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复变函数:积分

-复变函数积分的定义 -积分存在性及其求法 -直接法:转化为第二型曲面积分/二重积分 -参数化:转化为定积分 -柯西古萨定理 -背景 -定理内容 -推论1:区域内推广到边界 -推论2:复合闭路定理 -推论3:柯西积分公式 -推论4:积分与路径无关&&原函数存在定理 -推论5:莫雷拉定理 -推论6:柯西不等式 -推论7:平均值公式 -推论8:morera定理 -整函数 -刘维尔定理

TIP

类比于实函数积分,复变函数积分与第二型曲线积分类似

复平面积分的定义#

设函数 ω=f(z)\omega=f(z) 定义在区域 DD 内,CC 是 DD 内以 AA 为起点,BB 为终点的任意光滑有向曲线,在曲线 CC 上插入一系列点:

z1,z2,z3,z4,z5...zn−1z_1,z_2,z_3,z_4,z_5...z_{n-1}

这些点把C分成n个小弧段 zk−1zk⌢\overset{\frown}{z_{k-1}z_k} ,记 Δzk=zk−zk−1\Delta z_k=z_k-z_{k-1},在每小段弧上任取一点 ζk(ξk,ηk)=ξk+iηk\zeta_k(\xi_k,\eta_k)=\xi_k+i\eta_k,作和式:

Sn=∑k=1k=nf(ζk)ΔzkS_n=\sum_{k=1}^{k=n}f(\zeta_k)\Delta z_k

记 δ=max⁡{zk−1zk⌢的弧长}\delta=\max\{\overset{\frown}{z_{k-1}z_k}\text{的弧长}\},若不论对C的分法以及 ζk(ξk,ηk)\zeta_k(\xi_k,\eta_k) 的取法,极限

lim⁡δ→0∑k=1k=nf(ζk)Δzk\lim_{\delta\to 0}\sum_{k=1}^{k=n}f(\zeta_k)\Delta z_k

总是存在且唯一,则称此极限值为 f(z)f(z) 沿着有向曲线 CC 的积分,记作

∫Cf(z)dz\int_C f(z)dz

积分存在性及其求法#

NOTE

积分存在性:连续函数可积

1. 直接法:第二型曲线积分/二重积分#

如果 f(z)=u(x,y)+iv(x,y)f(z)=u(x,y)+iv(x,y) 在有向光滑曲线 CC 上 连续,那么 f(z)f(z) 沿 CC 的积分存在,并且

∫Cf(z)dz=∫C(u+iv)dz=∫C(u+iv)(dx+idy)=∫C(udx−vdy)+i∫C(vdx+udy)\boxed{\begin{align*} \int_C f(z)dz &= \int_C (u + iv) dz \\ &= \int_C (u + iv) (dx + i dy) \\ &= \int_C (u dx - v dy) + i \int_C (v dx + u dy) \end{align*}}
NOTE

证明:(用定义)

zk=xk+iyk,xk−xk−1=Δxk,yk−yk−1=Δykζk=ξk+iηk,uk=u(ξk,ηk),vk=v(ξk,ηk)Sn=∑k=1k=nf(ζk)Δzk=∑k=1k=n(uk+ivk)(Δxk+iΔyk)=∑k=1k=n[ukΔxk−vkΔyk+i(vkΔxk+ukΔyk)]=∑k=1k=nukΔxk−vkΔyk+∑k=1k=ni(vkΔxk+ukΔyk) f(z) 沿曲线 C 连续,由复变函数连续的充要条件是实部虚部函数连续,故 u(x,y),v(x,y) 在曲线C上也连续再由可积定义,函数连续必可积,u,v 对应的两个第二型曲线积分一定存在。=∫Cudx−vdy+i∫Cvdx+udy \begin{align*} z_k&=x_k+iy_k,x_k-x_{k-1}=\Delta x_k,y_k-y_{k-1}=\Delta y_k\\ \zeta_k&=\xi_k+i\eta_k,u_k=u(\xi_k,\eta_k),v_k=v(\xi_k,\eta_k)\\ S_n&=\sum_{k=1}^{k=n}f(\zeta_k)\Delta z_k\\ &=\sum_{k=1}^{k=n}(u_k+iv_k)(\Delta x_k+i\Delta y_k)\\ &=\sum_{k=1}^{k=n}[u_k\Delta x_k-v_k\Delta y_k+i(v_k\Delta x_k+u_k\Delta y_k)]\\ &=\sum_{k=1}^{k=n}u_k\Delta x_k-v_k\Delta y_k+\sum_{k=1}^{k=n}i(v_k\Delta x_k+u_k\Delta y_k)\\ &\text{ $f(z)$ 沿曲线 $C$ 连续,由复变函数连续的充要条件是实部虚部函数连续,}\\ &\text{故 $u(x,y),v(x,y)$ 在曲线$C$上也连续}\\ &\text{再由可积定义,函数连续必可积,$u,v$ 对应的两个第二型曲线积分一定存在。}\\ &=\int_C{udx-vdy}+i\int_C{vdx+udy} \end{align*}
  • 复变函数沿某曲线可积,能表示成两个第二型曲线积分的线性组合
  • 曲线 CC 上连续不代表曲线 CC 上处处连续,曲线 CC 上连续只是说 CC 上的点沿 CC 的方向是连续的,而处处连续要考虑曲线外的方向

2. 参数化:定积分#

如果 CC 是有向的简单光滑曲线,z=z(t)=x(t)+iy(t),t∈[t0,T]z=z(t)=x(t)+iy(t),t\in[t_0,T],且 t0,Tt_0,T 分别对应曲线的起点和终点,如果 f(z)f(z) 在曲线 CC 上 连续,那么

∫Cf(z)dz=∫t0Tf(z(t))z(t)′dt=∫ab[u(x(t),y(t))+iv(x(t),y(t))][x′(t)+iy′(t)]dt\boxed{\int_Cf(z)dz=\int_{t_0}^Tf(z(t))z(t)^\prime dt}\\ =\int_a^b \Big[u\big(x(t),y(t)\big)+iv\big(x(t),y(t) \big)\Big]\Big[x^\prime(t)+iy^\prime(t)\Big]dt
证明
dz=(x′(t)+iy′(t))dt∫Cf(z)dz=∫C[u(x(t),y(t))+iv(x(t),y(t))]⋅(x′(t)+iy′(t))dt令u(t)=u(x(t),y(t)),v(t)=v(x(t),y(t))=∫C[u(t)x′(t)−v(t)y′(t)]dt+i∫C[v(t)x′(t)+u(t)y′(t)]dt\begin{align*} dz&=(x^\prime(t)+iy^\prime(t))dt\\ \int_Cf(z)dz&=\int_C[u(x(t),y(t))+iv(x(t),y(t))]\cdot(x^\prime(t)+iy^\prime(t))dt\\ &\text{令}u(t)=u(x(t),y(t)),v(t)=v(x(t),y(t))\\ &=\int_C[u(t)x^\prime(t)-v(t)y^\prime(t)]dt+i\int_C[v(t)x^\prime(t)+u(t)y^\prime(t)]dt \end{align*}

复变函数积分的性质#

  1. 有向性:∫Cf(z)dz=−∫C−f(z)dz\int_C f(z)dz=-\int_{C^-} f(z)dz

  2. ∫(kf(z)+lg(z))dz=k∫f(z)dz+l∫g(z)dz\int(kf(z)+lg(z))dz=k\int f(z)dz+l\int g(z)dz

  3. 分段可加性:如果 C=C1+C2+⋯+CnC=C_1+C_2+\dots+C_n

  4. 模有界性:∣∫f(z)dz∣≤∫∣f(z)∣ds≤ML|\int f(z)dz|\leq\int|f(z)|ds\leq ML,这里 ∣f(z)∣≤M,∀z∈C∣|f(z)|\leq M,\forall z\in \mathbb{C}|,积分路径的长度为 LL

简要证明一下:

∣∫f(z)dz∣=∣lim⁡δ→0∑k=1k=nf(ζk)Δzk∣=lim⁡δ→0∣∑k=1k=nf(ζk)Δzk∣这里用一步放缩|\int f(z)dz|\\ =|\lim_{\delta\to 0}\sum_{k=1}^{k=n}f(\zeta_k)\Delta z_k|\\ =\lim_{\delta\to 0}|\sum_{k=1}^{k=n}f(\zeta_k)\Delta z_k|\\ \text{这里用一步放缩}

柯西古撒定理#

背景#

  1. 复习积分与路径无关的四个等价条件

  2. 如果 f(z)=u(x,y)+iv(x,y)f(z)=u(x,y)+iv(x,y) 在有向光滑曲线 CC 上 连续,那么 f(z)f(z) 沿 CC 的积分存在,并且

    ∫Cf(z)dz=∫Cudx−vdy+i∫Cvdx+udy\int_Cf(z)dz=\int_C{udx-vdy}+i\int_C{vdx+udy}

柯西古撒定理内容#

基本形式(回路在解析区域内,不含边界)#

柯西古撒定理:对于单连通区域(不包含奇点)D,CD,C 为 DD 中任意一条简单闭曲线(不自交,端点相等,连续),如果 f(z)f(z) 在 DD 内解析,那么

∮Cf(z)dz=∮Cudx−vdy+i∮Cvdx+udy=0\boxed{\oint_Cf(z)dz=\oint_C{udx-vdy}+i\oint_C{vdx+udy}=0}

简而言之,柯西古撒定理就是解析函数在解析的单连通区域内闭路积分为0

:::note[推导]:

这两个第二型曲线积分如果满足积分与路径无关则有

−∂v∂x=∂u∂y,∂u∂x=∂v∂y(#)-\frac{\partial v}{\partial x}=\frac{\partial u}{\partial y}, \frac{\partial u}{\partial x}=\frac{\partial v}{\partial y}\tag{\#}

这一坨式子很熟悉,是柯西-黎曼条件,即 f(z)f(z) 在某点处可微的必要条件之一。只要加上 uu,vv 一阶偏导数连续(即 uu,vv 在某点可微)这个补充条件,就成了充要条件。

回顾格林公式: ∮Pdx+Qdy=∬D(∂Q∂x−∂P∂y)dxdy\oint Pdx+Qdy=\iint_D(\dfrac{\partial Q}{\partial x}-\dfrac{\partial P}{\partial y})dxdy 当这玩意等于0时,显然满足#条件,此时 ∮Cf(z)dz=∮Cudx−vdy+i∮Cvdx+udy=0\oint_Cf(z)dz=\oint_C{udx-vdy}+i\oint_C{vdx+udy}=0。

但是这样还不够,课本上给的前提是 ff 在 DD 上解析,不是可微,为什么会给出一个更严格的条件呢?这是因为 uu,vv 在 DD 内处处可微且处处满足柯西黎曼条件,这恰好是 ff 在区域 DD 解析的充要条件。

:::

推论1:区域内曲线推广到边界上#

  1. 闭区域内的柯西古撒定理:如果简单闭曲线 CC 为单连通区域 DD 的边界(即 C=∂DC=\partial D),且函数 f(z)f(z) 在闭区域 D‾=D+C\overline{D}=D+C 上解析,那么

    ∮Cf(z)dz=∮Cudx−vdy+i∮Cvdx+udy=0 \oint_Cf(z)dz=\oint_C{udx-vdy}+i\oint_C{vdx+udy}=0
  2. 边界连续内部解析的柯西古撒定理:如果简单闭曲线 CC 为单连通区域 DD 的边界(即 C=∂DC=\partial D),函数 f(z)f(z) 在区域 DD 内解析且在闭区域 D‾=D+C\overline{D}=D+C 上连续,那么

    ∮Cf(z)dz=∮Cudx−vdy+i∮Cvdx+udy=0 \oint_Cf(z)dz=\oint_C{udx-vdy}+i\oint_C{vdx+udy}=0
  • 推论1到2是将“整个闭区域解析”弱化为“闭区域内部解析,边界连续”

推论2:复合闭路定理(有洞的柯西古撒定理)#

复合闭路定理:设 CC 为多连通区域DD的一条简单闭曲线,CC 内含有简单闭曲线 Ck,k=1,2,3...CkC_k,k=1,2,3...C_k 它们相互不包含,也互不相交, CC 和 CkC_k 均取正方向,f(z)f(z)在区域 DD 内解析,记 Ck−C_k^- 为曲线 CkC_k 负方向,则

∮Cf(z)dz=∑k=1n∮Ckf(z)dz∮Γf(z)dz=0,Γ=C+C1−+C2−+C3−...\boxed{\begin{align} \oint_Cf(z)dz&=\sum_{k=1}^{n}\oint_{C_k}f(z)dz\\ \oint_\Gamma f(z)dz&=0,\\ \Gamma=&{C+C_1^-+C_2^-+C_3^-...}\notag \end{align}}
证明

总体思路:闭路变形原理:区域内一个解析函数沿简单闭曲线(对应上文的 CC)的积分是0(柯西古撒定理),对这个简单闭曲线做变形,同时保持其连续性且不经过函数的不解析点(对应上文的 CkC_k)这样的变形不会改变积分值

如图,在 CC 中取简单闭曲线 C1C_1,用直线段 AA′,BB′AA^\prime,BB^\prime 链接,那么便产生了两个不包含奇点的闭区域,f(z)f(z) 在这两个闭区域边界的积分分别用柯西古撒定理,再加一起,直线段的积分因方向相反抵消,就能得到(1)式。

TIP

如果一个函数在路径内只有有限个奇点,而在其他地方解析,那么整个积分可以看作是这些奇点“局部贡献”的总和(解析处闭路积分=0)。

这就是留数定理

推论3:柯西积分公式(配合复合闭路定理)#

先来回顾一道陈年老题: 函数 f(z)=1/zf(z)=1/z 在圆 C:z=ReiθC:z=Re^{i\theta} 上的积分为:

solution
∮f(z)dz=∫02π1ReiθiReiθdθ=2πi \oint f(z)dz=\int_0^{2\pi}\frac{1}{Re^{i\theta}}iRe^{i\theta}d\theta=2\pi i

推广一下,令 F(z)=f(z)z−z0F(z)=\dfrac{f(z)}{z-z_0} 在简单闭曲线 CC 围成的区域内解析(圆周 CC 换成任意闭曲线,并且奇点由 1z−z0\dfrac{1}{z-z_0}提供, z0∈Cz_0\in C),则积分

∮Cf(z)z−z0dz=∫02πf(z0+reiθ)reiθdreiθ=∫02πf(z0+reiθ)reiθireiθdθ=i∫02πf(z0+reiθ)dθ=2πif(z0)\begin{align*} \oint_C \frac{f(z)}{z-z_0}dz&=\int_0^{2\pi}\frac{f(z_0+re^{i\theta})}{re^{i\theta}}dre^{i\theta}\\ &=\int_0^{2\pi} \frac{f(z_0+re^{i\theta})}{re^{i\theta}}ire^{i\theta}d\theta\\ &=i\int_0^{2\pi} f(z_0+re^{i\theta})d\theta\\ &=2\pi i f(z_0) \end{align*}

柯西积分公式:如果 f(z)f(z) 在区域 DD 内处处解析,CC 为 DD 内的任何一条正向简单闭曲线,它的内部完全包含于 DD,z0z_0 为 CC 内部的任一点(不能在 CC 上),那么

∮Cf(z)z−z0dz=f(z0)2πi\boxed{\oint_C \frac{f(z)}{z-z_0}dz=f(z_0)2\pi i}
  • 当回路包含奇点时,才会用到复合闭路和柯西积分公式,不包含时直接柯西古撒定理得0

  • 在实际的计算中,往往需要手动找出奇点并化成许多个柯西积分公式的形式。常见的有拆分母。

  • 如果遇到奇点在积分路径上的情况,不能用柯西积分公式,但可以考虑让 aa 从内部趋近边界,然后取极限。用 Plemelj公式(或称柯西积分的边界值公式)这里不多讲。

推论4:高阶导数公式#

高阶导数公式:设 f(z)f(z) 在区域 DD 内解析,CC 为 DD 内的任意一条正向简单闭曲线,z0z_0 为 CC 内部的任一点(不能在 CC 上),那么对于任意正整数 nn,都有

∮Cf(z)(z−z0)n+1dz=2πin!f(n)(z0)\boxed{\oint_C \frac{f(z)}{(z-z_0)^{n+1}}dz=\frac{2\pi i}{n!}f^{(n)}(z_0)}

推论5:平均值公式#

平均值公式:设 D⊂CD\subset\mathbb{C} 是一个开集,函数 ff 在区域 DD 上解析。闭圆盘 ∣z−z0∣=R|z-z_0|=R 完全包含在解析区域内,那么函数 ff 在圆心 z0z_0 处的值等于在圆周上的值的算数平均:

f(z0)=12π∫02πf(z)dθ\boxed{f(z_0)=\frac{1}{2\pi}\int_0^{2\pi}f(z)d\theta}
证明

用柯西积分公式进行证明

f(z0)=12πi∮f(z)z−z0dzz=z0+reiθf(z0)=12π∮f(z)reiθreiθdθf(z_0)=\frac{1}{2\pi i}\oint\frac{f(z)}{z-z_0}dz\\[5bp] z=z_0+re^{i\theta}\\[5bp] f(z_0)=\frac{1}{2\pi}\oint\frac{f(z)}{re^{i\theta}}re^{i\theta}d\theta

推论6:柯西不等式#

柯西不等式:设 f(z)f(z) 在 C:∣z−z0∣=ρC:|z-z_0|=\rho 所围成的区域(注意这里是闭圆盘,包括圆周)上解析,若在圆周上有 ∣f(z)∣≤M|f(z)|\leq M 则

∣f(n)(z0)∣≤n!M(ρ)ρn\boxed{|f^{(n)}(z_0)|\leq\frac{n!M(\rho)}{\rho^n}}

推论7:解析函数积分与路径无关和原函数存在定理#

  1. 积分与路径无关: 若 f(z)f(z) 是区域 DD 内的解析函数,那么曲线积分 ∫Cf(z)\int_Cf(z) 在 DD 内与路径无关,只与起始点有关。

    证明

    设 Γ,C\Gamma,C 为 DD 内任意同向的从 z1→z2z_1\to z_2 的路径,由柯西古撒定理,

    ∮C−+Γf(z)dz=0∫Γf(z)dz−∫Cf(z)dz=0∴∫Γf(z)dz=∫Cf(z)dz\begin{align*} &\oint_{C^-+\Gamma}f(z)dz=0\\ &\int_{\Gamma}f(z)dz-\int_Cf(z)dz=0\\ &\therefore\int_{\Gamma}f(z)dz=\int_Cf(z)dz \end{align*}

    常见的全纯函数以及部分解析的函数: 指数函数 eze^z ,幂函数 znz^n 以及对应的多项式函数,三角函数与双曲函数

    如 1z\frac{1}{z} 这种在区域 C/(0,0)\mathbb{C}/{(0,0)} 内解析,若闭区域积分不是单连通则参考复合闭路定理

    如 ln⁡(z+1)\ln (z+1) 在 (−1.+∞)(-1.+\infin) 内解析

  2. 原函数存在定理: 设 f(z)f(z) 是区域 DD 内的解析函数,那么存在变上限积分函数 F(z)F(z),满足:

    F(z)=∫z0zf(ζ)dζF(z)=\int_{z_0}^zf(\zeta)d\zeta

    F(z)F(z) 也是解析函数,并且满足

    F′(z)=f(z)F^\prime(z)=f(z)
    证明
    F′(z)=lim⁡Δz→0F(z+Δz)−F(z)Δz=lim⁡Δz→0∫z0z+Δzf(ζ)dζ−∫z0zf(z)dζΔz=lim⁡Δz→0∫zz+Δzf(ζ)dζΔz∀ζ>0,∃δ>0,when ∣Δz∣<δ∣∫zz+Δzf(ζ)dζΔz−f(z)∣<ϵas long as∣∫zz+Δzf(ζ)dζ−∫zz+Δzf(z)dζ∣∣Δz∣<ϵ∣∫zz+Δz[f(ζ)−f(z)]dζ∣∣Δz∣<ϵ∫zz+Δz∣f(ζ)−f(z)∣dζ∣Δz∣<ϵ∫zz+Δz∣f(ζ)∣−∣f(z)∣dζ∣Δz∣<ϵifΔz→0,thenζΔz→z∴F′(z)=f(z)\begin{align*} F^\prime(z)&=\lim_{\Delta z\to 0}\frac{F(z+\Delta z)-F(z)}{\Delta z}\\[10bp] &=\lim_{\Delta z\to 0}\frac{\int_{z_0}^{z+\Delta z}f(\zeta)d\zeta-\int_{z_0}^{z}f(z)d\zeta}{\Delta z}\\[10bp] &=\lim_{\Delta z\to 0}\frac{\int_z^{z+\Delta z}f(\zeta)d\zeta}{\Delta z}\\ &\forall \zeta>0,\exist \delta>0,when\,|\Delta z|<\delta\\ &|\frac{\int_z^{z+\Delta z}f(\zeta)d\zeta}{\Delta z}-f(z)|<\epsilon\\ as\,long\,as&\frac{|\int_z^{z+\Delta z}f(\zeta)d\zeta-\int_z^{z+\Delta z}f(z)d\zeta|}{|\Delta z|}<\epsilon\\ &\frac{|\int_z^{z+\Delta z}[f(\zeta)-f(z)]d\zeta|}{|\Delta z|}<\epsilon\\ &\frac{\int_z^{z+\Delta z}|f(\zeta)-f(z)|d\zeta}{|\Delta z|}<\epsilon\\ &\frac{\int_z^{z+\Delta z}|f(\zeta)|-|f(z)|d\zeta}{|\Delta z|}<\epsilon\\ &if \Delta z\to 0,then \zeta_{\Delta z}\to z\\ &\therefore F^\prime(z)=f(z) \end{align*}\\

    注意这里不能用积分中值定理(微分中值定理在复变中不加条件不成立)。证明了 F(z)F(z) 在 DD 内可导,而且导数恰好是 f(z)f(z),又因为 f(z)f(z) 解析所以 f(z)f(z) 连续,所以 F(z)F(z) 一阶导连续,由解析的判定定理可知 F(z)F(z) 解析

  3. 原函数和不定积分: Φ(z),f(z)\Phi(z),f(z) 是区域 DD 内确定的函数,其中 Φ(z)\Phi(z) 是解析函数。如果满足

    Φ′(z)=f(z)\Phi^\prime(z)=f(z)

    则称 Φ(z)\Phi(z) 是 f(z)f(z) 的一个原函数, f(z)f(z) 所有的原函数构成它的不定积分,记作 ∫f(z)dz\int f(z)dz ,满足

    ∫f(z)dz=Φ(z)+C,C为任意常数\int f(z)dz=\Phi(z)+C,C\text{为任意常数}
  4. 牛顿莱布尼兹公式: 设 f(z)f(z) 是单连通区域 DD 上的解析函数, Φ(z)\Phi(z) 是 f(z)f(z) 的一个原函数,则

    ∀z0,z1∈D,∫z0z1f(z)dz=Φ(z1)−Φ(z0)\forall z_0,z_1\in D,\int_{z_0}^{z_1}f(z)dz=\Phi(z_1)-\Phi(z_0)
  • 初等函数都是定义域内处处解析的,因此都有原函数
  • 凑微分,分部积分在复变函数领域依然适用

推论8:morera定理#

TIP

morera定理可以看做柯西古萨定理的逆定理,即由闭路积分为零可以推出来解析

morera定理:设 f(z)f(z) 在单连通区域 DD 内连续,CC 为 DD 内任意一条简单封闭曲线,如果 ∮Cf(z)dz=0\oint_Cf(z)dz=0,那么函数 f(z)f(z) 解析。

证明:可积说明存在原函数, F′(z)=f(z)F^\prime(z)=f(z) ,并且原函数是解析函数,由解析函数可以无限阶求导以及求导之后解析性不变可以得到 f(z)f(z) 是解析函数

整函数#

整函数的定义:在整个复平面 C\mathbb{C} 上解析的函数成为整函数

常见的整函数包括多项式函数指数函数(分支上)三角函数之类

刘维尔定理#

刘维尔定理:有界的整函数必为常值函数

证明
∀z∈C,∣f(z)∣≤M用柯西不等式的一阶导形式∣f′(z)∣≤Mρlim⁡ρ→∞∣f′(z)∣≤0∴f′(z)=0,f(z)=C\forall z\in\mathbb{C},|f(z)|\leq M\\ \text{用柯西不等式的一阶导形式}\\ |f^\prime(z)|\leq\frac{M}{\rho}\\ \lim_{\rho\to\infin}|f^\prime(z)|\leq0\\ \therefore f^\prime(z)=0,f(z)=C
复变函数:积分
https://biscuit0613.github.io/posts/math/cmplxfunc_int/
作者
biscuit
发布于
2025-08-20
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0
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