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文檔簡介

常微分方程期終考試試卷(1)

一、填空題(30%)

1、方程+N(羽')辦=0有只含%的積分因子的充要條件是()。

有只含丁的積分因子的充要條件是。

2、稱為黎卡提方程,它有積分因子=

3、稱為伯努利方程,它有積分因子o

4、若X]Q),X2?),為八階齊線性方程的〃個(gè)解,則它們線性無關(guān)的充要條件

是O

5、形如的方程稱為歐拉方程。

6、若。⑺和收⑺都是%=4。%的基解矩陣,則。⑺和少⑺具有的關(guān)系是

7、當(dāng)方程的特征根為兩個(gè)共軌虛根是,則當(dāng)其實(shí)部為時(shí),零解是穩(wěn)定的,對(duì)應(yīng)

的奇點(diǎn)稱為=

二、計(jì)算題(60%)

]泌_(x+y3)dy=o

2、+x=sint-cos2t

21

A=

—14

3、若-試求方程組x'=Ax的解口2」并求expAt

-4xy—+8j2=0

4、dx

包…/

5、求方程辦經(jīng)過(0,0)的第三次近似解

dx.dy-

—=-x-y+1,—=x—y—5

6.求力dt的奇點(diǎn),并判斷奇點(diǎn)的類型及穩(wěn)定性.

三、證明題(10%)

1、〃階齊線性方程一定存在〃個(gè)線性無關(guān)解。

試卷答案

一填空題

dMSNdMdN

—8dydx

=(p(y)

1、—M

半=〃(%>2+Q乂y+R%

2、axy=y+z

“(%,算小(夕》,

3、

4、用工1⑺,尤2⑺,,⑺]。。

q+%卷+”=。

xn也+匯+

dxn1dxn-l

5、

6、"⑺=。?)。

7、零穩(wěn)定中心

二計(jì)算題

9MdN

i、解:因?yàn)?所以此方程不是恰當(dāng)方程,方程有積分因子

,后力=/"11dxx+y3,

〃(y)=e'——--------9內(nèi)=。

丁,兩邊同乘>得>>

2

xy

—+—=c

y2即2%=y(y+c)另外y=o也是解

2、線性方程%"+尤=0的特征方程之2+]=0故特征根幾=±1

力Q)=sm/幾='?是特征單根,原方程有特解XM/ACOS/+BSHU)代入原方程

1

A=-2B=of2(t)=-cos2t/I=2,不是特征根,原方程有特解

x=Acos2t+BsinZ,代入原方程B=0

x=cxcosr+c2sinr——tcost+—cos2t

所以原方程的解為23

%-2—1

pW==22-62+9=0_

12—4解得4,2=3此時(shí)k=ia=2

3、解:

六(A-34卜/H)

〃2」\_i=0l-_〃2+Sl+%)

A

苦±G(A-花y

由公式expAt=i=0’.得

-I0—111—tt

expAt=e3t[E+t(A-3E)]=e3t+t

01—11—t1+?

―4y由3=px=

4、解:方程可化為dx令dx則有4卯(*)

2y(/-4y2+p(8y2_p3)=4y2P

(*)兩邊對(duì)y求導(dǎo):

(,3—4y2)(2y,—夕)=02y?—p=0_|y=(^)2

即dy由辦得P=⑦即c將y代入

c22P

X=----1---5-

4c2

%上+“

?A/i2If

(*)4c即方程的含參數(shù)形式的通解為:Cp為參數(shù)

2-_4%3

又由4>2=°得〃=(4/)3代入(*)得:'27”也是方程的解

%=%=°

2

。1=%+小小5

,2

3°X1、)X

。3=%+-----1----)dx——+一+-------1-----

5、解:40020----2204400160

dx

y

dt

-x-y+1=0包—一

解得奇點(diǎn)(3,-2)令X=x-3,Y=y+2則y

6、解:由%_y_5=°、dt

—1—i

1-i

因?yàn)?1+1Wo故有唯一零解(0,0)

A+1

=22+22+1+1=22+22+2=0

得幾=一1±力故(3,-2)為穩(wěn)

定焦點(diǎn)。

--、證明題

由解的存在唯一性定理知:n階齊線性方程一定存在滿足如下條件的n解:

西優(yōu))=1,%2(%0)二°,=。

司優(yōu))=0,X2(?Q)=1,,%〃(%0)=0

k1。0)=。,域1(%0)=。,,X;1(/0)=1

100

010

阿西(%0),%2(%0),,%〃(%0)]==1W。

以由001

考慮

從而七Q)(z=l,2,")是線性無關(guān)的。

常微分方程期終試卷(2)

一、填空題30%

1、形如的方程,稱為變量分離方程,這里./(X)0(V)分別為x.y的連

續(xù)函數(shù)。

2、形如的方程,稱為伯努利方程,這里為小的連續(xù)函

數(shù).nW?!故浅?shù)。引入變量變廢----------,可化為線性方程,

3、如果存在常數(shù)LA。,使得不等式對(duì)于所有

(九,y),(無,%)GR都成立,L稱為利普希茲常數(shù),函數(shù)/(x,y)稱為在R上關(guān)于

》滿足利普希茲條件。

4、形如-的方程,稱為歐拉方程,這里4,出,是常數(shù)。

5、設(shè)。⑺是x'=A無的基解矩陣,0⑺是x'=A(t)x+/?)的某一解,則它的任一

解/⑺可表為_o

二、計(jì)算題40%

@=62—4的通解。

1、求方程公工

2、求方程加工的通解。

3、求方程x"+6x'+5x=e2'的隱式解。

@=x+/通過點(diǎn)(0、0)的第三次近似解。

4、求方程公

三、證明題30%

「21「01]rI

tt22/

1.試驗(yàn)證①(')』2f1」是方程組x'=〔t2"x,x」X2」,在任何不包含原點(diǎn)的區(qū)間

上的基解矩陣。

2.設(shè)①(0為方程x'=Ax(A為nxn常數(shù)矩陣)的標(biāo)準(zhǔn)基解矩陣(即①(0)=E),證明:

①(。①T(to)=①(t-t。)其中t。為某一值.

《常微分方程》期終試卷答卷

一、填空題(每空5分)

5=/(x)9(V)孚=P(x)y+Q(x)yni-?

1dx2>dxz=y

//(3)-/(x,為)品4%—%|

o'

X'"+“產(chǎn)7+…+3包+%y=。

4、dx"1dxn-1"Tdxn

5、7?)=O(f)+e(r)

二、計(jì)算題(每題10分)

I2=_y2立

1、這是n=2時(shí)的伯努利不等式,令2=y,算得辦'dx

代入原方程得到辦工,這是線性方程,求得它的通解為z=%68

----1---------------二C

帶回原來的變量y,得到、=/8或者y8,這就是原方程的解。

此外方程還有解y=0.

2、

dyxexy-y

-=exy-xy=---------

解:dxx

xdy=(xexy-y)dx

xdy+ydx=xexydx

dxy=xexydx

dxy7

----=xdx

exy

-e~xy=-x2+c

積分:2

1

——9+L+。=0

故通解為:2

解:齊線性方程九''+6%'+5%=°的特征方程為矛+62+5=0,

5f

4=-1,=-5f故通解為%。)=G"'+c2e~

彳=2不是特征根,所以方程有形如MO=Ae"

把%。)代回原方程4Ae2'+12Ae2'+5Ae"=e"

A=—

21

X(f)—CyC'+QC%H----

于是原方程通解為21

4、

解。0(%)=。

x冗2

01(%)=J[X+(x)]dx=—

o2

X%2冗5

夕2(x)=J[x+(p^x)]dx=—+—

o22。

%?25?8?11

/、「「2/、、[

(%)—I[x+([)n(x)]dx=---1----1----1-----

3J22201604400

三、證明題(每題15分)

,2、小、roi)

t凹_22

1、證明:令①Q(mào))的第一列為91(t)=(20,這時(shí)。1(t)=l2j=(f⑴故必⑴

門、(01)

1_2_2

是一個(gè)解。同樣如果以。2⑴表示①(f)第二列,我們有%(t)=l°人I/t)(P2(t)

這樣%(t)也是一個(gè)解。因此①Q(mào))是解矩陣。又因?yàn)閐et①G)=-t2故①0)是基解矩陣。

2、證明:(1)①⑺,①(t-t。)是基解矩陣。

(2)由于①Q(mào))為方程x'=Ax的解矩陣,所以①⑺①t(t。)也是x'=Ax的解矩陣,

而當(dāng)t=t。時(shí),<D(t。)①T(to)=E,<D(t-to)=<D(0)=E.故由解的存在唯一性定

理,得①G)①T(to)=<D(t-t。)

常微分方程期終試卷(3)

一.解下列方程(10%*8=80%)

2

22)l+y

1.1.2xylnydx+{x+丁/}dy=O

dyy

----2

2.dx=QX-xy

.(上幻

3.y=2x+y—l

5.5.tgydx-ctydy=0

2

6.6.{y-x(x2+y)}dx-xdy=0

7.一質(zhì)量為m質(zhì)點(diǎn)作直線運(yùn)動(dòng),從速度為零的時(shí)刻起,有一個(gè)和時(shí)間成正比(比例系數(shù)為占)

的力作用在它上面,此外質(zhì)點(diǎn)又受到介質(zhì)的阻力,這阻力和速度成正比(比例系數(shù)為

心)。試求此質(zhì)點(diǎn)的速度與時(shí)間的關(guān)系。

8.已知f(x)J。,',=1?。0,試求函數(shù)£&)的一般表達(dá)式。

二.證明題(10%*2=20酚

]

9.試證:在微分方程Mdx+Ndy=O中,如果M、N試同齊次函數(shù),且xM+yN,0,則^xM+泗)

是該方程的一個(gè)積分因子。

10.證明:如果已知黎卡提方程的一個(gè)特解,則可用初等方法求得它的通解。

試題答案:

dMdN

8MdNQyQx2%lny1

1.解:方=2xlny+2x,②=2x,則-M=-2qlny=_y,故方

程有積分因子〃(y)=e、'=y,原方程兩邊同乘以y得

2xylny22+/S+。?_____

ydx+ydy=o是恰當(dāng)方程.d(Xlny)+yJl+Vdy=0,兩邊積分得方

3

2

程的解為.

-i

2.解:1)y=0是方程的特解。2)當(dāng)yWO時(shí),令z二)得

2

dz_6_c!x

dx=%z+x.這是線性方程,解得它的通解為z=F8

12

1CX

-6"-------

代回原來的變量y得方程解為V=%8.y=o.

dv2-----

3.解:令x=u+3,y=v-2,可將原方程變?yōu)?&=\U+VJ,

-M—2|]+zdz

u—

再令z=",得到z+U=、'十即〃二

(\

J—I--------Tdzfdu

z14,-J

分離變量并兩端積分得IZ〃+lnC

即In忖+2arctgz=MM+lnC,

_v

..-2arctg—

In?'=_2arctgz+lnC代回原變量得v=C,

,y+2

-2arctg-----

所以,原方程的解為y+2=CCX-3.

1/x一2

4.解:將方程改寫為y」+%(*)令U二X,得至|JXy=X4+U,則(*)變?yōu)閄

du____

dx二)"U,變量分離并兩邊積分得arcsinu=ln1^1+lnC,故方程的解為

2

x

arcsin=lnCxo

5.解:變量分離ctgxdy二tgydx,兩邊積分得In(siny)=-+c或sinycosx=C(*)

n

另外,由tgy=0或ctgx=0得y=k?(k=0、1…),x=t%+2(t=0、1…)也是方程的解。

tgy=0或ctgx=0的解是(*)當(dāng)C=0時(shí)的特殊情況,故原方程的解為sinycosx=Co

2222

6.解:ydx-xdy-x(+>)dx=0,兩邊同除以%+>得

ydx-xdy

X1X1

22——2-—2

%+y-xdx=0,即d(arctg丁)-2dx=0,故原方程的解為arctg丁—2X=c。

dv

7.解:因?yàn)镕=ma=m力\又F=一/2=左/一左2丫,

dvdv——

即m4=kf—k2"(V(0)=0),即力二七1'Z2V(v(O)=O),

kF卜k

-----2與8m

解得v二%2em+左2(t七).

/(X)」(/?)",兩彷索身制

8.解:令f(x)=y,

11-」4

—y3,

即丁二y,即>=dx,兩邊求積得>=2x+c,

ii

±-——±―——

從而y=J'2x+C,故f(x)=,2x+C.

9.證明:如M、N都是n次齊次函數(shù),則因?yàn)?/p>

=nM,xNx+yN丫=心,故有

dMdN

dyxM+yNdxxM+yN=

M+yN)-y+N+yNJN,xM+yN)-N(xM,+凡+yN)

(xM+yN)2(xM+yN)~

M(XN,+yN)-N(xM+yNJ

2

={xM+yN)

M(nN)—N(nM)

=—一(xM+yN)?加

故命題成立。

10.解:1)先找到一個(gè)特解丫=》。

2)令y=y+z,化為n=2的伯努利方程。

證明:因?yàn)閥=y為方程的解,

dy2

所以公=P(X)y+Q(X)y+R(X)(i)

令則有

dydz2

dx+dx=p(x)(>+z)+Q(x)(y+z)+R(x)⑵

dz2

⑵一⑴得dx二P(x)(2yZ+Z)+Q(x)z

dz

-v2

即dx=[2P(x))+Q(x)]z+P(x)Z

此為n=2的伯努利方程。

常微分方程期終試卷(4)

一、填空題

1、()稱為變量分離方程,它有積分因子()。

2、當(dāng)()時(shí),方程加(無,、),%+?/(%?。┬?°稱為恰當(dāng)方程,或稱全

微分方程。

3、函數(shù)/(蒼?。┓Q為在矩形域R上關(guān)于>滿足利普希茲條件,如果()。

4、對(duì)畢卡逼近序列,隊(duì)⑴―秋-1(刈"()。

5、解線性方程的常用方法有()。

6、若X,?)?=l,2,…,⑶為齊線性方程的〃個(gè)線性無關(guān)解,則這一齊線性方程的所有解可

表為()。

7、方程組x'=4(’)x()0

8、若“?)和〃?)都是%'=40%的基解矩陣,則。⑺和〃⑺具有關(guān)系:()。

9、當(dāng)方程組的特征根為兩個(gè)共軌虛根時(shí),則當(dāng)其實(shí)部()時(shí),零解是穩(wěn)定的,對(duì)

應(yīng)的奇點(diǎn)稱為()=

10、當(dāng)方程組的特征方程有兩個(gè)相異的特征根時(shí),則當(dāng)()時(shí),零解是漸近

穩(wěn)定的,對(duì)應(yīng)的奇點(diǎn)稱為()。當(dāng)()時(shí),零解是不穩(wěn)定的,對(duì)應(yīng)的

奇點(diǎn)稱為()o

1]、若"⑺是x'=A?)x的基解矩陣,則x'=A?)x=/⑺滿足=〃的解

()。

二、計(jì)算題

求下列方程的通解。

—=4e~ysinx-1

1、dx

dy2

—=1+y

3、求方程公'通過(°,°)的第三次近似解。

求解下列常系數(shù)線性方程。

4、%"+%'+%=0。

5、X附7=3。

試求下列線性方程組的奇點(diǎn),并通過變換將奇點(diǎn)變?yōu)樵c(diǎn),進(jìn)一步判斷奇點(diǎn)的類型及穩(wěn)定性:

dx—X—y+!,包^=x—y—5

6、dtdt

三、證明題。

1、1、設(shè)。?)為方程%'=Ax(A為〃常數(shù)矩陣)的標(biāo)準(zhǔn)基解矩陣(即。(0)=石),

證明帕)。—%o)其中%為某一值。

答案:八

一、填空題

1

3=/(x)g(x)u-------

1、形如小的方程g(y)

8M8N

dydx

3、存在常數(shù)L〉0,對(duì)于所有(為,%),(%,%)eR都有使得不等式

|/(七,%)-/(色>2)|的乃一巴|眇立

*k

4、k\

5、常數(shù)變異法、待定系數(shù)法、幕級(jí)數(shù)解法、拉普拉斯變換法

x(0=

6、-i,其中qq,???,g是任意常數(shù)

7、九個(gè)線性無關(guān)的解匹⑺,々⑺,…居⑺稱之為x'=A⑺”的一個(gè)基本解組

8、槨)=@3c(a<.<?c為非奇異常數(shù)矩陣

9、等于零穩(wěn)定中心

10、兩根同號(hào)且均為負(fù)實(shí)數(shù)穩(wěn)定結(jié)點(diǎn)兩根異號(hào)或兩根同號(hào)且均為正實(shí)數(shù)不穩(wěn)

定鞍點(diǎn)或不穩(wěn)定結(jié)點(diǎn)

]]=。⑺°T?0)7+。⑺『/(s)/(s)ds

二、計(jì)算題

dey

------二—ey+4sinx—1

i、解:方程可化為dx

dz彳.

——=-z+4smx

令2=",得dx

由一階線性方程的求解公式,得

z=/(j4sinxe~)dx+c=e~x[2(sinx-cosx)]ex+c=2(sinx—cos%)+ce

所以原方程為:eP=2(sinx-cosx)+ce-

S

設(shè)

-而

:

,

?±1

fr坦

XIg。

-r?=

'n

?S%l的解

(x+c)+l=y,另外y=±l也是方程的解

解:。。

3、0(%)=

rx12

/(x)=J。xd關(guān)5x

(Or.(x)—f(xH—x4)dx=-XH-----%5

2Jo4220

(P-,(%)=[¥|-%+(—%12*+—%5)2dx=['fx+—X4H■——x10+—X7

3Jo[220\J。I440020J

1x11J_8

=-x2+—x5++x

2204400160

_1,V3.q

1

42+2+1=。,解得I222

4、解:對(duì)應(yīng)的特征方程為:

」V3V3

2

x=e(qcos-^-Z+c2sinZ)

所以方程的通解為:

2=1以二T±?

5、解:齊線性方程%"'-%=°的特征方程為牙―1=0,解得2,32

t4V3.".Vs.

ee/cos—ic乙sin—i

故齊線性方程的基本解組為:’22,因?yàn)?=1是特征根,

所以原方程有形如x?)=tAet,代入原方程得,3Ae!+Ater-Ater=er,所以

i-x/3.--.V3.1t

A=-t-5cos—i+sin—iH—tc

2

3,所以原方程的通解為了=cxe+c2e223

-x-y+\=0x=3X=x-3

解得所以奇點(diǎn)為()經(jīng)變換,

6、解:%-y-5=0B=—23,-2[y=y+3

-=-X-Y

dt

◎=x-y*0,

1-1

方程組化為、dt因?yàn)橛?/p>

2+11

=(2+1)2+1=0

2+1所以4=—i+,,4=—1―,,故奇點(diǎn)為穩(wěn)定

焦點(diǎn),所對(duì)應(yīng)的零解為漸近穩(wěn)定的。

三、證明題

1、證明:0?)為方程x'=Ax的基解矩陣°TQ。)為一非奇異常數(shù)矩陣,所以

。⑺°|伉)也是方程才=—的基解矩陣,且0Q—玲)也是方程x'='的基解矩陣,

且都滿足初始條件西)。'。0)=E,帕oTo)=。(°)=E

所以。⑺,%)=0?To)

常微分方程期終考試試卷(5)

一.填空題(30分)

~~—P(x)y+Q(x)-fp(x)(&

1.公稱為一階線性方程,它有積分因子eJ,其通解為

2.函數(shù)/(龍,川稱為在矩形域R上關(guān)于y滿足利普希茲條件,如果。

3.若9(x)為畢卡逼近序列{%(%)}的極限,則有忸(X)—弘(刈<。

蟲=/+)2

4.方程公'定義在矩形域火:—2Wx<2,—2<y<2上,則經(jīng)過點(diǎn)(°,。)的解

的存在區(qū)間是o

t—t2?

5.函數(shù)組e,e,e的伏朗斯基行列式為。

6.若%,?)?=12…,〃)為齊線性方程的一個(gè)基本解組,X。)為非齊線性方程的一個(gè)特解,

則非齊線性方程的所有解可表為o

7.若①⑺是1=4⑺%的基解矩陣,則向量函數(shù)。⑺=是%=A?)x+/?)的滿

足初始條件斑)=°的解;向量函數(shù)9?)=

是九=A(t)x+/(0的滿足初始條件)=〃的解。

8.若矩陣A具有〃個(gè)線性無關(guān)的特征向量匕#2,…,V”,它們對(duì)應(yīng)的特征值分別為

4,4,…4,那么矩陣①?)=是常系數(shù)線性方程組%=A%的一個(gè)基解矩陣。

9.滿足的點(diǎn)a*,y*),稱為駐定方程組。

計(jì)算題(60分)

10.求方程4/y2dx+2(心—1)辦=0的通解。

dyy

—+x=0

11.求方程dx的通解。

^=x2-y2

<dx

12.求初值問題〔>(T)=°的解的存在區(qū)間,并求第二次近似解,

給出在解的存在區(qū)間的誤差估計(jì)。

13.求方程%,+9無=/sin3f的通解。

14.試求方程組1=4+/⑺的解9()

--11「12]「e「

夕(0)=[,A=43廳3=1

蟲=2x-7y+19,@=x-2y+5

15.試求線性方程組力dt-的奇點(diǎn),并判斷奇點(diǎn)的類型及穩(wěn)定

性。

三.證明題(10分)

16.如果。⑺是%=Ax滿足初始條件0色)=〃的解,那么

常微分方程期終考試試卷答案

一.填空題(30分)

1y=Q(x)e^PMdxdx+c)

2.7(%?)在H上連續(xù),存在L〉O,使P(x,y)—/(蒼月)區(qū)4%一%|,對(duì)于任意

(羽%),(%,%)GH

ME1

hn+i

3.5+1)!

11

——<X<—

4.44

el2/

et2t

el2t

5.

n

x?)=Zc/?)+M。

6.i=l

f①(OOT(s)/(s)ds①⑺①Tg)77+①⑺1①T(s)f(s)ds

7.

8.

9.X(x,y)=O,y(x,y)=O

二.計(jì)算題(60分)

dM8N.

-----=X%2y,=ox2y

10.解:②dx

dMdN

dydx-j-t/y_1

-M2y積分因子M(y)=e2y2

2_1

23

兩邊同乘以〃G)后方程變?yōu)榍‘?dāng)方程:4%2y3d%+2y(xy-l)tZy=0

du,42743I

———M—^xy3u=—xy2+0(y)

及兩邊積分得:3

fl11

一二2x3y2+0(y)=N=2x3y2-2y2

8■

2

得:9(y)=Ty2

j.

因此方程的通解為:y2(/y-3)=c

dy_■_

ii.解:令公>p則?+〃_%=0

得:^=p+ep

y=Jpdx=jp(l+ep)dp

那么

=~^—+pep-ep+c

2

x=p+ep

y=g+(p-l)e,+c

因此方程的通解為:

M=max|/(x,y)|=4

12.解:1

h=min(a,—)=-

|%一/|41=小_%|<1=%M4

|x-x0|=|x+l|<A=

解的存在區(qū)間為

5.3

----<X<—

即44

今0o(x)=%=0

(p、(x)=0+Jx~dx———b—

x3%7X4X11

02(X)=0+Ldx=----

36318942

更=\-2y\<2=L

1

|夕2(%)-。(刈三則二h"+l

誤差估計(jì)為:24

13解?/2+9=0=>4=3,;4=-3i

X=3,?是方程的特征值,設(shè)x?)=(A/+3)e3”

得:%"=(2A-9Bf+l2Ait+6Bi-9At2)e3it

則2A+12Ait+6Bi=t

得:1236

11

%(%)=C]cos3,+。2sin3,一五12cos3z+—Zsm3t

因此方程的通解為:

A—1-2

det(AE-A)==(2+1)(2—5)=0

14.解:-42-3

4=—1,/12=5

「a1「1

(4E—A)%=。得-a」取

[尸]「「

2

(%E—AM=。得*[2閨取-LJ

①(。=

則基解矩陣

e

①⑺①T1(0)〃=「~'

35;1,2

——e+—e——

①⑺(①T(s)/(s)ds=2045

3sr1八1

1025.

。⑺=①⑺①t(0)7/+①⑺,①tG)/(s)ds

因此方程的通解為:

12

--

4一5

2011

3-+-

一e25

10

2x-7y+19=0Jx=1

x-2y+5=0[y=3

15.解:

(1,3)是奇點(diǎn)

令X—T+1萬9,y_—yv—55

-^2X-Jy,—=x-2Y

dtdt

2-72八八272-27

=n3#0,=3+允=0

]—20F一T2+20

2,那么由2-2

因此(1,3)是穩(wěn)定中心

三.證明題(10分)

口…/⑺=①⑺①飛切+①⑺叱⑶/⑸公

16.證明:由定理8可知

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