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UFSJ - Matemática 14 Cálculo I Fórum – A invenção do Cálculo por Newton e Leibniz e sua evolução para o Cálculo Contemporâneo. Julio Cesar Cálculo I Julio Cesar Pereira – Matemática – SERRA 01 Página 2 Cálculo I Julio Cesar Pereira – Matemática – SERRA 01 Página 3 Sir Isaac Newton aplicou o cálculo às suas leis do movimento e a outros conceitos matemáticos-físicos. Gottfried Wilhelm Leibniz: o inventor do cálculo, juntamente com Newton. Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1lculo Cálculo I Julio Cesar Pereira – Matemática – SERRA 01 Página 4 Introdução A História do Cálculo remonta à antiguidade. Na Antiguidade, foram introduzidas algumas ideias do cálculo integral, embora não tenha havido um desenvolvimento dessas ideias de forma rigorosa e sistemática. A função básica do cálculo integral, calcular volumes e áreas, pode ser remontada ao Papiro Egípcio de Moscou (1850 A.C.), no qual um egípcio trabalhou o volume de um frustum piramidal. Eudoxo de Cnido, ou Eudoxus, (408-355 a.C.) usou o método da exaustão para calcular áreas e volumes. Arquimedes (287- 212 a.C.) levou essa ideia além, inventando a heurística, que se aproxima do cálculo integral. O método da exaustão foi redescoberto na China por Liu Hui no século III, que o usou para encontrar a área do círculo. O método também foi usado por Zu Chongzhi século V, para achar o volume de uma esfera. Na Idade Média, o matemático indiano Aryabhata usou a noção infinitesimal em 499 d.C. expressando-a em um problema de astronomia na forma de uma equação diferencial básica. Essa equação levou Bhāskara II no século XII a desenvolver uma derivada prematura representando uma mudança infinitesimal, e ele desenvolveu também o que seria uma forma primitiva do "Teorema de Rolle". No século XII, o matemático persa Sharaf al-Din al-Tusi descobriu a derivada de polinômios cúbicos, um resultado importante no cálculo diferencial. No século XIV, Madhava de Sangamagrama, juntamente com outros matemáticos-astrônomos da Escola Kerala de Astronomia e Matemática, descreveu casos especiais da Série de Taylor, que no texto são tratadas como Yuktibhasa. De acordo com Gauss, Arquimedes, o maior matemático da antiguidade, já apresentava ideias relacionadas ao Cálculo dois séculos antes de Cristo. Cálculo I Julio Cesar Pereira – Matemática – SERRA 01 Página 5 Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1lculo Mas havia ainda dois problemas centrais que precisavam ser solucionados: Foi somente no século XVII que tais problemas começaram a ser solucionados. Cálculo I Julio Cesar Pereira – Matemática – SERRA 01 Página 6 Descartes, René (1596--1650) O francês Descartes recebeu uma excelente educação no campo das leis, da matemática, da física, da mecânica e da acústica - primeiro em uma escola jesuíta e depois na Universidade de Poitiers. Encontrou-se e desenvolveu uma relação duradoura com o matemático e comunicador popular Padre Mersenne. Em 1619, Descartes contou a seu amigo Beeckman sobre uma nova ciência que ele tinha desenvolvido, denominada "geometria analítica". Já adulto, serviu no exército de vários países. Mais tarde, viveu na Holanda, onde produziu a maior parte da sua obra matemática. Para Descartes a matemática era apenas parte de algo maior. Uma forma de adquirir conhecimento confiável através de métodos confiáveis para solução de problemas. Descartes não foi o inventor do Cálculo, mas contribuiu muito, uma vez que criou a Geometria Analítica. Cálculo I Julio Cesar Pereira – Matemática – SERRA 01 Página 7 Fermat, Pierre de (1601--1665) Fermat nasceu no seio de uma próspera família francesa. Estudou os clássicos e aprendeu latim, grego, italiano e espanhol. Um dos maiores matemáticos do século dezessete, Fermat hesitou em publicar sua obra e raramente escreveu descrições completas até para uso próprio. A maior parte de sua obra foi registrada em correspondências trocadas com seus amigos matemáticos Gassendi, Huygens e Mersenne. Ele foi um dos co-fundadores, junto com Descartes, da geometria analítica. Beneficiou-se lendo as obras de Viète. O livro de Fermat Ad locos planos et solidos isagoge (Introduction to plane and solid loci) continha um sistema mais direto e claro do que o La géométrie, de Descartes. O advogado, Pierre de Fermat, de Toulouse (1601-1665) tinha paixão por matemática e contribuiu muito para ela. Em 1629, assim como Descartes, aplicou Geometria Analítica para encontrar pontos máximos e mínimos das curvas. Assim, podemos ver os primeiros lampejos de uma conexão entre tangentes e quadraturas. Em seu estudo das "parábolas de ordem superior", y = kxn, onde k é constante e n = 2, 3, 4,…, Fermat desenvolveu a fórmula y/k para a subtangente em qualquer ponto sobre a curva. A partir daí, e do nosso Cálculo I Julio Cesar Pereira – Matemática – SERRA 01 Página 8 ponto de vista hoje, teria sido fácil encontrar a fórmula para a derivada; mas para Fermat, nxn-1 não era o objetivo. Em alguma época na década de 1640, Fermat mostrou que a área entre qualquer uma das parábolas de ordem superior e o eixo horizontal, para 0 £ x £ a, era igual à área do retângulo de largura a e altura an/(k+ 1). Fermat enviou os resultados de suas descobertas para Mersenne, um Frei de Paris (1588-1648) que divulgou os resultados entre a comunidade matemática. Em particular, Mersenne contou a Descartes os métodos de Fermat. Descartes criticou muito, mas aceitou os métodos de Fermat. Fermat também escreveu para Wallis. (John Wallis – 1616-1703) na Inglaterra, fazendo perguntas complexas sobre a teoria dos números, para testar seus conhecimentos matemáticos. Wallis era um matemático muito completo e especialista em muitos assuntos como códigos e decifragem. Era professor de matemática em Oxford. Escreveu um livro sobre cônicas em 1665 escreveu Arithmetica Infinitown (a Aritmética do Infinito). Nesse livro, mostrava coisas muito importantes. Havia a fórmula para a área onde y=xm para sucessivos valores de m. O resultado é -1. Introduziu o símbolo Lemniscata para infinito. Inventou e fez uso sistemático de variações de frações de potências de x. O livro de Wallis influenciou um dos criadores do Cálculo: Isaac Newton. Isaac Newton Cálculo I Julio Cesar Pereira – Matemática – SERRA 01 Página 9 Nacionalidade Inglês Nascimento 4 de janeiro de 1643 Local Woolsthorpe-by- Colsterworth,Inglaterra Morte 31 de março de 1727 (84 anos) Local Londres Newton, Isaac (1642--1727) Em sua juventude na Inglaterra, Newton interessou-se pelos dispositivos mecânicos e suas teorias subjacentes. Na realidade ele construiu lanternas e moinhos-de-vento projetados por ele. Entre os livros que Newton estudou estavam Optics, de Kepler, The elements, de Euclides, e La géométrie, de Descartes. Ele também estudou as obras de Glanvillee, Boyle e a astronomia copérnica de Gassendi, que foram então publicadas com Sidereus nuncius de Galileu e Dioptrice de Kepler. Newton ingressou no Trinity College, em Cambridge, graduando-se em 1665. Newton resumiu quase todos os trabalhos anteriores sobre cálculo. Juntamente com Barrow, foi especialmente influenciado por Lagéométrie de René Descartes (1596--1650) numa tradução em Latim e com comentários por Frans van Schooten (1615-1660) e por John Wallis (1616-- 1703) em seu The Arithmetic of Infinites. Ele coroou seus estudos com sua própria genialidade, escrevendo três manuscritos sobre cálculo: o primeiro foi escrito em outubro de 1666; o segundo em 1669; e o terceiro, atualizando seus dois trabalhos anteriores, em 1671. Em seu trabalho mais famoso, o Principia Mathematica (1687), Newton usou as idéias e algumas das técnicas de cálculo, mas como o Principia foi escrito em sua maior parte na forma geométrica, as fórmulas e partes algébricas do cálculo estavam ausentes. As três monografias de cálculo de Newton, contudo, foram amplamente conhecidas através de cópias feitas para seus colegas da Sociedade Real. Mas elas não foram publicadas até muito depois de sua morte. Newton estudou as obras de matemáticos de renome incluindo Descartes e o holandês Christiaan Huygens. As aulas de Isaac Barrow, professor de matemática da época, ensinaram Newton sobre óptica e os métodos de Fermat com gradientes. Também foi influenciado pelo livro do professor Wallis, de Oxford. Tal obra mostrava coisas importantes: havia a fórmula para a área onde y para sucessivos valores de m. Cálculo I Julio Cesar Pereira – Matemática – SERRA 01 Página 10 Newton leu o livro de Wallis sobre matemática dos infinitos e teve uma ideia. Expressar respostas com séries infinitas de potências de x. Wallis quis encontrar a área sob a curva da equação y=(1-x^2)^1/2, no intervalo de x=0 até x=1. Newton fez muito melhor. Conseguiu encontrar a área de x=0 para qualquer intervalo. Expressou a resposta com uma série infinita de potências de x, o que é incrível. No início, seus métodos pareciam com os de Wallis, um trabalho de dedução. Mas logo descobriu que poderia fazer uso sistemático da serie infinita e assim descobriu o teorema geral do binômio. O binômio para valores inteiros de n já era conhecido. Era uma expressão com um número inteiros de termos: (1+x) ᵑ = 1+ nx + n(n-1) x² + ...+ xⁿ _______ 1 x 2 (1+x)½ = 1+ ½x +( ½ ) (-½) x² + ... ______ 1 x 2 Enquanto n diminui, o numero de termos e o denominador aumenta Newton descobriu a expressão para valores arbitrários do expoente. No exemplo ½, o expoente diminui enquanto o denominador aumenta, mas agora a expressão é infinita. Por que as potências fracionárias são tão importantes? Newton usou seu método de áreas simples para resolver problemas de área e gradiente, de todos os tipos de curvas, incluindo expoente fracionários. De todos os tipos de curvas, incluindo expoentes fracionários. No decorrer do processo descobriu algo muito importante. Em uma curva com expoente fracionário y=x^½, Newton investigou a área sob a curva de 0 para qualquer valor de x que neste caso era 2/3x^3/2. Estando feliz com expoentes fracionários descobriu como encontrar a taxa de mudança da área curva. Descobriu que a taxa de mudança da área curva em x, era igual à altura da curva original, y=x^½. Então descobriu como ir do problema de área para gradiente (derivada) e vice versa. Cálculo I Julio Cesar Pereira – Matemática – SERRA 01 Página 11 Isso é o que chamamos de teorema fundamental do cálculo. Com tal descoberta, Newton poderia resolver problemas difíceis como as de área através de soluções para problemas fáceis de gradiente (derivadas). Em 1687 Newton publica suas descobertas em seu grande livro Principia Mathematica que aplica geometria ao estudo do sistema solar e muitos outros temas da matemática aplicada. Nesta obra, Newton falava de fluxões e fluentes para cálculo e a razão entre os movimentos de fluxões e fluentes. Ele coroou seus estudos com sua própria genialidade, escrevendo três manuscritos sobre cálculo: o primeiro foi escrito em outubro de 1666; o segundo em 1669; e o terceiro, atualizando seus dois trabalhos anteriores, em 1671. Em seu trabalho mais famoso, o Principia Mathematica (1687), Newton usou as idéias e algumas das técnicas de cálculo, mas como o Principia foi escrito em sua maior parte na forma geométrica, as fórmulas e partes algébricas do cálculo estavam ausentes. As três monografias de cálculo de Newton, contudo, foram amplamente conhecidas através de cópias feitas para seus colegas da Sociedade Real. Mas elas não foram publicadas até muito depois de sua morte. Gottfried WilheIm von Leibniz Cálculo I Julio Cesar Pereira – Matemática – SERRA 01 Página 12 Nacionalidade Alemão Nascimento 1 de julho de 1646 Local Leipzig Morte 14 de novembro de 1716 (70 anos) Local Hanôver Pai Friedrich Leibniz Atividade Campo(s) Matemática, filosofia Alma mater Universidade de Altdorf Tese 1666: Disputatio Inauguralis De Casibus Perplexis In Jure Orientador(es) Erhard Weigel eChristiaan Huygens Orientado(s) Jacob Bernoulli,Christian von Wolff Conhecido(a) por Mônada, harmonia preestabelecida, sistema binário, característica, teodiceia Influência(s) Platão, Aristóteles, Tomas de Aquino, Duns Scot, Gassendi,Descartes, Locke, Bayle Assinatura http://pt.wikipedia.org/wiki/Gottfried_Wilhelm_Leibniz Leibniz, Gottfried Wilhelm (1646--1716) Leibniz nasceu em Leipzig, Alemanha. Ainda bem jovem, pôde dispor da biblioteca montada pelo pai. Em contato com uma ampla gama de autores clássicos, tornou-se um leitor voraz para o resto da vida. Aos 15 anos, ingressou na Universidade de Leipzig, onde recebeu a maior parte de sua educação formal. Seu interesse pela matemática surgiu pelas inúmeras citações sobre a importância dessa matéria nos trabalhos filosóficos. Depois, freqüentou a Universidade de Altdorf, próxima a Nuremberg, onde se formou doutor em Direito. Em Paris, trabalhou nessa área para financiar seus estudos matemáticos. Cálculo I Julio Cesar Pereira – Matemática – SERRA 01 Página 13 Era talentoso em muitas áreas, como filosofia, teologia, línguas, direito e matemática. Aos 20 anos foi convidado para ser professor na Universidade de Aldorf, mas recusou, preferindo se tornar um diplomata. Em Paris, em 1672, numa missão diplomática, conheceu Christiaan Huygens (1629-1695) que era um físico famoso da época e também um matemático muito bom. Leibniz estava ansioso para aprender matemática com ele. Huygens recomendou estudar as obras de outros matemáticos, principalmente Pascal. Depois de trabalhar muito, em 1675, criou seu próprio algoritmo para determinar tangentes às curvas e percebeu a natureza inversa do problema de determinar tangentes e a área sob a curva. Ele criou um modelo retilíneo para analisar linhas curvas. Considerou toda linha curva como polígono com infinitos lados infinitamente pequeno. Para Leibniz, a ideia central do cálculo era a diferencial, ou seja, era uma diferença entre dois valores infinitamente próximos de uma variável. Muito preocupado com os símbolos, fórmulas e regras ele criou as notações: dx, dy... para as diferenciais de x,y...respectivamente. Num artigo de 1682 estabeleceu regras como: - da=0, diferencial de uma constante é zero; - d(u+v)=du + dv, diferencial da soma; - d(u . v)=u.dv + v.du, diferencial da soma. Criou também o símbolo ʃ , um S alongado, para indicar a soma de todas as áreas infinitesimais. Mostrou que ʃy dx corresponde a uma área e que d ʃ y dx = y dx, apresentando d como inverso de ʃ . Comparações do Cálculo de Newton e Leibniz Newton e Leibniz, merecem um destaque especial na história do Cálculo, pois foram os pioneiros em estabelecer a estreita ligação entre esses dois problemas (o problema da tangente e o problema da quadratura). Pelas suas leituras e estudos, deduzimos que muito ele aproveitou de seus antecessores. Na Inglaterra, ele contou com as influências de John Wallis Cálculo I Julio Cesar Pereira – Matemática – SERRA 01 Página 14 (1616-1703) e Isaac Barrow (1630-1677). Durante os anos de 1665 e 1666, devido a peste, Newton voltou para casa. Neste período ele fez várias descobertas: - teorema binomial; - o cálculo; - a lei da gravidade; - a natureza das cores. A grande contribuição de Newton para a matemática foi o método dos fluxos, o seu trabalho de Cálculo usando métodos infinitesimais. Segundo Newton, a taxa de variação de um fluente x é o fluxo de x , e indicou por ‘x. Nesta idéia de taxa de variação, estava a essência da fundamentação do Cálculo, a teoria dos limites, que seria desenvolvida dois séculos mais tarde. Graças aos fundamentos providos por Barrow, Isaac Newton (1642--1727), se aperfeiçoou nos resultados da tangente e quadratura dos primeiros dois terços do século 17. Em uma carta a Gottfried Wilhelm Leibniz (1646--1716), Newton afirmou claramente, em termos físicos, o que os dois problemas mais básicos de cálculo eram (e ainda são): "1. Dado o comprimento do espaço continuamente [isto é, em todo instante de tempo], encontrar a velocidade do movimento [isto é, a derivada] em qualquer tempo dado. 2. Dada a velocidade de movimento continuamente, encontrar o comprimento do espaço [isto é, a integral ou a antiderivada] descrito em qualquer tempo proposto”. Mas no lugar de derivadas, Newton empregou flúxions de variáveis, denotados, por exemplo, por x, e em vez de antiderivadas, ele usou o que ele chamou de fluentes. A partir de Gregory, Newton adotou a idéia que a área entre uma curva, y, e o eixo horizontal, era dependente do extremo direito, t = x. De fato, Newton pensou na área como sendo realmente gerada pelo movimento da reta vertical t = x. Assim o flúxion da área era simplesmente yx. Então, a técnica de Newton para encontrar tais quadraturas era encontrar o fluente de y, equivalente a encontrar nossas antiderivadas; este é o cerne da Parte 2 do Teorema Fundamental do Cálculo como encontrado no livro Cálculo de Thomas. Newton usou o Teorema Fundamental do Cálculo para encontrar os valores exatos para várias áreas, da mesma maneira que fazemos hoje. Em geral, Newton começou a pensar nos problemas geométricos de cálculo em termos algébricos. Newton resumiu quase todos os trabalhos anteriores sobre cálculo. Juntamente com Barrow, foi especialmente influenciado por La géométrie de René Descartes (1596--1650) numa tradução em Latim e com comentários por Frans van Schooten (1615-1660) e por John Wallis (1616-- 1703) em seu The Arithmetic of Infinites. Ele coroou seus estudos com sua própria genialidade, escrevendo três manuscritos sobre cálculo: o primeiro foi Cálculo I Julio Cesar Pereira – Matemática – SERRA 01 Página 15 escrito em outubro de 1666; o segundo em 1669; e o terceiro, atualizando seus dois trabalhos anteriores, em 1671. Em seu trabalho mais famoso, o Principia Mathematica (1687), Newton usou as idéias e algumas das técnicas de cálculo, mas como o Principia foi escrito em sua maior parte na forma geométrica, as fórmulas e partes algébricas do cálculo estavam ausentes. As três monografias de cálculo de Newton, contudo, foram amplamente conhecidas através de cópias feitas para seus colegas da Sociedade Real. Mas elas não foram publicadas até muito depois de sua morte. Quando Leibniz foi a Paris em 1672 em missão diplomática, foi introduzido a idéias emergentes de cálculo por Christiaan Huygens (1629-- 1695), um membro da nova Academia Francesa. Leibniz estudou muito dos trabalhos de autores de matemática avançada, e relatou que aqueles de Blaise Pascal (1623--1662) eram especialmente úteis. A maior parte dos escritos de Leibniz sobre cálculo recaiu em três grupos: seus manuscritos - quase todos diários - começaram enquanto ele estava em Paris (1672--1676); os artigos que publicou no Acta Eruditorum nas décadas de 1680 e 1690; e um manuscrito, History and Origin of the Differential Calculus (História e Origem do Cálculo Diferencial, 1714), sobre o qual falaremos a seguir. As idéias de Leibniz sobre integrais, derivadas e cálculo em geral foram desenvolvidas a partir de analogias com somas e diferenças. Por exemplo, para o Teorema Fundamental do Cálculo, se fosse dada uma seqüência finita de números tais como, Y: 0, 1, 8, 27, 64, 125, e 216, com diferenças y: 1, 7, 19, 37, 61, e 89, ele notou que a soma das diferenças, ᵑy = (1 - 0) + (8 - 1) + (27 - 8) + … + (216 - 125) se alternavam em torno da diferença entre o primeiro e o último valor de Y, 216 - 0. Agora, para Leibniz, uma curva era um polígono feito de um número infinito de lados, cada um com comprimento "infinitesimal". Então, escreveu em 1680, "Eu represento a área de uma figura pela soma [infinita] de todos os retângulos limitados pelas ordenadas e diferenças das abscissas", isto é, como ᵑydx. Então, "elevando a alturas maiores" se baseando na analogia com somas finitas e diferenças, Leibniz afirmou que ao encontrar a área representada por ᵑydx, deve-se encontrar uma curva Y tal que as ordenadas y são diferenças de Y, ou y = dY. Em termos modernos, Y é nossa antiderivada, e assim, Leibniz formulou uma afirmação inicial da Parte 1 do Teorema Fundamental do Cálculo como encontrado no livro Cálculo de Thomas. Posteriormente, em um artigo de 1693 no Acta Eruditorum, Leibniz escreveu, "o problema geral de quadraturas pode ser reduzido a encontrar uma curva que tenha uma dada lei de tangência", e continuou a especificar esta lei na forma da Parte 2 do Teorema Fundamental do Cálculo. Para apreciar completamente as contribuições de Leibniz ao cálculo, devemos considerar seu contexto dentro do seu significativo trabalho em lógica, metafísica e filosofia porque pensava em todas estas atividades como inter-relacionadas. Para Leibniz, a existência de infinitésimos poderia ter sido um problema filosófico interessante, mas não observou o ponto em seu cálculo. Cálculo, especialmente o teorema Fundamental, "continha uma maneira prática Cálculo I Julio Cesar Pereira – Matemática – SERRA 01 Página 16 de computar" e era uma abreviação dos métodos rigorosos das tangentes e quadraturas de Arquimedes (287--212 a.C.) e outros geômetras gregos clássicos. Por outro lado, Jakob (1654--1705) e Johann Bernoulli (1667--1748) e outros matemáticos e cientistas do século 18 que se aproveitaram do cálculo de Leibniz, especialmente de sua notação fértil, usaram livremente, expandiram e aplicaram o cálculo, freqüentemente com resultados espetaculares. Infelizmente, em torno da virada do século 18, alguns poucos seguidores de Newton atacaram Leibniz acusando-o de plágio do cálculo de Newton durante suas visitas a Londres em 1673 e 1676. Newton e Leibniz nunca se encontraram frente a frente, mas durante as primeiras décadas do século 18, Newton era presidente da Sociedade Real e Leibniz ainda era um membro. Leibniz escreveu seu History and Origin of the Differential Calculus (1714) para sua defesa, mas sem sucesso. A matéria se tornou uma disputa prioritária de escala monumental e se tornou um descrédito para todos os participantes à medida que o século 18 avançou; por exemplo, numa lealdade mal direcionada, a maior parte dos matemáticos ingleses se limitou aos flúxionse fluentes de Newton e evitaram as notações superiores de Leibniz até o início do século 19. O consenso hoje, depois de muito estudo meticuloso e imparcial, feito por vários estudiosos, é que Newton e Leibniz desenvolveram o Teorema Fundamental do Cálculo independentemente e que, portanto, deveriam dividir igualmente a glória da criação do cálculo. Leibniz argumentou sobre o Teorema Fundamental do Cálculo por analogia e Newton baseou sua justificativa em flúxions e fluentes, que por sua vez dependiam da intuição de pontos se movendo ao longo de uma curva. Colin Maclaurin (1698--1746) provou a Parte 1 do Teorema Fundamental do Cálculo para funções de potência simples, y = xn, onde n = 1, 2, 3, …, e Joseph Louis Lagrange (1736--1813) estendeu a idéia básica de Maclaurin a funções crescentes representadas por uma série de potências. A prova moderna do Teorema Fundamental do Cálculo foi formulada para funções contínuas em a x b por Augustin Louis Cauchy (1789--1857) em seu Lessons Given at the École Royale Polytechnique on the Infinitesimal Calculus (1823). Os argumentos que Cauchy deu são os mesmos daqueles encontrados no livro de Cálculo de Thomas. Com seu Teorema Fundamental do Cálculo, Cauchy proveu a chave, para todas as funções contínuas, que finalmente uniu rigorosamente os dois ramos principais do cálculo em uma estrutura, ambos elegantes e úteis. Referências: A História do Cálculo – Universidade Candido Mendes http://www.mat.ufmg.br/~espec/monografiasPdf/Monografia_Romeu.pdf O Teorema Fundamental do Cálculo Cálculo I Julio Cesar Pereira – Matemática – SERRA 01 Página 17 Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1lculo Guia para a História do Cálculo http://cwx.prenhall.com/bookbind/pubbooks/thomas_br/chapter1/medialib/custom3/
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