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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
有
解
從
則
設(shè)
-而
:
,
?±1
冠
fr坦
XIg。
-r?=
'n
方
為
故
程
?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
又
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)
尤
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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