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計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)-方程求解_第2頁(yè)
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計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第1頁(yè)。1、通用函數(shù)的程序編寫問題:如何求一個(gè)函數(shù)的解,而函數(shù)是可以隨時(shí)替換的。例如:F(x)=x3+4x2+5F(x)=ex-5計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第2頁(yè)。實(shí)現(xiàn)步驟:1在窗體上加一個(gè)Scriptcontrol控件2在工程中添加一個(gè)類模塊class1.類模塊中的代碼:PublicK1AsDouble1、通用函數(shù)的程序編寫計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第3頁(yè)。PrivateFunctionHanshu(XAsDouble,Str1AsString)AsDoubleOnErrorResumeNextDimsharAsNewClass1ScriptControl1.AddObject"sh",sharScriptControl1.AddCode"FunctionF(x)"&vbCrLf&"kk="&Str1&vbCrLf&"sh.k1=kk"&vbCrLf&"EndFunction"

ScriptControl1.Run“F",XHanshu=shar.K1ScriptControl1.ResetEndFunction1、通用函數(shù)的程序編寫計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第4頁(yè)。作業(yè)1:試設(shè)計(jì)一個(gè)工程,可以計(jì)算函數(shù)的值。2分別輸出x=1,2,3……10函數(shù)的值。3測(cè)試替換了函數(shù)表達(dá)式后,你編寫的程序是否有效。1、通用函數(shù)的程序編寫計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第5頁(yè)。課題2:高次方程求解:在解決科學(xué)研究和工程領(lǐng)域中的實(shí)際問題時(shí),往往涉及到高次方程。高次方程解的個(gè)數(shù)和方程的次數(shù)相對(duì)應(yīng),即使只在實(shí)數(shù)范圍內(nèi)考慮,大多也有幾個(gè)解。但是,對(duì)于從解決土木工程問題歸納得到的高次方程,其有意義的解大多僅有一個(gè),并且是正數(shù)解。計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第6頁(yè)。2.1高次方程求解原理計(jì)算機(jī)解高次方程的基本過程大致如下:以x2-2=0為例,令y=x2-2其函數(shù)圖像如圖。y=0時(shí)的x值(x=土20.5)即為原方程的解。在x=20.5附近y值由負(fù)變正。由于函數(shù)是連續(xù)的,所以必定存在y=0對(duì)應(yīng)的點(diǎn),該點(diǎn)即為原方程的一個(gè)解。其他方程也是如此,如果知道了一個(gè)解的區(qū)間,就可以通過代人不同的x值觀察y的變化,從而逐次逼近該解。計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第7頁(yè)。高次方程求解常用方法高次方程的常用解法有掃描法、對(duì)分法、優(yōu)選法、迭代法、牛頓法等。計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第8頁(yè)。2.2掃描法求解方程的根掃描法的主要過程是:1.尋找方程解所在的區(qū)域[a,b]。由初始點(diǎn)a出發(fā),根據(jù)步長(zhǎng)h逐次迭代找到b點(diǎn),使f(a)X(b)=0,前一點(diǎn)即為a,f(a)與f(b)的值為一正一負(fù)。由于從實(shí)際土木問題中提煉出的函數(shù)f(x)在[a,b]連續(xù),所以在[a,b]內(nèi)必有一解x0,使f(x0)=0。該過程也可固定a點(diǎn)不變,單純擴(kuò)大區(qū)域找b點(diǎn).....計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第9頁(yè)。2.2掃描法求解方程的根2.縮小解所在的區(qū)域[a,b]。十等分[a,b],逐點(diǎn)求f(xi)值,直至相鄰兩點(diǎn)的值符號(hào)相反,這兩點(diǎn)即為新的區(qū)域[a,b]。3.重復(fù)上述過程直至收斂,達(dá)到一定精度為止。計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第10頁(yè)。2.2掃描法求解方程的根注意,求實(shí)際土木工程問題的解時(shí),起始點(diǎn)a應(yīng)取足夠小(小于解)或干脆取a=0。由于其有意義的解是一個(gè)正數(shù)解,搜索方向只要向正向進(jìn)行,甚至根據(jù)實(shí)際情況,直接選取適當(dāng)區(qū)域[a,b],然后從步驟2開始求解。而一般的高次方程則要復(fù)雜些,解不一定比a值大,因此解的區(qū)域也可能在初始點(diǎn)的另一邊,搜索方向需先判別。計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第11頁(yè)。2.2掃描法求解方程的根掃描法程序流程圖見圖2-2,圖中h為步長(zhǎng),e為要求的精度。掃描法程序中,因?yàn)橐袛嗟氖莾珊瘮?shù)的符號(hào),而不是它們的大小,利用符號(hào)函數(shù)可使計(jì)算量減少,即用m=sgn(f(a)),n=sgn(f(b))替代原來的計(jì)算更合理。計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第12頁(yè)。掃描法求方程根的流程圖2.2掃描法求解方程的根計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第13頁(yè)。用掃描法求方程x2-2=0的正數(shù)解,其計(jì)算結(jié)果見表2-12.2掃描法求解方程的根計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第14頁(yè)。由計(jì)算結(jié)果知,方程x2-2=0的一個(gè)解在1.414至1.415之間,只要進(jìn)一步縮小步長(zhǎng).重復(fù)上述過程,可獲得更高精度。2.2掃描法求解方程的根計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第15頁(yè)。DimM%,N%,iAsDoubleDimA#,B#,H#,E#,X#,Str2$DimStr1$i=1Str1=“計(jì)算次數(shù)a=b=m×n="&vbCrLfA=Val(Text2)’初始值H=Val(Text3)’求解步長(zhǎng)E=Val(Text4)’求解精度Str2=Text1.Text’函數(shù)表達(dá)式M=Sgn(Hanshu(A,Str2))2.2掃描法求解方程的根計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第16頁(yè)。DoB=A+HN=Sgn(Hanshu(B,Str2))Str1=Str1&i&Space(3)&A&Space(3)&B&Space(3)&M*N&vbCrLfIfM*N>0ThenA=BM=Ni=i+1ElseIfM=0ThenX=AExitDoElseIfN=0ThenX=BExitDo

ElseIfH<=EThenX=BExitDoElseH=0.1*H

EndIf

Ifi>5000ThenGoToerr1:EndIf

Loop'UntilH<=E2.2掃描法求解方程的根計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第17頁(yè)。Text5=“方程的解為:x="&X&vbCrLf&Str1

ExitSuberr1:MsgBox“找不到方程的根,計(jì)算次數(shù)已經(jīng)超過了5000次,請(qǐng)確認(rèn)輸入的函數(shù)是否正確”,vbInformation,“找不到方程的根"2.2掃描法求解方程的根計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第18頁(yè)。2.2作業(yè)2:根據(jù)以上的基本步驟與程序流程圖:(1)編寫掃描法求解高次方程的根(2)程序能夠通用化,即掃描法要用過程或函數(shù)來完成,供VB調(diào)用。(3)高次方程可以任意改變。計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第19頁(yè)。2.3對(duì)分法求解對(duì)分法掃描法運(yùn)算量大,為減少工作量可用對(duì)分法或優(yōu)選法,其基本思想和掃描法相同,即逐次縮小解的區(qū)域范圍。計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第20頁(yè)。2.3對(duì)分法優(yōu)選法求解實(shí)際操作時(shí),初始區(qū)域可取足夠大,使解被包含在內(nèi),這在解與實(shí)際化學(xué)問題相關(guān)的方程時(shí)很容易確定。在縮小區(qū)域[a,b]時(shí)則有所不同:在「a,b]取中點(diǎn)c。(即對(duì)分點(diǎn)),求f(c)值。并與f(a)或f(b))比較,舍棄符號(hào)相同的點(diǎn),保留符號(hào)相反的點(diǎn)在新的區(qū)域內(nèi)重復(fù)上述過程,直至達(dá)到要求的精度。用對(duì)分法求一元高次方程解的程序流程圖見圖2-32.3.1對(duì)分法計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第21頁(yè)。2.3.2對(duì)分法流程圖2.3對(duì)分法優(yōu)選法求解計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第22頁(yè)。2.3對(duì)分法優(yōu)選法求解2.3.3示例計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第23頁(yè)。2.3.4對(duì)分法關(guān)鍵程序PrivateSubErfenfa(Str1AsString,AAsDouble,BAsDouble,EpsAsDouble)DimFxAsDouble,FaAsDouble,FbAsDouble,XAsDouble,iAsIntegerDimStrtmpAsStringFa=Hanshu(A,Str1):Fb=Hanshu(B,Str1)IfFa*Fb>0ThenText4=“方程根不在你規(guī)定的區(qū)間"ExitSubEndIfIf(Fa=0OrFb=0)Then‘如果Fa,F(xiàn)b=0,則就是方程的根If(Fa=0)ThenX=AGoTo20ElseX=BGoTo20‘結(jié)束程序EndIfEndIf2.3對(duì)分法優(yōu)選法求解計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第24頁(yè)。Strtmp=“計(jì)算次數(shù)I=A=B=中點(diǎn)X=函數(shù)值"&vbCrLfi=1DoUntilAbs(A-B)<=Eps

X=(A+B)/2

IfAbs(Hanshu(X,Str1))=0ThenGoTo20‘如果’Hanshu(X,Str1)=0,說明此時(shí)的x已經(jīng)是方程的解IfHanshu(X,Str1)*Hanshu(A,Str1)<0ThenB=(A+B)/2ElseIfHanshu(X,Str1)*Hanshu(B,Str1)<0ThenA=(A+B)/2EndIfStrtmp=Strtmp&i&Space(3)&A&Space(3)&B&Space(3)&(A+B)/2&Space(3)&Hanshu(X,Str1)&vbCrLfi=i+1Ifi>5000ThenText4=“達(dá)不到你所要求的精度,已經(jīng)累加計(jì)算了5000次"ExitDoEndIfLoop2.3.4對(duì)分法關(guān)鍵程序2.3對(duì)分法優(yōu)選法求解計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第25頁(yè)。2.3.5程序界面2.3對(duì)分法優(yōu)選法求解計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第26頁(yè)。2.3.6作業(yè)3:本節(jié)已經(jīng)給出了對(duì)分的調(diào)用程序,請(qǐng)編寫程序界面,完成輸入和輸出。要求求解時(shí),列出每次求解時(shí)的中間過程。2.3對(duì)分法優(yōu)選法求解計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第27頁(yè)。2.4優(yōu)選法優(yōu)選法又叫0.618法,與對(duì)分法流程基本相同,但每次插人點(diǎn)。不是區(qū)域的中點(diǎn),而是在區(qū)域的0.618處,即c=a+0.618(b-a)或c=b-0.618(b-a),一般收斂速率更快。用對(duì)分法求解方程x2-2=0時(shí)的計(jì)算結(jié)果見表2-2計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第28頁(yè)。2.4.1優(yōu)選法計(jì)算表2.4優(yōu)選法計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第29頁(yè)。2.4.2作業(yè)按照對(duì)分法求解方法,編寫優(yōu)化法求解方程根的程序,要求:每一個(gè)循環(huán)中間步驟要輸出。2.4優(yōu)選法計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第30頁(yè)。2.5迭代法高次方程也可利用迭代方法求解。把原方程f(x)=0。進(jìn)行適當(dāng)變換,建立迭代方程xi+1=G(x)依次迭代,直至收斂。例2-1求方程x3-x-1=0在x=1.5附近的根。方程由f(x)=0形式改寫成迭代方程:計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第31頁(yè)。以1.5作x的初值x0,代入上式求出x1=1.3572,再以x1代入,進(jìn)一步求出x2…..,直到計(jì)算結(jié)果見下表(ε=0.00001)2.5迭代法(原理)計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第32頁(yè)。2.5迭代法(原理)計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第33頁(yè)。2.5.1注意事項(xiàng)迭代法的關(guān)鍵在于選定合適的迭代方程,要求迭代方程收斂,否則,因發(fā)散而得不到方程的解。如上例,若用x=x3-1為迭代方程,同樣取x0=1.5,則x1=2.375,x2=12.3965..…顯然xk的值越來越大,即迭代方程發(fā)散,正因?yàn)榈ㄓ写巳毕荻拗屏怂氖褂?。確定迭代方程是否收斂,可以用|G'(x)|<1進(jìn)行判別,當(dāng)x滿足此式時(shí)一般收斂,否則發(fā)散。計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第34頁(yè)。2.6牛頓法牛頓法又稱弦切法,也是迭代法的一種。求f(x)=0的解,即求曲線f(x)與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)a(如圖2-5所示),在a點(diǎn)附近x0處的斜率所以所以迭代方程為:計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第35頁(yè)。2.6牛頓法結(jié)束條件:直到f(xi)=0,即xi+1=xi或|xi+1-xi|<ε為止。計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第36頁(yè)。2.6.1牛頓法舉例思考題1:用牛頓迭代法求解x2-25=0的正數(shù)解。自己用筆先計(jì)算。計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第37頁(yè)。2.6.1牛頓法舉例牛頓迭代收斂快,尤其是土木方程,總有一實(shí)數(shù)解,且知道解的基本范圍,故使用很方便。計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第38頁(yè)。2.6.3牛頓迭代法的近似解法有時(shí),f'(x)的表達(dá)式很復(fù)雜或無法求時(shí)怎么辦呢?計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第39頁(yè)。2.6.3牛頓迭代法的近似解法可用數(shù)值近似法替代:式中,δ為遠(yuǎn)小于xi的一個(gè)小數(shù)。計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第40頁(yè)。本節(jié)上機(jī)作業(yè)4.寫出用0.618法求解一元三次方程的程序框圖。按流程求出方程2x3+3x2-17x-30=0在[1,10]區(qū)域的解,精度為0.01.5,用迭代法解方程f(x)=x-sinx-0.5=0。精度0.0016.用牛頓近似迭代法求x2+10cosx=0的根要求能夠輸出每一步計(jì)算的結(jié)果。計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第41頁(yè)。本節(jié)上機(jī)作業(yè)牛頓迭代法求解時(shí)應(yīng)注意:作業(yè)7給的初值不同時(shí),求解的解并不同,這時(shí)因?yàn)槿绻匠逃卸鄠€(gè)解,它是趨于最近的解。例如作業(yè)中2x3+3x2-17x-30=0,分別初值代入-4,-3,-2,0.1,2分別代入,找到方程的解。計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第42頁(yè)。思考題本節(jié)講的掃描法,對(duì)分法,優(yōu)選法及迭代法,當(dāng)求到一個(gè)合適的解后,程序就自動(dòng)完成了,問題提出,如何求出方程所有的解:計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第43頁(yè)。數(shù)值積分計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第44頁(yè)。1定積分的求解在高等數(shù)學(xué)中,對(duì)一個(gè)定積分的求解,可以利用牛頓一萊布尼茲(Newton-Leibniz)公式,即這里F(x)是f(x)的一個(gè)原函數(shù)。計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第45頁(yè)。但是,在科學(xué)研究和工程技術(shù)中常會(huì)遇到下述幾種情況,如:1.被積函數(shù)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,求原函數(shù)困難2.原函數(shù)不能用初等函數(shù)表示;3.被積函數(shù)不存在原函數(shù)。這時(shí)用牛頓一萊布尼茲公式精確計(jì)算積分值相當(dāng)困難,需要建立積分的近似計(jì)算方法。數(shù)值積分就是一種常用的近似計(jì)算方法。數(shù)值積分不受被積函數(shù)有無解析解的限制,土木工程中都可用數(shù)值積分解決。本章介紹最基本的數(shù)值積分法,它們是矩形法、梯形法、辛普森法。計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第46頁(yè)。2矩形積分法4-1矩形在滿足一定精度的范圍內(nèi).數(shù)值積分可以只利用被積函數(shù)來求得積分值,為什么可以這樣進(jìn)行呢?我們知道,函數(shù)f(x)在區(qū)間[a,b]之間求積,就是求圖4-1中的f(x)曲線與x軸以及兩直線x=a,x=b所圍成的幾何圖形的面積。計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第47頁(yè)。2.1基本原理如圖4-2所示,我們把區(qū)間[a,b]分為n個(gè)等分,每等分長(zhǎng)為△x,那么其面積計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第48頁(yè)。作業(yè)1:試編程實(shí)現(xiàn)上述矩形積分要求是個(gè)通用程序通過傳遞參數(shù)計(jì)算計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第49頁(yè)。2.2關(guān)鍵程序代碼PublicFunctionJuxingJifen(Str1AsString,AAsDouble,BAsDouble,DengFenAsInteger)AsDoubleDimSum1AsDouble,iAsLong,HAsDoubleH=Abs(B-A)/DengFenSum1=0Fori=1ToDengFenSum1=Sum1+Hanshu(A+i*H,Str1)*HNextJuxingJifen=Sum1EndFunctionStr1函數(shù)表達(dá)式,但必須符合VB的表示方法。A,B積分的上下限D(zhuǎn)engfen積分區(qū)間的等分份數(shù)計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第50頁(yè)。2.3精度控制在計(jì)算時(shí),曲線以下、矩形以上形如三角形的面積都未被考慮,故有一定的誤差。當(dāng)然,若將△x取得小一些,誤差就可減小,不過計(jì)算量卻要大大增加,從而也增大了誤差的積累。計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第51頁(yè)。3梯形積分法減少誤差的一種方法是,將每個(gè)等分用梯形代替矩形,如圖4-3所示。計(jì)算方法相應(yīng)地改為:計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第52頁(yè)。3.1梯形積分法舉例例4-1利用梯形法求積分的近似解。解:該積分的解析解是0.333.....。按梯形法,將積分區(qū)間二等分(n=2),計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第53頁(yè)。3.1梯形積分法舉例隨n增大,△x減小,近似結(jié)果趨近于解析解,見表π△xSπ△xS40.250.344160.06250.33480.1260.334640.01560.333計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)--方程求解全文共60頁(yè),當(dāng)前為第54頁(yè)。3.2程序關(guān)鍵代碼但是梯形法以直線來代替曲線仍有誤差,如果用某種曲線來代替,就能進(jìn)一步減少誤差,為此而發(fā)展了辛普森求積方法。PublicFunctionTixingJifen(Str1AsString,AAsDouble,BAsDouble,DengFenAsInteger)AsDoubleDimSum1AsDouble,iAsLong,HAsDoubleH=Abs(B-A)/DengFenSum1=0Fori=1ToDengFenSum1=Sum1+(Hanshu(A+(i-1)*

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