數(shù)學(xué)物理方法期末試題(5年試題含答案)_第1頁(yè)
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學(xué)院姓名學(xué)號(hào)任課老師選課號(hào)/座位號(hào)………密………封………線………以………內(nèi)………答………題………無(wú)………效……第1頁(yè)共6頁(yè)一二三四五六七八九十合計(jì)復(fù)核人簽名得分簽名附:拉普拉斯方程在柱坐標(biāo)系和球坐標(biāo)系下的表達(dá)式 柱坐標(biāo)系: 球坐標(biāo)系:得分得分一、填空題36分(每空2分)數(shù)量場(chǎng)在點(diǎn)(2,0,-1)處沿方向的方向?qū)?shù)是。矢量場(chǎng)在點(diǎn)(1,3,3)處的散度為。面單連域內(nèi)設(shè)有矢量場(chǎng),若其散度,則稱此矢量場(chǎng)為。高斯公式;斯托克斯公式。將泛定方程和結(jié)合在一起,就構(gòu)成了一個(gè)定解問(wèn)題。只有初始條件,沒(méi)有邊界條件的定解問(wèn)題稱為;只有邊界條件,沒(méi)有初始條件的定解問(wèn)題稱為;既有邊界條件,又有初始條件的定解問(wèn)題稱為。是l次勒讓德多項(xiàng)式,則;時(shí),。已知和分別為n階貝塞爾函數(shù)和n階諾依曼函數(shù)(其中n為整數(shù)),那么可知。。定解問(wèn)題的本征函數(shù)為,本征值為。已知定解問(wèn)題的解為,則定解問(wèn)題的積分解為,稱為。一維波動(dòng)方程的初值問(wèn)題,其達(dá)朗貝爾解為。得分二、(8分)利用遞推公式證明得分得分三、(14分)利用本征函數(shù)展開法求定解問(wèn)題(只要求寫出展開系數(shù)滿足的方程和條件)得分得分四、(14分)求下列定解問(wèn)題得分得分五、(14分)半徑為、高為L(zhǎng)的圓柱體,下底和側(cè)面保持零度,上底溫度分布為,求柱體內(nèi)各點(diǎn)的穩(wěn)恒溫度分布。此題的定解問(wèn)題為:得分得分六、(14分)在半徑為1的球形域內(nèi)和球形域外分別求調(diào)和函數(shù)u,使它在球面上滿足。()得分題號(hào)一二三四五六七八九十合計(jì)得分得分得分一、簡(jiǎn)答題(共25分,共5題,每題5分)1.矢量場(chǎng)的分析中引入標(biāo)量位函數(shù)和矢量位函數(shù)的條件是什么?分別給出標(biāo)量位函數(shù)和矢量位函數(shù)的定義。若一無(wú)旋場(chǎng)的標(biāo)量位函數(shù),則該矢量場(chǎng)和各為多少?2.什么叫定解問(wèn)題的適定性?試舉出一個(gè)非適定的定解問(wèn)題的例子。3.球貝塞爾函數(shù)與貝塞爾函數(shù)的關(guān)系是什么?亥姆霍茲方程在球坐標(biāo)系中進(jìn)行變量分離時(shí),分別說(shuō)明在條件:有限,有限,和時(shí),滿足的方程(或方程名稱)及通解形式。4.寫出泊松方程第一類邊值問(wèn)題的Green函數(shù)滿足的方程和邊界條件。并用該Green函數(shù)表示出定解問(wèn)題的積分解。(要求寫出積分表達(dá)式中體、面積分的體積元、面積元和積分限)。5.寫出一維波動(dòng)方程柯西問(wèn)題的達(dá)朗貝爾解,并說(shuō)明其物理意義。得分得分二、寫出下列本征值問(wèn)題的本征函數(shù)和本征值(共20分,共4題,每題5分)1.2.3.4.得分得分三、證明題(共10分,共2題,每題5分)1.2.得分得分三、計(jì)算題(共45分,共3題,每題15分)1.求解下列定解問(wèn)題2.求解下列定解問(wèn)題3.求解下列定解問(wèn)題(提示:=1\*GB3①用本征函數(shù)展開法。=2\*GB3②利用前面第三題(證明題)第1小題結(jié)論。=3\*GB3③常微分方程的通解為,其中A、B為常數(shù),c為待定系數(shù))

附:標(biāo)量場(chǎng)的梯度和拉普拉斯運(yùn)算、矢量場(chǎng)的散度在柱坐標(biāo)系和球坐標(biāo)系下的表達(dá)式梯度運(yùn)算: 柱坐標(biāo)系: 球坐標(biāo)系:拉普拉斯運(yùn)算: 柱坐標(biāo)系: 球坐標(biāo)系:矢量場(chǎng)的散度: 柱坐標(biāo)系: 球坐標(biāo)系:題號(hào)一二三四五六七八九十合計(jì)得分得分得分一、填空題(共24分,共12題,每題2分)若矢量場(chǎng),則產(chǎn)生該矢量場(chǎng)的源分別為;和。在矢量場(chǎng)A中引入矢量位函數(shù)B的條件是,A的位函數(shù)表示為;在矢量場(chǎng)A中引入標(biāo)量位函數(shù)u的條件是,A的位函數(shù)表示為。滿足區(qū)域V(邊界為S)內(nèi)的泊松方程,且,若區(qū)域內(nèi)的格林函數(shù)已知,則V內(nèi)任意一點(diǎn)的函數(shù)值,格林函數(shù)滿足定解問(wèn)題。波動(dòng)方程初值問(wèn)題的解為。二階常微分方程稱為l階勒讓德方程。已知,,則;函數(shù)按的展開式為。得分得分二、選擇題(共12分,共4題,每題3分)偏微分方程和結(jié)合在一起,稱為初值問(wèn)題A.定解問(wèn)題 B.初始條件 C.邊界條件 D.初始條件和邊界條件定解問(wèn)題滿足適定的條件是。A.存在唯一的解 B.存在穩(wěn)定的解 C.存在唯一且穩(wěn)定的解 D.存在解下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(其中n為非負(fù)整數(shù))。第一類n階柱函數(shù)和第二類n階柱函數(shù)是線性無(wú)關(guān)的;第一類n階柱函數(shù)的實(shí)零點(diǎn)是關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱的;半奇數(shù)階的第一類柱函數(shù)都是初等函數(shù);第一類n階柱函數(shù)和是線性相關(guān)的。邊值問(wèn)題,其本征函數(shù)為。A. B. C. D.得分得分三、簡(jiǎn)答題(共8分,共2題,1題3分,2題5分)1.寫出直角坐標(biāo)系下三維齊次波動(dòng)方程、熱傳導(dǎo)方程和拉普拉斯方程。2.求下列定解問(wèn)題的本征值問(wèn)題,寫出本征值和本征函數(shù)。得分得分四、計(jì)算題(共56分,共4題,1、2題每題13分,3、4題每題15分)1.求解下列定解問(wèn)題2.求解下列定解問(wèn)題3.求解下列定解問(wèn)題的級(jí)數(shù)解4.求解下列定解問(wèn)題題號(hào)一二三四五六七八九十合計(jì)得分得分得分一、填空題(共28分,共9題,每空2分)如果復(fù)變函數(shù)滿足柯西-黎曼條件,則兩個(gè)實(shí)函數(shù)和滿足的關(guān)系為。,則的所有取值為。將函數(shù):在中展開成洛朗級(jí)數(shù)形式為:。函數(shù)的孤立奇點(diǎn)為,孤立奇點(diǎn)的留數(shù)和為。把某種物理現(xiàn)象滿足的偏微分方程和相應(yīng)的結(jié)合在一起構(gòu)成定解問(wèn)題;只有初始條件沒(méi)有邊界條件的定解問(wèn)題叫做。滿足區(qū)域V(邊界為S)內(nèi)的泊松方程,且,若區(qū)域內(nèi)的格林函數(shù)已知,則V內(nèi)任意一點(diǎn)的函數(shù)值,格林函數(shù)滿足定解問(wèn)題。定解問(wèn)題的解為。是l階勒讓德多項(xiàng)式,則_______________;l不等于0時(shí),_______________;亥姆霍茲方程在球坐標(biāo)系進(jìn)行變量分離:。其中變量的函數(shù)滿足方程,變量的函數(shù)。得分得分二、判斷題,正確的打√,錯(cuò)誤的打×。(共6分,共6題,每題1分)在區(qū)域D內(nèi)解析等價(jià)于在區(qū)域D內(nèi)可導(dǎo)。()如果是的可去奇點(diǎn),則一定存在且等于零。()在區(qū)域D中解析,簡(jiǎn)單曲線C位于D內(nèi),復(fù)積分僅與起點(diǎn)和終點(diǎn)有關(guān),與積分路徑無(wú)關(guān)。()每一個(gè)冪級(jí)數(shù)在它的收斂圓周上處處收斂。()定解問(wèn)題滿足適定性的三個(gè)條件是:存在性(有解)、唯一性、正確性。()m階貝塞爾方程的兩個(gè)特解和線性無(wú)關(guān)(m為自然數(shù))。()得分得分三、寫出下列本征值問(wèn)題的本征值和本征函數(shù)(共11分,共2題,1題3分,2、3題各4分)1.2、3.得分得分四、計(jì)算題(共55分,共4題,1題10分,2,、3、4題每題15分)1.計(jì)算積分2.求解下列定解問(wèn)題3.求解下列定解問(wèn)題的級(jí)數(shù)解4.求解下列定解問(wèn)題題號(hào)一二三四五六七八九十合計(jì)得分得分得分一、填空題(共26分,每空2分)設(shè),則,。將泛定方程和結(jié)合在一起,就構(gòu)成了一個(gè)數(shù)學(xué)物理定解問(wèn)題;數(shù)學(xué)物理問(wèn)題的適定性包括存在性、和穩(wěn)定性。一維波動(dòng)方程初值問(wèn)題的達(dá)朗貝爾解表示為,其物理意義是。滿足區(qū)域V(邊界為S)內(nèi)的拉普拉斯方程,且,若區(qū)域內(nèi)的格林函數(shù)已知,則V內(nèi)任意一點(diǎn)的函數(shù)值。已知和分別為n階貝塞爾函數(shù)和n階諾依曼函數(shù)(其中n為整數(shù)),那么可知。是l階勒讓德多項(xiàng)式,則;如果l為奇數(shù),則=。三維拉普拉斯方程在球坐標(biāo)系中進(jìn)行變量分離,,其通解形式分別為,,得分得分二、簡(jiǎn)答題(共20分,共4題,每題5分)1.判定函數(shù)在平面上何處可導(dǎo)?何處解析?2、將函數(shù)在圓環(huán)域中展開為洛朗級(jí)數(shù)。3.寫出本征值問(wèn)題的本征值和本征函數(shù)4.利用遞推公式求解積分得分得分三、計(jì)算題(共54分,共4題,1題9分,2,、3、4題每題15分)1.計(jì)算積分2.在直角坐標(biāo)系下求解下列定解問(wèn)題3.在球坐標(biāo)系下求解下列定解問(wèn)題的級(jí)數(shù)解4.在圓柱坐標(biāo)系下求解下列定解問(wèn)題附:拉普拉斯方程在柱坐標(biāo)系和球坐標(biāo)系下的表達(dá)式 柱坐標(biāo)系: 球坐標(biāo)系:一、填空題36分(每空2分)數(shù)量場(chǎng)在點(diǎn)(2,0,-1)處沿方向的方向?qū)?shù)是4。矢量場(chǎng)在點(diǎn)(1,3,3)處的散度為54。面單連域內(nèi)設(shè)有矢量場(chǎng),若其散度,則稱此矢量場(chǎng)為管形場(chǎng)。高斯公式;斯托克斯公式。將泛定方程和定解條件結(jié)合在一起,就構(gòu)成了一個(gè)定解問(wèn)題。只有初始條件,沒(méi)有邊界條件的定解問(wèn)題稱為初值問(wèn)題;只有邊界條件,沒(méi)有初始條件的定解問(wèn)題稱為邊值問(wèn)題;既有邊界條件,又有初始條件的定解問(wèn)題稱為混合問(wèn)題。是l次勒讓德多項(xiàng)式,則;時(shí),2/(2n+1)。已知和分別為n階貝塞爾函數(shù)和n階諾依曼函數(shù)(其中n為整數(shù)),那么可知,。定解問(wèn)題的本征函數(shù)為,本征值為。已知定解問(wèn)題的解為,則定解問(wèn)題的積分解為,稱為格林函數(shù)。一維波動(dòng)方程的初值問(wèn)題,其達(dá)朗貝爾解為。二、(8分)利用遞推公式證明證明:左邊=三、(10分)利用本征函數(shù)展開法求定解問(wèn)題(只要求寫出展開系數(shù)滿足的方程和條件)解:級(jí)數(shù)展開的基本函數(shù)應(yīng)該是相應(yīng)齊次方程在所給齊次邊界條件下的本征函數(shù)本征函數(shù)為于是所求的解展開為傅立葉正弦級(jí)數(shù)為了求解,把級(jí)數(shù)解代入原泛定方程,將等號(hào)右邊的函數(shù)展開為傅立葉正弦級(jí)數(shù)于是得到于是只需要求解下列定解問(wèn)題可用拉普拉斯編號(hào)法求解上面定解問(wèn)題,得到所以得到四、(13分)求下列定解問(wèn)題解:令,代入拉普拉斯方程,得到求解本征值問(wèn)題,得到,將本征值代入關(guān)于y的常微分方程,求解得到于是得到分離變量形式的本征解為一般解:為確定系數(shù),將一般解代入關(guān)于y的邊界條件得到解出得到答案五、(13分半徑為、高為L(zhǎng)的圓柱體,下底和側(cè)面保持零度,上底溫度分布為,求柱體內(nèi)各點(diǎn)的穩(wěn)恒溫度分布。此題的定解問(wèn)題為:解:取柱坐標(biāo)系,以柱下底面為的坐標(biāo)面,以柱軸為z軸,由邊界條件知問(wèn)題與邊界條件無(wú)關(guān)(即),因側(cè)面為第一類其次邊界條件,故本征值由決定,即,其中為的第n個(gè)零點(diǎn)。柱內(nèi)問(wèn)題的有限解為由z向的邊界條件由此得:其中的積分所以:故:六、(14分)在半徑為1的球形域內(nèi)和球形域外分別求調(diào)和函數(shù)u,使它在球面上滿足。()解:?jiǎn)栴}與無(wú)關(guān),得到原問(wèn)題的解為內(nèi)域問(wèn)題,,由于,所以由邊界條件,得到由于通過(guò)比較系數(shù)得到,因此內(nèi)問(wèn)題的解為:外域問(wèn)題,,由于,所以由邊界條件,得到由于通過(guò)比較系數(shù)得到,因此內(nèi)問(wèn)題的解為:得分得分一、簡(jiǎn)答題(共25分,共5題,每題5分)1.矢量場(chǎng)的分析中引入標(biāo)量位函數(shù)和矢量位函數(shù)的條件是什么?分別給出標(biāo)量位函數(shù)和矢量位函數(shù)的定義。若一無(wú)旋場(chǎng)的標(biāo)量位函數(shù),則該矢量場(chǎng)和各為多少?引入標(biāo)量位的條件:場(chǎng)無(wú)散;引入矢量位的條件:場(chǎng)無(wú)旋;(2)假定矢量場(chǎng)為,如果(1)如果如果A為以上表達(dá)式,==(2)2.什么叫定解問(wèn)題的適定性?試舉出一個(gè)非適定的定解問(wèn)題的例子。解:定解問(wèn)題的適定性滿足三個(gè)條件:存在性,唯一性、穩(wěn)定性。非適定的定解問(wèn)題:如不滿足解的唯一性。3.球貝塞爾函數(shù)與貝塞爾函數(shù)的關(guān)系是什么?亥姆霍茲方程在球坐標(biāo)系中進(jìn)行變量分離時(shí),分別說(shuō)明在條件:有限,有限,和時(shí),滿足的方程(或方程名稱)及通解形式。答:球貝塞爾函數(shù)和貝塞爾函數(shù)關(guān)系為:(1)滿足的方程為:球貝塞爾方程,通解為球貝塞爾函數(shù):(1)滿足的方程為:連帶勒讓德方程,通解為連帶勒讓德函數(shù):(2)滿足的方程為:,通解為:(1)4.寫出泊松方程第一類邊值問(wèn)題的Green函數(shù)滿足的方程和邊界條件。并用該Green函數(shù)表示出定解問(wèn)題的積分解。(要求寫出積分表達(dá)式中體、面積分的體積元、面積元和積分限)。答:泊松方程第一邊值問(wèn)題的格林函數(shù)滿足:(2)積分解:(2)(1)5.寫出一維波動(dòng)方程柯西問(wèn)題的達(dá)朗貝爾解,并說(shuō)明其物理意義。答:(3)其物理意義均表示以速度a沿著方向傳播的兩列行波。(2)得分得分二、寫出下列本征值問(wèn)題的本征函數(shù)和本征值(共20分,共4題,每題5分)1.本征值:為的第n個(gè)正根(2)本征函數(shù):(3)2.本征值:(2)本征函數(shù):(3)3.本征值:(2)本征函數(shù):(3)4.本征值:,其中是的第n個(gè)零點(diǎn),(2)本征函數(shù):=(3)得分三、證明題(共10分,共2題,每題5分)得分1.證明:由另外:則原式左邊:得證。2.證明:1)由于,所以利用不同階勒讓德多項(xiàng)式的正交性,2)利用遞推公式證明由于故:,如果n為偶數(shù),如果n為奇數(shù),所以:得分得分三、計(jì)算題(共45分,共3題,每題15分)1.求解下列定解問(wèn)題令,v和w分別滿足(2)(1),(2)先求解(1),,,,利用關(guān)于x的本征值問(wèn)題,得到本征值和本征函數(shù)(5)將本征值代入y的常微分方程:,解為(3)由,,所以時(shí),,(2)同理得到的表達(dá)式,(3)2.求解下列定解問(wèn)題解:拉普拉斯方程的非軸對(duì)稱情況下的一般解為(3)考慮到自然邊界條件,舍去,得到(4)將上式代入的邊界條件,有(1)(5),,;,,,,;Otherwise,,(2)3.求解下列定解問(wèn)題

(提示:=1\*GB3①用本征函數(shù)展開法。=2\*GB3②利用前面第三題(證明題)第1小題結(jié)論。=3\*GB3③常微分方程的通解為,其中A、B為常數(shù),c為待定系數(shù))解:對(duì)應(yīng)齊次邊界條件的本征函數(shù)為:,其中,為的第n個(gè)零點(diǎn),(4)將待求函數(shù)用本征函數(shù)展開為:(3)將上式帶入方程,得到(2)(3)根據(jù)第三題(證明題)第1小題結(jié)論所以,帶入初始條件中,所以則(2)所以(1)附:標(biāo)量場(chǎng)的梯度和拉普拉斯運(yùn)算、矢量場(chǎng)的散度在柱坐標(biāo)系和球坐標(biāo)系下的表達(dá)式梯度運(yùn)算: 柱坐標(biāo)系: 球坐標(biāo)系:拉普拉斯運(yùn)算: 柱坐標(biāo)系: 球坐標(biāo)系:矢量場(chǎng)的散度: 柱坐標(biāo)系: 球坐標(biāo)系:

得分得分一、填空題(共24分,共12題,每題2分)若矢量場(chǎng),則產(chǎn)生該矢量場(chǎng)的源分別為;和。在矢量場(chǎng)A中引入矢量位函數(shù)B的條件是,A的位函數(shù)表示為;在矢量場(chǎng)A中引入標(biāo)量位函數(shù)u的條件是,A的位函數(shù)表示為。滿足區(qū)域V(邊界為S)內(nèi)的泊松方程,且,若區(qū)域內(nèi)的格林函數(shù)已知,則V內(nèi)任意一點(diǎn)的函數(shù)值,格林函數(shù)滿足定解問(wèn)題。波動(dòng)方程初值問(wèn)題的解為。二階常微分方程稱為l階勒讓德方程。已知,,則;函數(shù)按的展開式為。得分得分二、選擇題(共12分,共4題,每題3分)偏微分方程和B結(jié)合在一起,稱為初值問(wèn)題A.定解問(wèn)題 B.初始條件 C.邊界條件 D.初始條件和邊界條件定解問(wèn)題滿足適定的條件是C。A.存在唯一的解 B.存在穩(wěn)定的解 C.存在唯一且穩(wěn)定的解 D.存在解下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是C(其中n為非負(fù)整數(shù))。第一類n階柱函數(shù)和第二類n階柱函數(shù)是線性無(wú)關(guān)的;第一類n階柱函數(shù)的實(shí)零點(diǎn)是關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱的;半奇數(shù)階的第一類柱函數(shù)都是初等函數(shù);第一類n階柱函數(shù)和是線性相關(guān)的。邊值問(wèn)題,其本征函數(shù)為C。A. B. C. D.得分得分三、簡(jiǎn)答題(共8分,共2題,1題3分,2題5分)1.寫出直角坐標(biāo)系下三維齊次波動(dòng)方程、熱傳導(dǎo)方程和拉普拉斯方程。波動(dòng)方程:(1分)熱傳導(dǎo)方程:(1分)拉普拉斯方程:(1分)2.求下列定解問(wèn)題的本征值問(wèn)題,寫出本征值和本征函數(shù)。答:分離時(shí)間t和空間變量,得到和亥姆赫茲方程,問(wèn)題與無(wú)關(guān),(1分)本征函數(shù):,本征值:(2分)本征函數(shù):,本征值:(2分)得分得分四、計(jì)算題(共56分,共4題,1、2題每題13分,3、4題每題15分)1.求解下列定解問(wèn)題解:其中:,(4分)求解w所滿足的定解問(wèn)題,令,代入拉普拉斯方程,得到求解本征值問(wèn)題,得到,(2分)將本征值代入關(guān)于y的常微分方程,求解得到一般解:(2分)于是:,求解得到(2分)同理得到:求解得到,(3分)2.求解下列定解問(wèn)題解:令代入泛定方程中得分離變量可得由于:求解關(guān)于x本征值問(wèn)題,得到本征值和本征函數(shù),(4分)將本征值代入關(guān)于t的常微分方程,得到其解為(5分)由,代入,得到(4分)3.求解下列定解問(wèn)題的級(jí)數(shù)解解:解:因?yàn)榍蛎嫔线吔鐥l件含有的函數(shù)為非軸對(duì)稱,拉普拉斯方程在非球?qū)ΨQ情況下的一般解為(5分)有限,則 (5分)由邊界條件:其中:于是得到:于是:(5分)4.求解下列定解問(wèn)題解:令,帶入方程分離變量得到:,得到(2分),該方程式以為宗量的零階貝塞爾方程,得到解為利用,,代入,,得到本征值,其中是的第n個(gè)零點(diǎn)(4分)則:(4分)代入,于是:(5分)得分得分一、填空題(共28分,共9題,每空2分)如果復(fù)變函數(shù)滿足柯西-黎曼條件,則兩個(gè)實(shí)函數(shù)和滿足的關(guān)系為。,則的所有取值為。將函數(shù):在中展開成洛朗級(jí)數(shù)形式為:。函數(shù)的孤立奇點(diǎn)為,孤立奇點(diǎn)的留數(shù)和為5。把某種物理現(xiàn)象滿足的偏微分方程和相應(yīng)的定解條件結(jié)合在一起構(gòu)成定解問(wèn)題;只有初始條件沒(méi)有邊界條件的定解問(wèn)題叫做柯西問(wèn)題(初值問(wèn)題)。滿足區(qū)域V(邊界為S)內(nèi)的泊松方程,且,若區(qū)域內(nèi)的格林函數(shù)已知,則V內(nèi)任意一點(diǎn)的函數(shù)值,格林函數(shù)滿足定解問(wèn)題。定解問(wèn)題的解為或。是l階勒讓德多項(xiàng)式,則_________;l不等于0時(shí),___0___;亥姆霍茲方程在球坐標(biāo)系進(jìn)行變量分離:。其中變量的函數(shù)滿足球貝塞爾方程,變量的函數(shù)。得分得分二、判斷題,正確的打√,錯(cuò)誤的打×。(共6分,共6題,每題1分)在區(qū)域D內(nèi)解析等價(jià)于在區(qū)域D內(nèi)可導(dǎo)。(√)如果是的可去奇點(diǎn),則一定存在且等于零。(×)在區(qū)域D中解析,簡(jiǎn)單曲線C位于D內(nèi),復(fù)積分僅與起點(diǎn)和終點(diǎn)有關(guān),與積分路徑無(wú)關(guān)。(√)每一個(gè)冪級(jí)數(shù)在它的收斂圓周上處處收斂。

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