(shù)對(duì)x、y,使.(3)空間向量基本定理如果三個(gè)向量a、b、c不共面,那么對(duì)空間任一向量p,存在唯一的有序?qū)崝?shù)組{x,y,z},使.把{a,b,c}叫做空間的一個(gè)基底.推論:設(shè)O、A、B、C是不共面的四點(diǎn),則對(duì)空間任一點(diǎn)P,都存在唯一的三個(gè)有序?qū)崝?shù)x、y、z,使.其中x+y+z=1.知識(shí)點(diǎn)3.空間向量的數(shù)量積及其應(yīng)用1.兩個(gè)向量的數(shù)量積(1)a·b=|a||b|cos〈a,b〉;(2)a⊥b?a·b=0(a,b為非零向量);(3)|a|2=a2,|a|=eq\r(x2+y2+z2).2.向量的坐標(biāo)運(yùn)算a=(a1,a2,a3),b=(b1,b2,b3)向量和a+b=(a1+b1,a2+b2,a3+b3)向量差a-b=(a1-b1,a2-b2,a3-b3)數(shù)量積a·b=a1b1+a2b2+a3b3共線a∥b?a1=λb1,a2=λb2,a3=λb3(λ∈R)垂直a⊥b?a1b1+a2b2+a3b3=0夾角公式cos〈a,b〉=eq\f(a1b1+a2b2+a3b3,\r(a\o\al(2,1)+a\o\al(2,2)+a\o\al(2,3))\r(b\o\al(2,1)+b\o\al(2,2)+b\o\al(2,3)))知識(shí)點(diǎn)4.空間直角坐標(biāo)系以及空間向量的坐標(biāo)運(yùn)算空間直角坐標(biāo)系及有關(guān)概念(1)空間直角坐標(biāo)系:以空間一點(diǎn)O為原點(diǎn),建立三條兩兩垂直的數(shù)軸:x軸,y軸,z軸.這時(shí)建立了一個(gè)空間直角坐標(biāo)系Oxyz,其中點(diǎn)O叫做坐標(biāo)原點(diǎn),x軸,y軸,z軸統(tǒng)稱坐標(biāo)軸.由每?jī)蓚€(gè)坐標(biāo)軸確定的平面叫做坐標(biāo)平面.(2)右手直角坐標(biāo)系的含義:當(dāng)右手拇指指向x軸的正方向,食指指出y軸的正方向時(shí),中指指向z軸的正方向.(3)空間一點(diǎn)M的坐標(biāo)用有序?qū)崝?shù)組(x,y,z)來表示,記作M(x,y,z),其中x叫做點(diǎn)M的橫坐標(biāo),y叫做點(diǎn)M的縱坐標(biāo),z叫做點(diǎn)M的豎坐標(biāo).2.空間兩點(diǎn)間的距離公式設(shè)點(diǎn)A(x1,y1,z1),B(x2,y2,z2),則=eq\r((x1-x2)2+(y1-y2)2+(z1-z2)2).【考點(diǎn)分類剖析】考點(diǎn)一:空間向量的線性運(yùn)算【典例1】(2020·全國)如圖,在長方體SKIPIF1<0中,SKIPIF1<0()A.SKIPIF1<0 B.SKIPIF1<0 C.SKIPIF1<0 D.SKIPIF1<0【答案】D【解析】在長方體SKIPIF1<0中,SKIPIF1<0故選D.【典例2】如圖,在空間四邊形中,,,.點(diǎn)在上,且,是的中點(diǎn),則=()A.B.C.D.【答案】B【解析】由題,在空間四邊形,,,.點(diǎn)在上,且,是的中點(diǎn),則.所以故選B.【規(guī)律方法】用已知向量表示某一向量的方法(1)用已知向量來表示未知向量,一定要結(jié)合圖形,以圖形為指導(dǎo)是解題的關(guān)鍵.(2)要正確理解向量加法、減法與數(shù)乘運(yùn)算的幾何意義.首尾相接的若干向量之和,等于由起始向量的始點(diǎn)指向末尾向量的終點(diǎn)的向量,我們可把這個(gè)法則稱為向量加法的多邊形法則.(3)在立體幾何中要靈活應(yīng)用三角形法則,向量加法的平行四邊形法則在空間中仍然成立.【變式探究】1.如圖,在平行六面體中,為的交點(diǎn).若,,則下列向量中與相等的向量是()A.B.C.D.【答案】A【解析】由題意知,,故應(yīng)選.2.在平行六面體ABCD-A1B1C1D1中,設(shè),E,F(xiàn)分別是AD1,BD的中點(diǎn).(1)用向量表示,;(2)若,求實(shí)數(shù)x,y,z的值.【答案】(1),;(2).【解析】(1),.(2),所以.【總結(jié)提升】1.選定空間不共面的三個(gè)向量作基向量,并用它們表示出指定的向量,是用向量解決立體幾何問題的基本要求.解題時(shí)應(yīng)結(jié)合已知和所求觀察圖形,聯(lián)想相關(guān)的運(yùn)算法則和公式等,就近表示所需向量.2.首尾相接的若干個(gè)向量的和,等于由起始向量的起點(diǎn)指向末尾向量的終點(diǎn)的向量,求若干個(gè)向量的和,可以通過平移將其轉(zhuǎn)化為首尾相接的向量求和問題解決.考點(diǎn)二:共線向量定理、共面向量定理的應(yīng)用【典例3】(2020·全國)如圖所示,已知斜三棱柱SKIPIF1<0,點(diǎn)SKIPIF1<0,SKIPIF1<0分別在SKIPIF1<0和SKIPIF1<0上,且滿足SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,判斷向量SKIPIF1<0是否與向量SKIPIF1<0,SKIPIF1<0共面.【答案】向量SKIPIF1<0與向量SKIPIF1<0,SKIPIF1<0共面.【解析】由SKIPIF1<0,再分別將SKIPIF1<0,SKIPIF1<0表示為SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,最后用共面向量定理可判斷.【詳解】SKIPIF1<0.SKIPIF1<0,SKIPIF1<0SKIPIF1<0,SKIPIF1<0由共面向量定理知向量SKIPIF1<0與向量SKIPIF1<0,SKIPIF1<0共面.【典例4】(2021·全國)如圖,在四面體ABCD中,E,F(xiàn),G,H分別是AB,BC,CD,DA的中點(diǎn).(1)求證:E,F(xiàn),G,H四點(diǎn)共面;(2)求證:SKIPIF1<0平面EFGH;(3)設(shè)M是EG和FH的交點(diǎn),求證:對(duì)空間任意一點(diǎn)O,有SKIPIF1<0.【答案】(1)證明見解析;(2)證明見解析;(3)證明見解析【解析】(1)根據(jù)題意得出SKIPIF1<0可證;(2)通過證明SKIPIF1<0可得;(3)可得四邊形EFGH為平行四邊形,SKIPIF1<0為EG中點(diǎn),即可證明.【詳解】(1)SKIPIF1<0E,F(xiàn),G,H分別是AB,BC,CD,DA的中點(diǎn),SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,又E,F(xiàn),G,H四點(diǎn)不共線,故E,F(xiàn),G,H四點(diǎn)共面;(2)SKIPIF1<0E,H分別是AB,AD的中點(diǎn),SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,SKIPIF1<0SKIPIF1<0平面EFGH,SKIPIF1<0平面EFGH,SKIPIF1<0SKIPIF1<0平面EFGH;(3)由(1)知四邊形EFGH為平行四邊形,SKIPIF1<0為EG中點(diǎn),SKIPIF1<0E,G分別是AB,CD的中點(diǎn),SKIPIF1<0.【規(guī)律方法】1.在空間適當(dāng)選取三個(gè)不共面向量作為基向量,其它任意一向量都可用這一組基向量表示.2.中點(diǎn)向量公式,在解題時(shí)可以直接使用.3.證明空間任意三點(diǎn)共線的方法對(duì)空間三點(diǎn)P,A,B可通過證明下列結(jié)論成立來證明三點(diǎn)共線.(1);(2)對(duì)空間任一點(diǎn)O,;(3)對(duì)空間任一點(diǎn)O,.4.證明空間四點(diǎn)共面的方法對(duì)空間四點(diǎn)P,M,A,B可通過證明下列結(jié)論成立來證明四點(diǎn)共面(1);(2)對(duì)空間任一點(diǎn)O,;(3)對(duì)空間任一點(diǎn)O,;(4)∥(或∥或∥).【變式探究】1.若,,不共線,對(duì)于空間任意一點(diǎn)都有,則,,,四點(diǎn)()A.不共面B.共面C.共線D.不共線【答案】B【解析】由已知可得,即,可得,所以,,共面但不共線,故,,,四點(diǎn)共面.2.(2021·全國)已知SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,SKIPIF1<0三點(diǎn)不共線,對(duì)平面SKIPIF1<0外的任一點(diǎn)SKIPIF1<0,若點(diǎn)SKIPIF1<0滿足SKIPIF1<0.(1)判斷SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,SKIPIF1<0三個(gè)向量是否共面;(2)判斷點(diǎn)SKIPIF1<0是否在平面SKIPIF1<0內(nèi).【答案】(1)SKIPIF1<0共面;(2)點(diǎn)SKIPIF1<0在平面SKIPIF1<0內(nèi).【解析】(1)由向量的線性關(guān)系可得SKIPIF1<0,由向量減法有SKIPIF1<0,由空間向量共面定理,知SKIPIF1<0共面.(2)由(1)結(jié)論,有四點(diǎn)共面,即可知SKIPIF1<0在平面SKIPIF1<0內(nèi).【詳解】(1)由題意,知:SKIPIF1<0,∴SKIPIF1<0,即SKIPIF1<0,故SKIPIF1<0共面得證.(2)由(1)知:SKIPIF1<0共面且過同一點(diǎn)SKIPIF1<0.所以SKIPIF1<0四點(diǎn)共面,從而點(diǎn)SKIPIF1<0在平面SKIPIF1<0內(nèi).考點(diǎn)三:空間向量的數(shù)量積及其應(yīng)用【典例5】(2021·全國高一課時(shí)練習(xí))在棱長為1的正四面體SKIPIF1<0中,點(diǎn)SKIPIF1<0滿足SKIPIF1<0,點(diǎn)SKIPIF1<0滿足SKIPIF1<0,當(dāng)SKIPIF1<0最短時(shí),SKIPIF1<0()A.SKIPIF1<0 B.SKIPIF1<0 C.SKIPIF1<0 D.SKIPIF1<0【答案】A【解析】由題知SKIPIF1<0平面SKIPIF1<0,SKIPIF1<0直線SKIPIF1<0,故當(dāng)SKIPIF1<0、SKIPIF1<0最短時(shí),SKIPIF1<0平面SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,再根據(jù)向量的關(guān)系計(jì)算即可得答案.【詳解】SKIPIF1<0SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,∴SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,即:SKIPIF1<0,SKIPIF1<0;SKIPIF1<0平面SKIPIF1<0,SKIPIF1<0直線SKIPIF1<0,所以當(dāng)SKIPIF1<0、SKIPIF1<0最短時(shí),SKIPIF1<0平面SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,SKIPIF1<0為SKIPIF1<0的中心,SKIPIF1<0為線段SKIPIF1<0的中點(diǎn),如圖:又正四面體的棱長為1,SKIPIF1<0,SKIPIF1<0平面SKIPIF1<0,SKIPIF1<0SKIPIF1<0,SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0.故選:A.【典例6】【多選題】(2021·江蘇省板浦高級(jí)中學(xué)高二期末)如圖,在平行六面體SKIPIF1<0中,以頂點(diǎn)SKIPIF1<0為端點(diǎn)的三條棱長都是SKIPIF1<0,且它們彼此的夾角都是SKIPIF1<0,SKIPIF1<0為SKIPIF1<0與SKIPIF1<0的交點(diǎn).若SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,SKIPIF1<0.則下列正確的是()A.SKIPIF1<0 B.SKIPIF1<0C.SKIPIF1<0的長為SKIPIF1<0 D.SKIPIF1<0SKIPIF1<0【答案】BD【解析】由空間向量的線性運(yùn)算用SKIPIF1<0表示出其他向量,判斷AB,用向量法求出線段長和異面直線的夾角余弦判斷CD.【詳解】由空間向量的加法法則得SKIPIF1<0,B正確,SKIPIF1<0SKIPIF1<0,A錯(cuò)誤;由已知SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,C錯(cuò);SKIPIF1<0,D正確.故選:BD.【總結(jié)提升】1.空間向量數(shù)量積計(jì)算的兩種方法(1)基向量法:a·b=|a||b|cos〈a,b〉.(2)坐標(biāo)法:設(shè)a=(x1,y1,z1),b=(x2,y2,z2),則a·b=x1x2+y1y2+z1z2.2.空間向量數(shù)量積的三個(gè)應(yīng)用求夾角設(shè)向量a,b所成的角為θ,則cosθ=eq\f(a·b,|a||b|),進(jìn)而可求兩異面直線所成的角求長度(距離)運(yùn)用公式|a|2=a·a,可使線段長度的計(jì)算問題轉(zhuǎn)化為向量數(shù)量積的計(jì)算問題解決垂直問題利用a⊥b?a·b=0(a≠0,b≠0),可將垂直問題轉(zhuǎn)化為向量數(shù)量積的計(jì)算問題【變式探究】1.已知向量,,且與互相垂直,則的值為()A.2B.0C.-1D.1【答案】B【解析】因?yàn)橄蛄?,與互相垂直,,解得,故選B.2.【多選題】(2021·福建高二期末)已知四棱柱SKIPIF1<0為正方體.則下列結(jié)論正確的是()A.SKIPIF1<0 B.SKIPIF1<0C.向量SKIPIF1<0與向量SKIPIF1<0的夾角是SKIPIF1<0 D.SKIPIF1<0【答案】ABD【解析】先設(shè)正方體的棱長為1,再以SKIPIF1<0為原點(diǎn),SKIPIF1<0為SKIPIF1<0軸,SKIPIF1<0為SKIPIF1<0軸,SKIPIF1<0為SKIPIF1<0軸,建立空間直角坐標(biāo)系.選項(xiàng)A利用SKIPIF1<0,說明兩向量平行;選項(xiàng)B為數(shù)量積的坐標(biāo)運(yùn)算;選項(xiàng)C為坐標(biāo)法求向量的夾角;選項(xiàng)D為向量的加法法則與向量模長的計(jì)算.【詳解】不妨設(shè)正方體SKIPIF1<0的棱長為1,以SKIPIF1<0為原點(diǎn),SKIPIF1<0為SKIPIF1<0軸,SKIPIF1<0為SKIPIF1<0軸,SKIPIF1<0為SKIPIF1<0軸,建立空間直角坐標(biāo)系.則SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,SKIPIF1<0.選項(xiàng)A:SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,因?yàn)镾KIPIF1<0,所以SKIPIF1<0,故選項(xiàng)A正確;選項(xiàng)B:SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,有SKIPIF1<0,故選項(xiàng)B正確;選項(xiàng)C:SKIPIF1<0,SKIPIF1<0有SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,記向量SKIPIF1<0與向量SKIPIF1<0的夾角為SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,則SKIPIF1<0,又SKIPIF1<0,所以SKIPIF1<0,故選項(xiàng)C錯(cuò)誤;選項(xiàng)D:因?yàn)镾KIPIF1<0,又SKIPIF1<0,所以SKIPIF1<0又SKIPIF1<0,所以SKIPIF1<0,有SKIPIF1<0,故選項(xiàng)D正確;故選:ABD.【總結(jié)提升】1.當(dāng)題目條件有垂直關(guān)系時(shí),常轉(zhuǎn)化為數(shù)量積為零進(jìn)行應(yīng)用;2.當(dāng)異面直線所成的角為時(shí),常利用它們所在的向量轉(zhuǎn)化為向量的夾角θ來進(jìn)行計(jì)算.應(yīng)該注意的是,,所以3.立體幾何中求線段的長度可以通過解三角形,也可依據(jù)|a|=eq\r(a2)轉(zhuǎn)化為向量求解.考點(diǎn)四:空間直角坐標(biāo)系以及空間向量的坐標(biāo)運(yùn)算【典例7】(2020·福建廈門一中高二期中)已知SKIPIF1<0,1,SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,3,SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,7,SKIPIF1<0,點(diǎn)SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,SKIPIF1<0在平面SKIPIF1<0內(nèi),則SKIPIF1<0的值為()A.SKIPIF1<0 B.1 C.10 D.11【答案】D【解析】由已知可知SKIPIF1<0四點(diǎn)共面,所以利用空間向量共面定理列方程求解即可【詳解】解:SKIPIF1<0點(diǎn)SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,SKIPIF1<0在平面SKIPIF1<0內(nèi),SKIPIF1<0存在實(shí)數(shù)SKIPIF1<0,SKIPIF1<0使得等式SKIPIF1<0成立,SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,2,SKIPIF1<0,6,SKIPIF1<0,SKIPIF1<0SKIPIF1<0,消去SKIPIF1<0,SKIPIF1<0解得SKIPIF1<0.故選:D.【典例8】(2021·全國)正方體SKIPIF1<0的棱長為1,SKIPIF1<0?SKIPIF1<0分別在線段SKIPIF1<0與SKIPIF1<0上,SKIPIF1<0的最小值為______.【答案】1【解析】方法一,該題可以結(jié)合正方體的結(jié)構(gòu)特征,將其轉(zhuǎn)化為兩異面直線的距離來求;方法二,可設(shè)出變量,構(gòu)建相應(yīng)的函數(shù),利用函數(shù)的最值求解;方法三,建立空間直角坐標(biāo)系,利用點(diǎn)的坐標(biāo)以及距離公式表示出目標(biāo)函數(shù),然后利用函數(shù)方法求解最值.【詳解】方法一(定義轉(zhuǎn)化法):因?yàn)橹本€SKIPIF1<0與SKIPIF1<0是異面直線,所以當(dāng)SKIPIF1<0是兩直線的共垂線段時(shí),SKIPIF1<0取得最小值.取SKIPIF1<0的中點(diǎn)SKIPIF1<0,SKIPIF1<0的中點(diǎn)SKIPIF1<0.則線段SKIPIF1<0就是兩異面直線SKIPIF1<0與SKIPIF1<0的共垂線段.下證明之.在矩形SKIPIF1<0中,SKIPIF1<0為中位線,所以SKIPIF1<0,又因?yàn)镾KIPIF1<0平面SKIPIF1<0,所以SKIPIF1<0平面SKIPIF1<0又因?yàn)镾KIPIF1<0平面SKIPIF1<0,所以SKIPIF1<0.同理可證SKIPIF1<0,而SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,所以線段SKIPIF1<0就是兩異面直線SKIPIF1<0與SKIPIF1<0的共垂線段,且SKIPIF1<0.由異面直線公垂線段的定義可得SKIPIF1<0,故SKIPIF1<0的最小值為1.方法二:(參數(shù)法)如圖,取SKIPIF1<0的中點(diǎn)SKIPIF1<0,SKIPIF1<0的中點(diǎn)SKIPIF1<0.則線段SKIPIF1<0就是兩異面直線SKIPIF1<0與SKIPIF1<0的共垂線段.由正方體的棱長為1可得SKIPIF1<0.連結(jié)SKIPIF1<0,則SKIPIF1<0,所以SKIPIF1<0為兩異面直線SKIPIF1<0與SKIPIF1<0所成角.在正方形SKIPIF1<0中,SKIPIF1<0,所以SKIPIF1<0.過點(diǎn)SKIPIF1<0作SKIPIF1<0,垂足為SKIPIF1<0,連結(jié)SKIPIF1<0,則SKIPIF1<0,且SKIPIF1<0.設(shè)SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,則SKIPIF1<0.在SKIPIF1<0中,SKIPIF1<0,在SKIPIF1<0中,SKIPIF1<0.顯然,當(dāng)SKIPIF1<0時(shí),SKIPIF1<0取得最小值1,即SKIPIF1<0的最小值為1.方法三:(向量法)如圖,以SKIPIF1<0為坐標(biāo)原點(diǎn),分別以射線SKIPIF1<0?SKIPIF1<0?SKIPIF1<0為SKIPIF1<0?SKIPIF1<0?SKIPIF1<0軸建立空間直角坐標(biāo)系.設(shè)SKIPIF1<0,SKIPIF1<0.則SKIPIF1<0,即SKIPIF1<0;SKIPIF1<0,即SKIPIF1<0.

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