合并:一元积分学

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Cym10x 3 months ago
commit d3d60bd626

@ -1,6 +1,6 @@
我们正在通过CSS建立更加美观的前端
启用方法点击左下角的齿轮在最左边选中外观滑倒最底下启用math-note代码片段
<span class='emphasize'>如果你想在自己的笔记里也能使用这些功能</span>那就点击启用按钮上方的文件夹进去把里面的文件用文本文档或者VSCode打开把里面的东西复制出然后回到自己的仓库同样的步骤走一遍不过最后需要自己在那个文件夹中创建一个文本文档把后缀改成.css然后把代码粘贴进去保存出来刷新一下再启用就可以了。![[图片解释启用CSS.png]]
<span class='emphasize'>如果你想在自己的笔记里也能使用这些功能</span>那就点击启用按钮上方的文件夹进去把里面的文件用文本文档或者VSCode打开把里面的东西复制出然后回到自己的仓库同样的步骤走一遍不过最后需要自己在那个文件夹中创建一个文本文档把后缀改成.css然后把代码粘贴进去保存出来刷新一下(③左边那个),再启用就可以了。![[图片解释启用CSS.png]]
已经完成的部分:
'emphasize':使字体变成橙色加粗,如:

@ -38,5 +38,6 @@ flowchart TD
##### 拐所及则思无因x而漏y。
>[!error] 考试必考点!拐点是一个二维的点,零点、驻点等是一个一维的 $x$ 值!
##### 总此十思,宏兹九章,简能而任之,择善而从之,则牛顿尽其谋,莱氏竭其力,泰勒播其惠,柯西效其忠。文理争驰,学生无事,可以尽数分之乐,可以养高代之寿。
只要易错点不错,你就放心去考吧,我们已经帮你找好关系了——找的是牛顿、莱布尼兹,我说服了他们望你的大脑注入一点他们的智慧,考试当天生效。
##### 总此十思,宏兹九章,简能而任之,择善而从之,则牛顿尽其谋,莱氏竭其力,泰勒播其惠,柯西效其忠。文理争驰,学生无事,可以尽春节之乐,可以养寒假之寿。
只要易错点不错,你就放心去考吧,我们已经帮你找好关系了——找的是牛顿、莱布尼兹、泰勒和柯西,我说服了他们往你的大脑注入一点他们的智慧,考试当天生效。
<span class="emphasize">最后提前祝大家过个好年!</span>

@ -95,10 +95,10 @@ $\displaystyle\frac{M(x)}{N(x)}=S(x)+\frac{P(x)}{Q(x)}$,其中 $S(x)$ 为整
>[!todo] 示例
>求不定积分$\displaystyle\int \frac{dx}{(x^2+a^2)\sqrt{a^2-x^2}}$
>解:令 $\sqrt{a^2-x^2}=t(a-x)$,则
>$\displaystyle t^2=\frac{a+x}{a-x},\quad x=a\frac{t^2-1}{t^2+1},\quad\mathrm dx=\frac{4at}{(t^2+1)^2}\mathrm dt$
>$\displaystyle x^2+a^2=\frac{2a^2(t^4+1)}{(t^2+1)^2}$
>$$\displaystyle t^2=\frac{a+x}{a-x},\quad x=a\frac{t^2-1}{t^2+1},\quad\mathrm dx=\frac{4at}{(t^2+1)^2}\mathrm dt$$
>$$\displaystyle x^2+a^2=\frac{2a^2(t^4+1)}{(t^2+1)^2}$$
>于是
>$\begin{align}\int \frac{\mathrm dx}{(x^2+a^2)\sqrt{a^2-x^2}} &= \int \frac{\frac{4at}{(t^2+1)^2}\mathrm dt}{\frac{2a^2(t^4+1)}{(t^2+1)^2}\cdot\frac{2at}{t^2+1}} \\&= \frac{1}{2a^2}\int \frac{2t^2+2}{t^4+1}\mathrm dt\end{align}$
>$$\begin{align}\int \frac{\mathrm dx}{(x^2+a^2)\sqrt{a^2-x^2}} &= \int \frac{\frac{4at}{(t^2+1)^2}\mathrm dt}{\frac{2a^2(t^4+1)}{(t^2+1)^2}\cdot\frac{2at}{t^2+1}} \\&= \frac{1}{2a^2}\int \frac{2t^2+2}{t^4+1}\mathrm dt\end{align}$$
>之后可以按照有理式的方法继续积分下去。
>[!Bug] 待补充
@ -199,7 +199,7 @@ a_n &= \int_0^1 x (1-x)^n\mathrm dx = \int_0^1 (1-t) t^n\mathrm dt \\
>[!hint] 提示
>对于含有多个次数不同的根式时,换元时要换元为根指数的最小公倍数。
>若被积函数中含有 $\sqrt[n_1]{ax+b}$,$\sqrt[n_2]{ax+b}$,$\dots$,$\sqrt[n_k]{ax+b}$,可考虑代换 $t = \sqrt[n]{ax+b}$$n$ 为 $n_1$,$n_2$,$\dots,n_k$ 的最小公倍数)
>若被积函数中含有 $\sqrt[n_1]{\frac{ax+b}{cx+d}}$,$\sqrt[n_2]{\frac{ax+b}{cx+d}}$,$\dots$,$\sqrt[n_k]{\frac{ax+b}{cx+d}}$,可考虑代换 $t = \sqrt[n]{\frac{ax+b}{cx+d}}$$n$ 为 $n_1$,$n_2$,$\dots$,$n_k$ 的最小公倍数)
>若被积函数中含有 $\displaystyle\sqrt[n_1]{\frac{ax+b}{cx+d}},\sqrt[n_2]{\frac{ax+b}{cx+d}},\dots,\sqrt[n_k]{\frac{ax+b}{cx+d}}$,可考虑代换 $\displaystyle t = \sqrt[n]{\frac{ax+b}{cx+d}}$$n$ 为 $n_1$,$n_2$,$\dots$,$n_k$ 的最小公倍数)
>[!solution] 解析
>令 $t=\sqrt[6]{x+1}$,则 $x=t^6-1$$\mathrm dx=6t^5\mathrm dt$,则
@ -207,9 +207,8 @@ a_n &= \int_0^1 x (1-x)^n\mathrm dx = \int_0^1 (1-t) t^n\mathrm dt \\
>[!bug] 待决策
>##### 高次幂多项式与三角函数的转化
>$$\int \frac{\sqrt{\arctan x}}{1+x^2}\mathrm dx$$
>原式
>$$\begin{align*}
>\int \frac{\sqrt{\arctan x}}{1+x^2}\mathrm dx
&= \int \sqrt{\arctan x}\mathrm d(\arctan x) \\
&= \frac{2}{3}(\arctan x)^{\frac{3}{2}} + C
\end{align*}$$
@ -232,6 +231,8 @@ a_n &= \int_0^1 x (1-x)^n\mathrm dx = \int_0^1 (1-t) t^n\mathrm dt \\
3. **幂**:幂函数,$x,x^2,x^3,...$
4. **指**:指数函数,通常特指 $\mathrm e^x$
5. **三**:三角函数家族 $\sin,\cos,\tan,\cot,\sec,\csc$
<br>
>[!todo] 示例
>求不定积分 $\int x\cos x\mathrm dx$
@ -252,10 +253,10 @@ a_n &= \int_0^1 x (1-x)^n\mathrm dx = \int_0^1 (1-t) t^n\mathrm dt \\
>[!solution] 解析
>最先匹配的是“**对**”(对数函数 $\ln x$),取 $u=\ln x,\mathrm dv=x^3\mathrm dx$,则:
>$\begin{align}\int x^3 \ln x\mathrm dx&= \int \ln x d\left(\frac{x^4}{4}\right) \\&= \frac{1}{4}x^4 \ln x - \frac{1}{4}\int x^3\mathrm dx \\&= \frac{1}{4}x^4 \ln x - \frac{1}{16}x^4 + C\end{align}$
>$\begin{align}\int x^3 \ln x\mathrm dx&= \int \ln x \mathrm d\left(\frac{x^4}{4}\right) \\&= \frac{1}{4}x^4 \ln x - \frac{1}{4}\int x^3\mathrm dx \\&= \frac{1}{4}x^4 \ln x - \frac{1}{16}x^4 + C\end{align}$
>[!example] 例题
>求不定积分 $\int\mathrm e^{\sqrt{x}}\mathrm dx$
>求不定积分 $\displaystyle\int\mathrm e^{\sqrt{x}}\mathrm dx$
>[!solution] 解析
>我们可以提前代换变量,将根式消去。
@ -271,12 +272,13 @@ a_n &= \int_0^1 x (1-x)^n\mathrm dx = \int_0^1 (1-t) t^n\mathrm dt \\
>[!solution] 解析
>$$\begin{aligned}
>\int x\tan^2x\text dx
>&=\int x(sec^2x-1)\text dx\\
>&=\int x(\sec^2x-1)\text dx\\
>&=\int x\text d(\tan x)-\int x\text dx\\
>&=x\tan x-(-\ln|\cos x|)-\frac{x^2}{2}+C\\
>&=x \tan x + \ln |\cos x| - \dfrac{x^2}{2} + C
>\end{aligned}$$
<br>
然而,不少积分不能直接积出来。对于部分情况,需要用到**循环式**和**递推式**求解。
#### 2. 依靠循环式求解的积分
**循环式**是指在进行分部积分的时候,多次循环会出现**同一积分式**
@ -357,7 +359,7 @@ I_n &= \int_0^{\frac{\pi}{4}} \sec^n x \mathrm dx = \int_0^{\frac{\pi}{4}} \sec^
>故$\displaystyle I_3=\frac{2^{\frac{3-2}{2}}}{3-1} + \frac{3-2}{3-1} I_{3-2} = \frac{\sqrt{2}}{2} + \frac{1}{2} I_1 = \frac{\sqrt{2}}{2} + \frac{1}{2} \ln(\sqrt{2} + 1).$
>[!summary] 题后总结
>因为要证明的式子中是 $I_n$ 和 $I_{n-2}$,中间隔了两项,所以在凑的时候也要凑一个 $\sec^2x$ 出来;而且 $\text d(\tan x)=\sec^2x\text dx$,用平方也更好凑一点。
>因为要证明的式子中是 $I_n$ 和 $I_{n-2}$,中间隔了两项,所以在凑的时候也要凑一个 $\tan^2x$和$\sec^2x$ 出来;而且 $\tan^2x=\sec^2x-1,\text d(\tan x)=\sec^2x\text dx$,用平方也更好凑一点。
#### 4. 连续分部积分(选学?)
>[!bug] 需要斟酌该内容是否重要。
@ -399,10 +401,14 @@ I_n &= \int_0^{\frac{\pi}{4}} \sec^n x \mathrm dx = \int_0^{\frac{\pi}{4}} \sec^
上面两种类型并没有穷尽所有的可能,只是抛砖引玉,实际可能的变形是有很多的。
<br>
先来两道简单的题目热热身。
>[!example] 例题
>计算极限
>$$\lim_{x\to 0}\frac{x - \large\int_{0}^{x}\cos t^{2}\mathrm{d}t}{x^{3}\ln(1 + \tan^{2}x)}。$$
>[!hint] 提示
>观察一下上下的极限分别是多少
>[!solution] 解析:
>用等价无穷小代换和洛必达法则$$\begin{aligned}
>\text{原式}&=\lim_{x\to0}\frac{x-\large\int_0^x\cos t^2\text dt}{x^5}\\
@ -417,7 +423,11 @@ I_n &= \int_0^{\frac{\pi}{4}} \sec^n x \mathrm dx = \int_0^{\frac{\pi}{4}} \sec^
>x = \large\int_{0}^{t} \frac{\sin u}{u} \text du, \\
>y = \large\int_{0}^{t} \sin u^2 \text du,
>\end{cases}$$
>求$\dfrac{\text dy}{\text dx}$和$\dfrac{\text d^2 y}{\text dx^2}$。
>求 $\dfrac{\text dy}{\text dx}$ 和 $\dfrac{\text d^2 y}{\text dx^2}$。
>[!hint] 提示
>还记得参数方程的二阶导怎么求吗?
>$$\displaystyle\frac{\text d^2y}{\text dx^2}=\frac{\text d}{\text dx}\left(\frac{\text dy}{\text dx}\right)=\frac{\text d}{\text dt}\left(\frac{\text dy}{\text dx}\right)\bigg/\frac{\text dx}{\text dt}.$$
>[!solution] 解析
>$x$ 和 $y$ 分别对 $t$ 求导得$$\frac{\text dx}{\text dt}=\frac{\sin t}{t},\frac{\text dy}{\text dt}=\sin t^2.$$
@ -429,7 +439,7 @@ I_n &= \int_0^{\frac{\pi}{4}} \sec^n x \mathrm dx = \int_0^{\frac{\pi}{4}} \sec^
>[!example] 例题
>已知函数 $$f_n(x)=\int_0^xt^2(1-t)\sin^{2n}t\text dt,\qquad x\in(-\infty,+\infty),$$其中 $n$ 为正整数。
>1证明对任意正整数 $n$,函数 $f_n(x)$ 在 $x=1$ 处取得最大值;
>2记 $a_n=f_n(1),n=1,2,\cdots$,试判断级数 $\sum\limits_{n=1}^\infty a_n$ 的敛散性。
>2记 $a_n=f_n(1),n=1,2,\cdots$,试判断级数 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty a_n$ 的敛散性。
>[!solution] 解析
>1$f'_n(x)=x^2(1-x)\sin^{2n}x$,令 $f'_n(x)=0$,得 $x=0,1,\pm n\pi(n=1,2,\cdots)$
@ -491,8 +501,8 @@ $$于是$$\begin{aligned}
由于定积分确定了上下限,因此定积分在不定积分的基础上多了不少有趣的性质,比如之前提到的在 $[-a,a]$ 有定义的奇函数在 $[-a,a]$ 的定积分为 $0$
除此之外还有很多性质,有些会为积分的化简提供便利,有些会给你挖个大坑。
1. 周期函数每个周期内的定积分相同
简单来说,如果 $T$ 是 $f(x)$ 的周期,那么 $\int_a^{a+T}f(x)\mathrm dx=\int_{a+T}^{a+2T}f(x)\mathrm dx$.
1. **周期函数每个周期内的定积分相同**
简单来说,如果 $T$ 是 $f(x)$ 的周期,那么 $\displaystyle\int_a^{a+T}f(x)\mathrm dx=\int_{a+T}^{a+2T}f(x)\mathrm dx$.
>[!example] 例题
>定积分 $\int_{-2026}^{2026} (x-[x])\mathrm dx$(其中 $[x]$ 表示不超过 $x$ 的最大整数)的值为\_\_\_\_\_\_\_\_。
@ -500,7 +510,7 @@ $$于是$$\begin{aligned}
>$f(x)=x-[x]$ 是周期为 $1$ 的函数,那么 $\displaystyle\int_{-2026}^{2026} (x-[x])\mathrm dx=5052\int_0^1(x-[x])\mathrm dx=5052\int_0^1x\mathrm dx=5052 \left[\frac{x^2}{2} \right]_0^1=2026$
>[!example] 例题
>已知 $a_n = \int_0^{n\pi} |\cos x| \mathrm dx,\ n=1,2,\cdots$,则下列级数收敛的是( )。
>已知 $\displaystyle a_n = \int_0^{n\pi} |\cos x| \mathrm dx,\ n=1,2,\cdots$,则下列级数收敛的是( )。
(A) $\displaystyle \sum_{n=1}^\infty \frac{a_n}{n}$
(B) $\displaystyle \sum_{n=1}^\infty \frac{a_n}{n^2}$
(C) $\displaystyle \sum_{n=1}^\infty (-1)^n \frac{a_n}{n}$
@ -519,7 +529,7 @@ $$于是$$\begin{aligned}
![[cosx的绝对值.png]]
>[!bug] 待审查
2. 除此之外,还可以把定积分的上下限劈开:$\int_a^bf(x)\mathrm dx=\int_a^cf(x)\mathrm dx+\int_c^bf(x)\mathrm dx$,这在 $f(x)$ 是分段函数(如绝对值)的情况下特别有用:
>[!example] 例题
@ -538,13 +548,12 @@ $$于是$$\begin{aligned}
&= 3 \int_0^1 \left( t - 1 + \frac{1}{1+t} \right)\mathrm dt = 3 \left[ \frac{1}{2} t^2 - t + \ln |1+t| \right]_0^1 \\
&= 3 \left( \frac{1}{2} - 1 + \ln 2 \right) = 3 \ln 2 - \frac{3}{2}.
\end{aligned}$$
>故$$
I = \int_{-1}^1 f(x)\mathrm dx = \int_{-1}^0 f(x)\mathrm dx + \int_0^1 f(x)\mathrm dx = -\frac{\pi^2}{32} + 3 \ln 2 - \frac{3}{2}.
$$
>故$$I = \int_{-1}^1 f(x)\mathrm dx = \int_{-1}^0 f(x)\mathrm dx + \int_0^1 f(x)\mathrm dx = -\frac{\pi^2}{32} + 3 \ln 2 - \frac{3}{2}.$$
>[!bug] 待审查
而且,有不少定积分的应用<span class="emphasize">超乎你的想象</span>
而且,有不少定积分的应用 <span class="emphasize"> 超乎你的想象</span>
>[!example] 例题
>(1) 设 $\displaystyle a_n = 1 + \frac{1}{\sqrt{2}} + \frac{1}{\sqrt{3}} + \cdots + \frac{1}{\sqrt{n}} - 2\sqrt{n}$。证明:数列 $\{a_n\}$ 收敛;
>(2) 求极限 $\displaystyle \lim_{n \to \infty} \frac{1}{\sqrt{n}} \left( \frac{1}{\sqrt{n+1}} + \frac{1}{\sqrt{n+2}} + \cdots + \frac{1}{\sqrt{2n}} \right)$。
@ -558,14 +567,15 @@ $$
>**解1**
>$\displaystyle a_{2n}-a_n=\frac{1}{\sqrt{n+1}} + \frac{1}{\sqrt{n+2}} + \cdots + \frac{1}{\sqrt{2n}}+2(\sqrt{2n}-\sqrt n),$ 故 $$\frac{a_{2n}-a_n}{\sqrt n}=\frac{1}{\sqrt{n}} \left( \frac{1}{\sqrt{n+1}} + \frac{1}{\sqrt{n+2}} + \cdots + \frac{1}{\sqrt{2n}} \right)-2(\sqrt2-1).$$因为 $\{a_n\}$ 收敛,所以 $\displaystyle\lim_{n\to\infty}(a_{2n}-a_n)=0$,故$$\displaystyle \lim_{n \to \infty} \frac{1}{\sqrt{n}} \left( \frac{1}{\sqrt{n+1}} + \frac{1}{\sqrt{n+2}} + \cdots + \frac{1}{\sqrt{2n}} \right)=2(\sqrt2-1).$$
>**解2**
>利用定积分的定义:$$
\begin{aligned}
>利用定积分的定义:
>$$\begin{aligned}
\lim_{n \to \infty} &\frac{1}{\sqrt{n}} \left( \frac{1}{\sqrt{n+1}} + \frac{1}{\sqrt{n+2}} + \cdots + \frac{1}{\sqrt{2n}} \right) \\
&= \lim_{n \to \infty} \frac{1}{n} \left( \frac{1}{\sqrt{1+\frac{1}{n}}} + \frac{1}{\sqrt{1+\frac{2}{n}}} + \cdots + \frac{1}{\sqrt{1+\frac{n}{n}}} \right)\\
&= \int_0^1 \frac{1}{\sqrt{1+x}} \mathrm dx \\
&= 2\sqrt{1+x} \bigg|_0^1 \\
&= 2\sqrt{2} - 2.
\end{aligned}$$故所求极限为 $2\sqrt{2} - 2$。
>\end{aligned}$$
>故所求极限为 $2\sqrt{2} - 2$。
>[!summary] 题后总结
>这道题相当地难!如果没有见过类似的题目,根本想不到第一问要用单调有界定理,第二问要用第一问的数列作差。当然为了呼应这次的标题,我们也提供了用定积分定义的解决方法。
@ -581,10 +591,10 @@ $$
>[!example] 例题
>已知函数 $f(x), g(x)$ 在闭区间 $[a, b]$ 上连续,且 $f(x) > 0$,则极限 $\displaystyle \lim_{n \to \infty} \int_a^b g(x) \sqrt[n]{f(x)}\mathrm dx$ 的值为$\underline{\qquad}.$
>[!faq] 这是正解吗?
>[!solution] 解析(?)
>由于 $f(x)$ 在 $[a,b]$ 上连续,由最值定理,存在 $m,M>0$,使得 $m\leqslant f(x)\leqslant M,$ 故$$\sqrt[n]{m} \int_a^b g(x)\mathrm dx \leqslant \int_a^b g(x) \sqrt[n]{f(x)}\mathrm dx \leqslant \sqrt[n]{M} \int_a^b g(x)\mathrm dx.$$又有 $\displaystyle \lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{m} = \lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{M} = 1$,所以由夹逼定理知$$\lim_{n \to \infty} \int_a^b g(x) \sqrt[n]{f(x)}\mathrm dx = \int_a^b g(x)\mathrm dx.$$
>[!summary] 题后总结
>[!summary] 题后反思
>这道题很妙,妙在想到用夹逼定理。但是这是怎么想到的呢?
>我们观察一下极限的形式:有一个开 $n$ 次根号。这会让我们想到这样一个极限:$$\lim_{n\to\infty}\sqrt[n]a=1,a\gt0.$$从而可以用放缩和夹逼定理做出这道题……吗?
>不对,我们再看一下这个不等式:$$\sqrt[n]{m} \int_a^b g(x)\mathrm dx \leqslant \int_a^b g(x) \sqrt[n]{f(x)}\mathrm dx \leqslant \sqrt[n]{M} \int_a^b g(x)\mathrm dx,$$它真的成立吗?并不,题中没有给出 $g(x)\gt0$ 的条件,甚至连 $g(x)$ 保持同号的条件都没有,所以并不成立。那么应该怎么做呢?下面给出一种思路。
@ -600,7 +610,7 @@ $$
>>[!note] 补充证明
>>由于 $f(x)$ 是连续的,所以 $\sqrt[n]{f(x)}-1$ 也是连续的,从而由积分中值定理可知,存在 $\xi\in(a,b),$ 使得 $\displaystyle \int_a^b\sqrt[n]{f(x)}-1\text dx=\sqrt[n]{f(\xi)}-1\to0\,(n\to\infty).$
>
>实际上,只有函数“一致连续”才能得出极限和积分号可以互换的结论;就上面这道题而言,就是我们可以先求 $\lim\limits_{n\to\infty}(\sqrt[n]f(x)-1)$ 再求这个积分。有兴趣的可以自行去了解一致连续是什么意思。
>实际上,只有函数“一致连续”才能得出极限和积分号可以互换的结论;就上面这道题而言,就是我们可以先求 $\lim\limits_{n\to\infty}(\sqrt[n]f(x)-1)$ 再求这个积分。有兴趣的可以自行去了解一致连续是什么意思。实际上,在闭区间上一致连续和连续是等价的,所以这里可以这样做。
>有趣的是,这道题的第一个解析是原卷的解析,也就是说,出卷老师也没有意识到这个地方不能用夹逼定理。大家不能忘记夹逼定理的方法,但是也要注意具体情形下到底能不能用夹逼定理,<span style='color: blue'>这个不等式究竟是否成立</span>
定积分的大坑主要是换元时要换上下限。
@ -608,7 +618,15 @@ $$
>单纯把 $f'(x)\mathrm dx$ 换成 $\mathrm df(x)$ 不需要改变上下限,因为后者也是在对 $x$ 求积分,此时上下限仍然针对 $x$;当你使用<span class="danger">全新的变量</span>,如令 $t=f(x)$,且你决定设置 $t$ 为新积分变量而非单纯的关于 $x$ 的函数时,你必须更换成新的上下限。
>即:上下限是根据变量设置的,而非仅仅根据微分算子后面的表达式
>[!bug] 请补充其他容易犯错的点
而不定积分的大坑就是换元之后要记得再还原。
>[!warning] 注意!
>不定积分和定积分的换元法是相当类似的,但也并非完全一样。定积分只要考虑积分上下限就可以了,因为定积分的结果和积分变量无关,只与函数本身和上下限有关;但不定积分最后得出的表达式<span class="danger">和积分变量是有关的</span>,不同的变量不定积分就是不一样。所以一定要记得把换过去的变量再换回来!
>[!bug] 请自行补充你自己容易犯错的点
<br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br>
# Extra. 常用积分公式速记
### 一、三角函数积分
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