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Pré-Cálculo Departamento de Matemática Aplicada Universidade Federal Fluminense Parte 12 Pré-Cálculo 1 A função quadrática Pré-Cálculo 2 A função quadrática y = f (x) = a · x2 + b · x + c com a 6= 0 (1) O gráfico de uma função quadrática é uma parábola. (2) O coeficiente c é a ordenada do ponto de interseção da parábola com o eixo y . (3) Se o coeficiente a é > 0, a parábola é côncava para cima. Se a é < 0, ela é côncava para baixo. (4) Se ∆ = b2 − 4 · a · c < 0, então a parábola não intercepta o eixo x . Pré-Cálculo 3 A função quadrática y = f (x) = a · x2 + b · x + c (5) Se ∆ = b2 − 4 · a · c > 0, então a parábola intercepta o eixo x em dois pontos de abscissas: x1 = −b − √ ∆ 2 · a a x2 = −b + √ ∆ 2 · a . (6) Se ∆ = b2 − 4 · a · c = 0, então a parábola intercepta o eixo x no ponto de abscissa: x1 = − b 2 · a . Pré-Cálculo 4 A função quadrática (Ir para o GeoGebra) Pré-Cálculo 5 Completamento de quadrados Pré-Cálculo 6 Completamento de quadrados: exemplo 1 Lembre-se que: (u + v)2 = u2 + 2 (u)(v) + v2 e (u − v)2 = u2 − 2 (u)(v) + v2. x2 − 8 x + 15 = ( x2 − 2 (x) (4) + ? ) − ? + 15 = ( x2 − 2 (x) (4) + 16 ) − 16 + 15 = ( x − 4 )2 − 1 Pré-Cálculo 7 Completamento de quadrados: exemplo 1 Logo: x2 − 8 x + 15 = 0 ⇔ (x − 4)2 − 1 = 0 ⇔ (x − 4)2 = 1 ⇔ √ (x − 4)2 = √ 1 ⇔ |x − 4| = 1 ⇔ x − 4 = −1 ou x − 4 = 1 ⇔ x = 3 ou x = 5. Pré-Cálculo 8 Completamento de quadrados: exemplo 2 Lembre-se que: (u + v)2 = u2 + 2 (u)(v) + v2 e (u − v)2 = u2 − 2 (u)(v) + v2. x2 + 3 x + 2 = ( x2 + 2 (x) ( 3 2 ) + ? ) − ? + 2 = ( x2 + 2 (x) ( 3 2 ) + 9 4 ) − 9 4 + 2 = ( x + 3 2 )2 − 1 4 . Pré-Cálculo 9 Completamento de quadrados: exemplo 2 Logo: x2 + 3 x + 2 = 0 ⇔ ( x + 3 2 )2 − 1 4 = 0 ⇔ ( x + 3 2 )2 = 1 4 ⇔ √( x + 3 2 )2 = √ 1 4 ⇔ ∣∣∣∣x + 32 ∣∣∣∣ = 12 ⇔ x + 3 2 = −1 2 ou x + 3 2 = 1 2 ⇔ x = −2 ou x = −1. Pré-Cálculo 10 Completamento de quadrados: exemplo 3 Lembre-se que: (u + v)2 = u2 + 2 (u)(v) + v2 e (u − v)2 = u2 − 2 (u)(v) + v2. 2 x2 − 3 x + 1 = 2 ( x2 − 2 (x) ( 3 4 ) + ? ) − ? + 1 = 2 ( x2 − 2 (x) ( 3 4 ) + 9 16 ) − 9 8 + 1 = 2 ( x − 3 4 )2 − 1 8 Pré-Cálculo 11 Completamento de quadrados: exemplo 3 Logo: 2 x2 − 3 x + 1 = 0 ⇔ 2 ( x − 3 4 )2 − 1 8 = 0 ⇔ ( x − 3 4 )2 = 1 16 ⇔ √( x − 3 4 )2 = √ 1 16 ⇔ ∣∣∣∣x − 34 ∣∣∣∣ = 14 ⇔ x − 3 4 = −1 4 ou x − 3 4 = 1 4 ⇔ x = 1 ou x = 1 2 . Pré-Cálculo 12 Completamento de quadrados: exemplo 4 Lembre-se que: (u + v)2 = u2 + 2 (u)(v) + v2 e (u − v)2 = u2 − 2 (u)(v) + v2. − x2 + 2 x − 1 = − ( x2 − 2 (x) (1) + ? ) + ? − 1 = − ( x2 − 2 (x) (1) + 1 ) + 1 − 1 = − ( x − 1 )2 Pré-Cálculo 13 Completamento de quadrados: exemplo 4 Logo: − x2 + 2 x − 1 = 0 ⇔ − (x − 1)2 = 0 ⇔ (x − 1)2 = 0 ⇔ √ (x − 1)2 = √ 0 ⇔ |x − 1| = 0 ⇔ x − 1 = 0 ⇔ x = 1. Pré-Cálculo 14 Completamento de quadrados: exemplo 5 Lembre-se que: (u + v)2 = u2 + 2 (u)(v) + v2 e (u − v)2 = u2 − 2 (u)(v) + v2. x2 + 2 x + 4 = ( x2 + 2 (x) (1) + ? ) − ? + 4 = ( x2 + 2 (x) (1) + 1 ) − 1 + 4 = ( x + 1 )2 + 3 Pré-Cálculo 15 Completamento de quadrados: exemplo 5 Logo: x2 + 2 x + 4 = 0 ⇔ (x + 1)2 + 3 = 0 ⇔ (x + 1)2 = −3. Moral: como (x + 1)2 ≥ 0 para todo x ∈ R e −3 < 0, segue-se que a equação x2 + 2 x + 4 = 0 não possui solução real. Pré-Cálculo 16 Completamento de quadrados: caso geral Hipótese: a 6= 0. a x2 + b x + c = a ( x2 + 2 (x) ( b 2 a ) + ? ) − ? + c = a ( x2 + 2 (x) ( b 2 a ) + b2 4 a2 ) − ? + c = a ( x2 + 2 (x) ( b 2 a ) + b2 4 a2 ) − b 2 4 a + c = a ( x2 + 2 (x) ( b 2 a ) + b2 4 a2 ) − ( b2 4 a − c ) = a ( x2 + 2 (x) ( b 2 a ) + b2 4 a2 ) − ( b2 − 4 ac 4 a ) = a ( x + b 2 a )2 − ( ∆ 4 a ) Pré-Cálculo 17 A forma canônica do trinômio Pré-Cálculo 18 A forma canônica do trinômio Forma canônica do trinômio: se a 6= 0, então a x2 + b x + c = a ( x + b 2 a )2 − ( b2 − 4 ac 4 a ) Pré-Cálculo 19 Aplicação: raízes de uma equação quadrática Pré-Cálculo 20 Aplicação: raízes de uma equação quadrática Hipótese: a 6= 0. a x2 + b x + c = 0 ⇔ a ( x + b 2 a )2 − ( ∆ 4 a ) = 0 ⇔ a ( x + b 2 a )2 = ∆ 4 a ⇔ ( x + b 2 a )2 = ∆ 4 a2 . Moral: se ∆ = b2 − 4 ac < 0, então ∆ 4 a2 < 0 e ( x + b 2 a )2 ≥ 0. Logo, a equação quadrática a x2 + b x + c = 0 não possui solução real. Pré-Cálculo 21 Aplicação: raízes de uma equação quadrática Hipótese: a 6= 0 e ∆ = b2 − 4 ac ≥ 0. a x2 + b x + c = 0 ⇔ ( x + b 2 a )2 = ∆ 4 a2 ⇔ √( x + b 2 a )2 = √ ∆ 4 a2 ⇔ ∣∣∣∣x + b2 a ∣∣∣∣ = √ ∆√ 4 a2 = √ ∆ 2|a| = ∣∣∣∣∣ √ ∆ 2a ∣∣∣∣∣ ⇔ x + b 2 a = − √ ∆ 2a ou x + b 2 a = + √ ∆ 2a ⇔ x = − b 2 a − √ ∆ 2a ou x = − b 2 a + √ ∆ 2a ⇔ x = −b − √ ∆ 2a ou x = −b + √ ∆ 2a . Pré-Cálculo 22 A fórmula de Bhaskara é de Bhaskara? O hábito de dar o nome de Bhaskara para a fórmula de resolução da equação do segundo grau se estabeleceu no Brasil por volta de 1960. Esse costume aparentemente só brasileiro (não se encontra o nome de Bhaskara para essa fórmula na literatura internacional), não é adequado pois: 1. Problemas que recaem numa equação do segundo grau já apareciam, há quase 4 mil anos, em textos escritos pelos babilônios. Nesses textos o que se tinha era uma receita (escrita em prosa, sem uso de símbolos) que ensina como proceder para determinar as raízes em exemplos concretos com coeficientes numéricos. 2. Até o fim do século XVI não se usava fórmula para obter raízes de uma equação do segundo grau, simplesmente porque não se representavam por letras os coeficientes de uma equação. Isso passou a ser feito a partir de François Viète, matemático francês que viveu de 1540 a 1603. Logo, embora não se deva negar a importância e a riqueza da obra de Bhaskara, não é correto atribuir a ele a conhecida fórmula de resolução da equação do segundo grau. Fonte: Revista do Professor de Matemática, SBM, vol. 39, p. 54. Pré-Cálculo 23 A fórmula de Bhaskara é de Bhaskara? Problemas que recaem numa equação do segundo grau estão entre os mais antigos da Matemática. Em textos cuneiformes, escritos pelos babilônicos há quase quatro mil anos, encontramos, por exemplo, a questão de achar dois números conhecendo sua soma s e o seu produto p. Os números procurados são raízes da equação de segundo grau x2 − s x + p = 0. Com efeito: se x é um dos números, então s − x é o outro (pois a soma dos dois números deve ser igual a s). Logo, o seu produto é igual a p = x(s − x) = s x − x2, de modo que x2 − s x + p = 0. Em termos geométricos, este problema pede que se determine os lados de um retângulo conhecendo o semiperímetro s e a área p. Pré-Cálculo 24 Escalas em Gráficos Pré-Cálculo 25 Cuidado! Se os eixos coordenados são desenhados com escalas diferentes, distorções podem aparecer! 1 x 1 y 0 1 x 1 y 0 (escalas iguais para os eixos) (escalas diferentes para os eixos) Pré-Cálculo 26 Cuidado! Um círculo é desenhado como uma elipse. 1 x 1 y 0 Pré-Cálculo 27 Cuidado! Um quadrado é desenhado como um retângulo. 1 x 1 y 0 Pré-Cálculo 28 Cuidado! Ângulos são distorcidos. 1 x 1 y 0 Pré-Cálculo 29 Contudo, escalas diferentes podem ser necessárias! y = f (x) = 1000 x2 1 x 1 y 0 Pré-Cálculo 30 Transformações de Funções Pré-Cálculo 31 Transformações de funções Objetivo: dado o gráfico de uma função y = f (x) e uma constante c, obter os gráficos das funções y = f (x + c), y = f (x) + c, y = c · f (x), y = f (c · x), y = f (|x |) e y = |f (x)|. Pré-Cálculo 32 Caso g(x) = f (x + c) Pré-Cálculo 33 Transformações de funções: g(x) = f (x + c) Se f está definida no intervalo [1,3] e c = 5, qual é o domínio natural (efetivo) de y = g(x) = f (x + c) = f (x + 5)? x ∈ domínio de g ⇔ x + c ∈ domínio de f ⇔ 1 ≤ x + c ≤ 3 ⇔ 1− c ≤ x ≤ 3− c ⇔ x ∈ [1− c,3− c] ⇔ x ∈ [−4,−2]. Se f está definida no intervalo [1,3] e c = −3, qual é o domínio natural (efetivo) de y = g(x) = f (x + c) = f (x − 3)? x ∈ domínio de g ⇔ x ∈ [1− c,3− c] ⇔ x ∈ [4,6]. Pré-Cálculo 34 Transformações de funções:g(x) = f (x + c) (Ir para o GeoGebra) Pré-Cálculo 35 Transformações de funções: g(x) = f (x + c) (Ir para o GeoGebra) Pré-Cálculo 36 Moral Somar uma constante c a variável independente x de uma função f tem o efeito geométrico de transladar horizontalmente para a direita (quando c < 0) ou para a esquerda (quando c > 0) o gráfico de f . f (x) = x2 g(x) = f (x + 2) = (x + 2)2 f (x) = x2 g(x) = f (x − 2) = (x − 2)2 Pré-Cálculo 37 Atividade Esboçar o gráfico da função definida por g(x) = √ x + 2. Relembremos o gráfico da função definida por f (x) = √ x : Pré-Cálculo 38 Atividade Esboçar o gráfico da função definida por g(x) = √ x + 2. Note que g(x) = √ x + 2 = f (x + 2), portanto o gráfico de g é o de f , transladado 2 unidades para a esquerda: Pré-Cálculo 39 Atividade Esboçar o gráfico da função definida por g(x) = √ x + 2. O domínio de f (x) = √ x é [0,+∞), logo o domínio de g(x) = √ x + 2 é [−2,+∞). Pré-Cálculo 40 Caso g(x) = f (x) + c Pré-Cálculo 41 Transformações de funções: g(x) = f (x) + c Se f está definida no intervalo [1,3] e c = 1, qual é o domínio natural (efetivo) de y = g(x) = f (x) + 1? x ∈ domínio de g ⇔ x ∈ domínio de f ⇔ x ∈ [1,3]. Pré-Cálculo 42 Transformações de funções: g(x) = f (x) + c (Ir para o GeoGebra) Pré-Cálculo 43 Transformações de funções: g(x) = f (x) + c (Ir para o GeoGebra) Pré-Cálculo 44 Moral Somar uma constante c a uma função f tem o efeito geométrico de transladar verticalmente para cima (quando c > 0) ou verticalmente para baixo (quando c < 0) o gráfico de f . f (x) = x2 g(x) = f (x) + 2 = x2 + 2 f (x) = x2 g(x) = f (x) − 2 = x2 − 2 Pré-Cálculo 45 Atividade Esboçar o gráfico da função definida por h(x) = √ x + 2− 1. Relembremos o gráfico da função definida por g(x) = √ x + 2, da atividade anterior: Pré-Cálculo 46 Atividade Esboçar o gráfico da função definida por h(x) = √ x + 2− 1. Note que h(x) = √ x + 2 − 1 = g(x) − 1, portanto o gráfico de h é o de g, transladado 1 unidade para a baixo: Pré-Cálculo 47 Atividade Esboçar o gráfico da função definida por h(x) = √ x + 2− 1. O domínio de h é o mesmo de g, dado por [−2,+∞). Pré-Cálculo 48 Caso g(x) = f (c · x) Pré-Cálculo 49 Transformações de funções: g(x) = f (c · x) Se f está definida no intervalo [2,4] e c = 0.4, qual é o domínio natural (efetivo) de y = g(x) = f (c · x) = f (0.4 · x)? x ∈ domínio de g ⇔ c · x ∈ domínio de f ⇔ 2 ≤ c · x ≤ 4 (c > 0)⇔ 2/c ≤ x ≤ 4/c ⇔ x ∈ [2/c,4/c] ⇔ x ∈ [5,10]. Se f está definida no intervalo [2,4] e c = 4, qual é o domínio natural (efetivo) de y = g(x) = f (c · x) = f (4 · x)? x ∈ domínio de g (c > 0)⇔ x ∈ [2/c,4/c] ⇔ x ∈ [1/2,1]. Pré-Cálculo 50 Transformações de funções: g(x) = f (c · x) (Ir para o GeoGebra) Pré-Cálculo 51 Transformações de funções: g(x) = f (c · x) (Ir para o GeoGebra) Pré-Cálculo 52 Moral Multiplicar a variável independente de uma função f por uma constante não-negativa c tem o efeito geométrico de alongar (para 0 < c < 1) ou comprimir (para c > 1) horizontalmente o gráfico de f . fHxL=senHxL g2HxL=fHx�2Lg1HxL=fH2xL Π 4 Π 2 3 Π 4 Π 3 Π 2 2 Π 3 Π 4 Π x -1 1 y Pré-Cálculo 53 Atividade Esboçar o gráfico da função definida por i(x) = √ 2x + 2− 1. Relembremos o gráfico da função definida por h(x) = √ x + 2− 1, da atividade anterior: Pré-Cálculo 54 Atividade Esboçar o gráfico da função definida por i(x) = √ 2x + 2− 1. Note que i(x) = √ 2x + 2 − 1 = h(2x), portanto o gráfico de i é o de h, comprimido horizontalmente à metade (fator 1/2): Pré-Cálculo 55 Atividade Esboçar o gráfico da função definida por i(x) = √ 2x + 2− 1. O domínio de h é [−2,+∞), logo o domínio de i é dado por [−2/2,+∞) = [−1,+∞). Pré-Cálculo 56 Caso g(x) = c · f (x) Pré-Cálculo 57 Transformações de funções: g(x) = c · f (x) Se f está definida no intervalo [1,3] e c = 2, qual é o domínio natural (efetivo) de y = g(x) = 2 · f (x)? x ∈ domínio de g ⇔ x ∈ domínio de f ⇔ x ∈ [1,3]. Pré-Cálculo 58 Transformações de funções: g(x) = c · f (x) (Ir para o GeoGebra) Pré-Cálculo 59 Transformações de funções: g(x) = c · f (x) (Ir para o GeoGebra) Pré-Cálculo 60 Moral Multiplicar uma função f por uma constante não-negativa c tem o efeito geométrico de alongar (para c > 1) ou comprimir (para 0 < c < 1) verticalmente o gráfico de f . fHxL=senHxL g2HxL=fHxL�2 g1HxL=2 fHxL Π 2 Π 3 Π 2 2 Π x -2 -1 1 2 y Pré-Cálculo 61 Atividade Esboçar o gráfico da função definida por j(x) = 3 √ 2x + 2− 3. Relembremos o gráfico da função definida por i(x) = √ 2x + 2− 1, da atividade anterior: Pré-Cálculo 62 Atividade Esboçar o gráfico da função definida por j(x) = 3 √ 2x + 2− 3. Note que j(x) = 3( √ 2x + 2 − 1) = 3i(x), portanto o gráfico de j é o de i , expandido verticalmente: Pré-Cálculo 63 Atividade Esboçar o gráfico da função definida por j(x) = 3 √ 2x + 2− 3. O domínio de j é o mesmo de i , dado por [−1,+∞). Pré-Cálculo 64 Caso g(x) = −f (x) Pré-Cálculo 65 Transformações de funções: g(x) = −f (x) Multiplicar uma função f por −1 tem o efeito geométrico de refletir com relação ao eixo-x o gráfico de f . M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M Pré-Cálculo 66 Caso g(x) = f (−x) Pré-Cálculo 67 Atividade Esboçar o gráfico da função definida por `(x) = −3 √ 2x + 2 + 3. Relembremos o gráfico da função definida por j(x) = 3 √ 2x + 2 − 3, da atividade anterior: Pré-Cálculo 68 Atividade Esboçar o gráfico da função definida por `(x) = −3 √ 2x + 2 + 3. Note que `(x) = −(3 √ 2x + 2− 3) = −j(x), portanto o gráfico de ` é o de j , refletido com relação ao eixo x : Pré-Cálculo 69 Atividade Esboçar o gráfico da função definida por `(x) = −3 √ 2x + 2 + 3. O domínio de ` é o mesmo de j , dado por [−1,+∞). Pré-Cálculo 70 Transformações de funções: g(x) = f (−x) Multiplicar a variável independente x de uma função f por −1 tem o efeito geométrico de refletir com relação ao eixo-y o gráfico de f . M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M Pré-Cálculo 71 Atividade Esboçar o gráfico da função definida por m(x) = −3 √ −2x + 2 + 3. Relembremos o gráfico da função definida por `(x) = −3 √ 2x + 2 + 3, da atividade anterior: Pré-Cálculo 72 Atividade Esboçar o gráfico da função definida por m(x) = −3 √ −2x + 2 + 3. Note que m(x) = −3 √ 2(−x) + 2 + 3 = `(−x), portanto o gráfico de m é o de `, refletido com relação ao eixo y : Pré-Cálculo 73 Atividade Esboçar o gráfico da função definida por m(x) = −3 √ −2x + 2 + 3. O domínio de ` é [−1,+∞), logo o de m é (−∞,1]. Pré-Cálculo 74 Caso g(x) = |f (x)| Pré-Cálculo 75 Transformações de funções: g(x) = |f (x)| g(x) = |f (x)| = { +f (x), se f (x) ≥ 0, −f (x), se f (x) < 0. f (x) = x2 − 1 g(x) = |f (x)| = |x2 − 1| Pré-Cálculo 76 Caso g(x) = f (|x |) Pré-Cálculo 77 Transformações de funções: g(x) = f (|x |) g(x) = f (|x |) = { f (+x), se x ≥ 0, f (−x), se x < 0. f (x) = x3 − 3 x2 + 2 x + 1 g(x) = f (|x |) = |x |3 − 3 |x |2 + 2 |x |+ 1 Pré-Cálculo 78 Exercício resolvido Pré-Cálculo 79 Exemplo: esboce o gráfico de y = 4− |x − 2| y = f (x) = |x | y = g(x) = f (x − 2) = |x − 2| y = h(x) = −g(x) = −|x − 2| y = l(x) = h(x) + 4 = 4− |x − 2| Pré-Cálculo 80 Exemplo: esboce o gráfico de y = 4− |x − 2| y = f (x) = |x | y = g(x) = −f (x) = −|x | y = h(x) = g(x) + 4 = 4− |x | y = l(x) = h(x − 2) = 4− |x − 2| Pré-Cálculo 81 Atividade Esboçar o gráfico da função definida por f (x) = − ∣∣∣(x − 2)2 − 1∣∣∣+ 3. Pré-Cálculo 82 Atividade Esboçar o gráfico da função definida por f (x) = − ∣∣∣(x − 2)2 − 1∣∣∣+ 3. Resposta: 1 2 3 4 x -4 -2 2 3 4 y Pré-Cálculo 83 Atividade Esboçar o gráfico da função definida por f (x) = − ∣∣∣(|x | − 2)2 − 1∣∣∣+3. Pré-Cálculo 84 Atividade Esboçar o gráfico da função definida por f (x) = − ∣∣∣(|x | − 2)2 − 1∣∣∣+3. Resposta: -4 -3 -1 2 3 4 x -4 -2 2 3 4 y Pré-Cálculo 85 Aplicação: o gráfico de uma função quadrática Pré-Cálculo 86 Aplicação: o gráfico de uma função quadrática Uma vez que a x2 + b x + c = a ( x + b 2 a )2 − ( b2 − 4ac 4 a ) , segue-se que se f (x) = x2 e g(x) = a x2 + b x + c, então g(x) = a f (x + r) + s, onde r = b 2 a e s = −b 2 − 4 ac 4 a . Moral: o gráfico de qualquer função quadrática pode ser obtido via um alongamento/compressão vertical, uma translação horizontal e uma translação vertical do gráfico da função f (x) = x2. Pré-Cálculo 87 Aplicação: o gráfico de uma função quadrática (Ir para o GeoGebra) Pré-Cálculo 88 Aplicação: o gráfico de uma função quadrática O vértice da parábola que é gráfico da função quadrática f (x) = a x2 + b x + c = a ( x + b 2 a )2 − ( b2 − 4 ac 4 a ) , têm coordenadas V = ( − b 2 a ,−b 2 − 4 ac 4 a ) . Pré-Cálculo 89 Atividade [01] Se f (x) = a(x − vx )2 + vy é a expressão de uma função quadrática na forma canônica, prove que f (vx + k) = f (vx − k). Substituindo, temos f (vx + k) = a((vx + k)− vx )2 + vy = a(k)2 + vy = ak2 + vy f (vx − k) = a((vx − k)− vx )2 + vy = a(−k)2 + vy = ak2 + vy . Assim, f (vx + k) = f (vx − k). E o que isto significa? Pré-Cálculo 90 Simetria do gráfico da função quadrática Se f (x) = a(x − vx )2 + vy , lembre-se de que o vértice da parábola tem coordenadas (vx , vy ). Provamos então que a parábola é simétrica em relação à reta vertical x = vx . Pré-Cálculo 91 A função quadrática Completamento de quadrados A forma canônica do trinômio Aplicação: raízes de uma equação quadrática Escalas em Gráficos Transformações de Funções Caso g(x) = f(x + c) Caso g(x) = f(x) + c Caso g(x) = f(c x) Caso g(x) = c f(x) Caso g(x) = -f(x) Caso g(x) = f(-x) Caso g(x) = |f(x)| Caso g(x) = f(|x|) Exercício resolvido Aplicação: o gráfico de uma função quadrática
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