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Licenciatura em ciências · USP/ Univesp Gil da Costa Marques TriGonoMeTria no TriânGulo reTânGulo8 Fu nd am en to s de M at em át ic a i 8.1 Trigonometria nos primórdios 8.2 ângulos no triângulo retângulo: o grau 8.3 Definição de seno e cosseno de um ângulo agudo num triângulo retângulo 8.4 Propriedades dos senos e cossenos: a lei dos Senos e a lei dos Cossenos 8.5 outras razões trigonométricas 8.6 Triangulação: cálculo de distâncias inacessíveis 163 Fundamentos de Matemática i Licenciatura em Ciências · USP/Univesp · Módulo 1 8.1 Trigonometria nos primórdios Por alguma razão, o número 60 tinha um apelo místico para os babilônios. Como resultado, cerca de 2.000 anos antes da era cristã, já propunham um sistema de numeração cuja base era esse número. Tal sistema tornou-se conhecido como sexagesimal, uma vez que a base escolhida por eles era o número 60, ou seja, nesse sistema qualquer número poderia ser expresso como soma de potências de 60 multiplicadas por constantes adequadas. Os Babilônios propuseram a divisão da circunferência de um círculo em 360 partes iguais, daí resultando a unidade de medida de ângulo conhecida como grau. Dessa forma uma circunferência tem 360°. Considerando-se dois pontos (P1, P2), ambos localizados sobre uma circunferência, é possível construir o segmento de reta determinado por esses dois pontos (veja Figura 8.1). Hiparco definia corda (Crd) como o comprimento desse segmento. Para medi-lo, Hiparco introduzia uma unidade de comprimento que dependia do raio da circunferência. Para isso, dividia o raio da circunferência em 60 partes iguais. Traçando duas semirretas a partir da origem, passando pelos dois pontos, P1 e P2, podemos agora introduzir o ângulo a medindo a inclinação dessas semirretas. Claramente, a corda depende desse ângulo. Temos assim: 8.1 Hiparco (cerca 140 a.C.) recebeu o crédito por ter iniciado a trigono- metria, ou melhor, ter introduzido, de forma indireta, o conceito de seno de um ângulo. Hiparco era pesquisador no museu de Alexandria, a primeira instituição científica financiada pelo poder público. Transformou-se num dos maiores astrônomos da antiguidade. Sua principal contribuição à matemática teve a influência da matemática dos babilônios. Credita-se a ele a introdução, nos meios científicos relevantes na época, da medida de ângulo proposta pelos babilônios. Introduziu também a função seno utilizando o número 60. Figura 8.1: Definição de Corda associada a um ângulo. Crd Crd= ( )a 164 8 Trigonometria no triângulo retângulo Licenciatura em Ciências · USP/Univesp · Módulo 1 A corda pode ser, nesse contexto, entendida como função do ângulo a. Adotando essa forma de caracterizar ângulos, ou de medi-los, podemos agora entender como Hiparco introduziu a função seno, como é definida nos dias de hoje. De fato, sua relação com a função comprimento da corda é bem simples: 8.2 Escrevendo a corda como sendo dada por 8.3 e utilizando o valor do raio, sem efetuar sua divisão em 60 partes, a função seno, definida a partir da função corda em 8.2, pode ser escrita como: 8.4 A rigor, Hiparco não estava introduzindo a função seno. Ele definia o que denominamos seno de um ângulo. Tal definição é análoga àquela obtida a partir das relações métricas de ângulos agudos num triângulo retângulo. Hiparco gerou uma tabela de cordas. Essa tabela é muito semelhante a uma tabela dos senos, desde que nos atenhamos a ângulos menores do que 180°. A fim de determinar a posição dos corpos celestes, Hiparco teve a ideia de fazer a interpolação para gerar algo como a função corda. Ptolomeu publicou, em sua obra O Almagesto, uma tabela de cordas para ângulos variando dentro de intervalos de 0,5°. 8.2 Ângulos no triângulo retângulo: o grau Um triângulo é retângulo quando possui um ângulo reto, isto é, dois de seus lados são perpendiculares. Esses lados são denominados catetos e aquele oposto ao ângulo reto é deno- minado hipotenusa. sen Crd sen Crda a R a a 2 2 2 120 = ( ) → = ( ) Crd a l( ) = 2 sen a l R2 = 165 Fundamentos de Matemática i Licenciatura em Ciências · USP/Univesp · Módulo 1 Para medir os ângulos de um triângulo retângulo utilizamos o grau como unidade de medida. Observamos que, como o ângulo reto tem 90° por medida, os outros dois ângulos de um triângulo retângulo são complementares, ou seja, têm como medida de sua soma 90°. No caso de um triângulo retângulo, vale o teorema de Pitágoras, ou seja, vale a relação: 8.5 onde c é medida da hipotenusa, a e b são as medidas dos catetos. 8.3 Definição de seno e cosseno de um ângulo agudo num triângulo retângulo Considerando o ângulo A, por exemplo, o lado que é oposto a ele tem o nome de cateto oposto (o lado de medida a ou simplesmente o lado a), enquanto o lado adjacente a ele, e diferente da hipotenusa (o lado de medida b ou lado b), é denominado cateto adjacente a esse ângulo. Observe que, considerando agora o ângulo B, o lado b é o seu cateto oposto enquanto o lado a é o seu cateto adjacente. Você lembra? 1 grau é a medida do ângulo central obtido ao dividir uma circunferência em 360 partes iguais. Figura 8.2: Lados e vértices do triângulo retângulo. a b c2 2 2+ = Figura 8.3: Lados de um triângulo retângulo. 166 8 Trigonometria no triângulo retângulo Licenciatura em Ciências · USP/Univesp · Módulo 1 A partir da notação, definimos o seno de um ângulo agudo do triângulo retângulo como sendo o quociente do cateto oposto pela hipotenusa: Da definição anterior obtemos, na Figura 8.3: 8.6 Podemos também definir o cosseno de um ângulo agudo de um triângulo retângulo como sendo o quociente do cateto adjacente pela hipotenusa: Da definição anterior obtemos, na Figura 8.3: 8.7 Convém observar que num triângulo retângulo só temos como definir senos e cossenos para os ângulos agudos. senθ = cateto oposto hipotenusa Figura 8.4: Seno de um ângulo agudo de um triângulo retângulo. sen sen A a c B b c = = cosθ = cateto adjacente hipotenusa Figura 8.5: Cosseno de um ângulo agudo de um triângulo retângulo. cos cosA b c B a c = = 167 Fundamentos de Matemática i Licenciatura em Ciências · USP/Univesp · Módulo 1 Exemplos • ExEmplo 1 A partir do triângulo equilátero ABC de lado l e do quadrado de lado a da Figura 8.6, preencha as lacunas da tabela: 30° 60° 45° Seno Cosseno → REsolução: Observemos a Figura 8.6: a. Para o caso do triângulo equilátero ABC, de lado l: Lembrando que, num triângulo equilátero, a altura, bissetriz e mediana, traçadas a partir de um vértice, coincidem, consideremos CH a altura do triângulo equilátero ABC, relativa à base AB; pelo teorema de Pitágoras, aplicado no triângulo retângulo HBC, obtemos que de onde h l= 3 2 ou h l= − 3 2 (não convém) Portanto, temos que: Figura 8.6: O triângulo equilátero ABC e o quadrado DEFG. h l l2 2 2 4 = − sen sen sen30 2 2 1 2 ° = = = = =HCB ACB l l cateto oposto hipotenusa 168 8 Trigonometria no triângulo retângulo Licenciatura em Ciências · USP/Univesp · Módulo 1 e bem como: e b. Para o caso do quadrado DEFG, de lado a: Consideremos DF a diagonal do quadrado; pelo teorema de Pitágoras, aplicado no triângulo retân- gulo isósceles DEF, obtemos que de onde d a= 2 ou d a= − 2 (não convém) Portanto, temos que: Completando então a tabela: 30° 60° 45° Seno 1 2 3 2 2 2 Cosseno 3 2 1 2 2 2 Convém notar que sen 30° = cos 60° e cos 30° = sen 60° que, alias, é uma propriedade válida para qualquer par de ângulos complementares, isto é sen α = cos (90° − α) e e cos α = sen (90° − α), como adiante veremos. cos cos cos30 2 3 2° = = = = =HCB ACB h l l l cateto adjacente hipotenusa == 3 2 sen sen60 3 2 3 2 ° = = = = =CBH h l l l cateto oposto hipotenusa cos cos60 2 1 2 ° = = = =CBH l l cateto adjacente hipotenusa d a a2 2 2= + sen hipotenusa 45 45 2 2 2 ° = ° = = =cos a a a169 Fundamentos de Matemática i Licenciatura em Ciências · USP/Univesp · Módulo 1 8.4 Propriedades dos senos e cossenos: a lei dos Senos e a lei dos Cossenos Uma propriedade notável do cosseno e seno de um ângulo agudo num triângulo retângulo é facilmente derivada a partir do teorema de Pitágoras. De fato, tomando os valores do seno e do cosseno do ângulo agudo A no triângulo retângulo da Figura 8.3, conforme as expressões 8.6 e 8.7, e, em seguida, somando os valores dos seus respectivos quadrados, obtemos: 8.8 Utilizando o teorema de Pitágoras (8.5), resulta de 8.8 que, para qualquer ângulo agudo num triângulo retângulo, vale a relação: 8.9 A fim de poder estabelecer a Lei dos Senos e a Lei dos Cossenos, que são relações úteis entre os lados e os ângulos de um triângulo qualquer, não necessariamente retângulo, podendo ser acutângulo ou obtusângulo, vamos ampliar o conceito de seno e cosseno de um ângulo. Para tal, introduzimos as seguintes identidades: 8.10 8.11 8.12 8.13 sen cos2 2 2 2 2A A a c b c a b c + = = +2 2+ sen cos2 2 1θ θ+ = sen90 1° = cos90 0° = sen( ) sen180° − =x x cos( ) cos180° − = −x x 170 8 Trigonometria no triângulo retângulo Licenciatura em Ciências · USP/Univesp · Módulo 1 Consideremos, em primeiro lugar, a Lei dos Senos a qual estabelece que, num triângulo ABC qualquer, vale a seguinte relação: onde a, b, c indicam as medidas dos lados opostos aos ângulos de vértices A, B, C, respectiva- mente e r é o raio da circunferência circunscrita ao triângulo. Considerando um triângulo ABC qualquer, inscrito numa circunferência de raio r, a partir do vértice B podemos encontrar, na circunferência, um ponto diametralmente oposto D; ligando D a C, formamos um novo triângulo BCD retângulo em C, pois o ângulo BCD é inscrito numa semicircunferência. Os ângulos de vértices em A e D são inscritos na circunferência e determinam o mesmo arco BC, logo têm a mesma medida. Agora, no triângulo retângulo BCD, temos: de onde ou seja, Repetindo o raciocínio, para os ângulos de vértices B e C, teremos as relações: b B r sen = 2 e c C r sen = 2 Logo, podemos concluir que: a A b B c C r sen sen sen = = = 2 Figura 8.7: Triângulo ABC qualquer, inscrito numa circunferência de raio r. senD a r = 2 sen A a r = 2 a A r sen = 2 a A b B c C r sen sen sen = = = 2 171 Fundamentos de Matemática i Licenciatura em Ciências · USP/Univesp · Módulo 1 Consideremos agora a Lei dos Cossenos, a qual estabelece que, num triângulo ABC, qualquer, valem as seguintes relações: onde a, b, c indicam as medidas dos lados opostos aos ângulos de vértices A, B, C, respectivamente. Vamos provar apenas a primeira das relações e isso será suficiente, pois as três são análogas. Analisemos as três possibilidades para o ângulo A (agudo, obtuso e reto). a. A é um ângulo agudo. Seja CH a altura do triângulo ABC, relativa ao lado AB. O triângulo AHC é retângulo e pelo Teorema de Pitágoras, b2 = h2 + m2 O triângulo HBC também é retângulo e, novamente pelo Teorema de Pitágoras, a2 = h2 + n2 Além disso, m + n = c, e, eliminando h nas duas primeiras equações, obtemos: b2 − m2 = a2 − n2 Eliminando n obtemos: a b c bc A b a c ac B c a b ab C 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 = + − = + − = + − cos cos cos Figura 8.8: Triângulo ABC em que o ângulo de vértice A é agudo. b m a c m2 2 2 2− = − −( ) 172 8 Trigonometria no triângulo retângulo Licenciatura em Ciências · USP/Univesp · Módulo 1 Portanto, b2 − m2 = a2 − c2 + 2cm − m2 e daí a2 = b2 + c2 − 2cm. Mas (m/b) = cos A ou m b A= .cos . de onde a2 = b2 + c2 − 2bc.cos A. b. A é um ângulo obtuso. Seja CH a altura do triângulo ABC, relativa ao lado AB. O triângulo CHA é retângulo e assim, pelo teorema de Pitágoras, b2 = h2 + m2 Como o triângulo CHB é retângulo, pelo teorema de Pitágoras, a2 = h2 + (m + c)2 Eliminando h, temos: b2 − m2= a2 − (m + c)2 Simplificando a última equação, temos: a2 = b2 + c2 + 2cm Mas m b H AC A A= = ° − = −cos cos( ) cos 180 , ou seja, m = − b.cos A Logo, a2 = b2 + c2 − 2bc.cos A . Figura 8.9: Triângulo ABC em que o ângulo de vértice A é obtuso. 173 Fundamentos de Matemática i Licenciatura em Ciências · USP/Univesp · Módulo 1 c. A é um ângulo reto. Este caso é o próprio teorema de Pitágoras, pois cos A = 0. • ExEmplo 2 1. Determine o valor de x no triângulo abaixo. a. → REsolução: Aplicando a Lei dos Senos ao triângulo da Figura 8.10, temos: e, como sen 120° = sen 60° = 3 2 e sen 45° = 2 2 temos: b. → REsolução: Aplicando a Lei dos Senos ao triângulo ABC da Figura 8.11, temos: uma vez que a soma dos ângulos internos do triângulo é 180°. Logo, como sen 30° = 1 2 e sen 45° = 2 2 , temos Figura 8.10: O triângulo dado. 100 120 45sen sen° = ° x x = =100 2 3 100 3 6 Figura 8.11: O triângulo dado. 100 30 45sen sen° = ° x x =100 2 174 8 Trigonometria no triângulo retângulo Licenciatura em Ciências · USP/Univesp · Módulo 1 c. → REsolução: Aplicando a Lei dos Cossenos ao triângulo ABC da Figura 8.12, temos: x2 = 16 + 25 − 2.4.5.cos 60° ou seja, como cos 60° = 1 2 , temos: x2 = 21 ou seja, 2. Mostre que a área S de um triângulo, cujos lados são a, b e c, é dada por: S p p a p b p c= − − −( )( )( ) , onde p é o semi-perímetro do triângulo. Essa relação é devida a Heron. → REsolução: Consideremos a Figura 8.13. Sabemos que a área do triângulo é dada por Também temos sen A h b = . E, pela Lei dos Cossenos, a2 = b2 + c2 − 2bc.cos A ou seja, Como sen cos2 2 1A A + = , temos: Figura 8.12: O triângulo dado x = 21 Figura 8.13: O triângulo ABC. S c h= ⋅ 2 cos A b c a bc = + −2 2 2 2 h b b c a bc + + − = 2 2 2 2 2 2 1 175 Fundamentos de Matemática i Licenciatura em Ciências · USP/Univesp · Módulo 1 Ou seja, 2 2 1 2 2 2 2 2S bc b c a bc + + − = , pois h S c = 2 . Multiplicando e dividindo por 2 a primeira fração, temos ou seja, (4S)2 + (b2 + c2 − a2)2 = (2bc)2 de onde resulta 16S2 = (2bc)2 − (b2 + c2 −a2)2 Uma vez que o segundo membro é uma diferença de quadrados, podemos escrever 16S2 = [2bc − (b2 + c2 − a2)].[2bc + (b2 + c2 − a2)] ou ainda, 16S2 = [a2 − (b2 + c2 − 2bc)].[(b2 + c2 + 2bc)] − a2] isto é, 16S2 = [a2 −(b − c)2].[(b + c)2 − a2] Novamente, fatorando as diferenças de quadrados, 16S2 = [a + b − c]. [a − b + c].[b + c + a].[b + c − a] ou Como p a b c= + + 2 é o semiperímetro, temos S2 = (p − c).(p − b).p.(p − a) ou Ou, de outra forma, S p p a p b p c= − − −.( ).( ).( ) . 4 2 2 1 2 2 2 2 2S bc b c a bc + + − = S a b c a b c a b c b c a2 2 2 2 2 = + − ⋅ − + ⋅ + + ⋅ + − S p c p b p p a= − − −( ).( ). .( ) 176 8 Trigonometria no triângulo retângulo Licenciatura em Ciências · USP/Univesp · Módulo 1 8.5 Outras razões trigonométricas Num triângulo retângulo, sempre no caso de um ângulo agudo, ainda podemos definir outras razões entre as medidas de seus lados, além daquelas que definem o seno e o cosseno. Definimos a tangente de um ângulo agudo num triângulo retângulo como sendo o quo- ciente do cateto oposto pelo cateto adjacente: 8.14 Temos assim que, num triângulo retângulo, como o da Figura 8.3, definimos a tangente dos ângulos A e B, em termos dos catetos do triângulo retângulo: 8.15 Definimos também a cotangente de um ângulo agudo num triângulo retângulo como sendo o quociente do cateto adjacente pelo cateto oposto ou o inverso da tangente do mesmo ângulo: 8.16 Temos assim que a cotangente do ângulo A e a cotangente do ângulo B da Figura 8.3 são, em termos dos catetos a e b: 8.17 Figura 8.14: Tangente de um ângulo agudo do triângulo retângulo. tg cateto oposto cateto adjacente θ = tg tgA a b B b a = = Figura 8.15: Cotangente de um ângulo agudo do triânguloretângulo. cotg tg θ θ = = 1 cateto adjacente cateto oposto cotg cotgA b a B a b = = 177 Fundamentos de Matemática i Licenciatura em Ciências · USP/Univesp · Módulo 1 Definimos ainda o valor da secante de um ângulo agudo num triângulo retângulo como o inverso do cosseno do mesmo ângulo. Temos, pois, em termos dos lados do triângulo: 8.18 Assim, para os ângulos A e B da Figura 8.3, temos: 8.19 Definimos a cossecante de um ângulo agudo num triângulo retângulo como o inverso do seno do mesmo ângulo: 8.20 Consequentemente, os valores da cossecante do ângulo A e da cossecante do ângulo B da Figura 8.3 são dados, em termos dos lados do triângulo 8.21 Conclui-se que, num triângulo retângulo, podemos definir diferentes valores associados a ângulos agudos, valores esses que são quocientes entre as medidas dos lados do triângulo. Figura 8.16: Secante de um ângulo agudo do triângulo retângulo. secθ = hipotenusa cateto adjacente sec secA c b B c a = = Figura 8.17: Cossecante de um ângulo agudo do triângulo retângulo. cossecθ = hipotenusa cateto oposto cossec cossecA c a B c b = = 178 8 Trigonometria no triângulo retângulo Licenciatura em Ciências · USP/Univesp · Módulo 1 8.6 Triangulação: cálculo de distâncias inacessíveis Medir é comparar. No cotidiano, a medida de distâncias é feita através de uma medida direta, isto é, comparando-se as dimensões de algo com uma unidade padrão. Usualmente, adotamos o metro como unidade padrão para medir distâncias. Na astronomia utilizamos outras unidades, as quais serão aqui apresentadas. Medidas diretas são inviáveis na Astronomia. Por isso, no caso dos objetos localizados fora da Terra as medidas são efetuadas de uma maneira indireta. Um dos métodos indiretos mais antigos de determinação das distâncias é o uso da triangu- lação. Na Figura 8.18 esboçamos o esquema básico do uso da triangulação, para determinação da altura (h) do monte. Ele requer a determinação de um ângulo (θ), entre as direções da base e do cume do monte, e da distância (d) entre o observador e o monte; θ e d podem ser medidos. O ângulo θ é medido com um instrumento denominado teodolito. Algumas vezes utilizamos a semelhança entre triângulos. Um dos registros mais antigos de uso desse método indireto é aquele atribuído a Tales de Mileto (625 – 558 a.C.), o qual teria determinado a altura da pirâmide de Gizé a partir da determinação da dimensão da sombra projetada no solo. Tomou o cuidado de efetuar tal medida no exato momento em que o tamanho de sua sombra projetada no solo era igual à sua altura. Nesse momento, o tamanho da sombra da pirâmide era igual à altura da pirâmide. Figura 8.18: Determinação da altura do monte por triangulação: tgθ = h/d ou h = d × tgθ. 179 Fundamentos de Matemática i Licenciatura em Ciências · USP/Univesp · Módulo 1 Na Figura 8.19 está representada a configuração de uma estrela, vista da Terra em duas posições diametralmente opostas no seu movimento de translação e o Sol. A paralaxe estelar é o desvio aparente da estrela em relação às estrelas de fundo. O ângulo de paralaxe é p. As posições aparentes da estrela podem ser registradas em imagens da região do céu, obtidas em épocas diferentes. As paralaxes são diminutas. Ou seja, são medidas em segundos de arco. Por exemplo, a estrela mais próxima do Sol, a Próxima Centauro (e de grande paralaxe, portanto) tem paralaxe de meros 0,77 segundo de arco (2 décimos-milésimo de grau). Estrelas mais distantes têm paralaxes menores ainda.Tendo em vista a dificuldade experimental de distinguir pontos muito próximos, esse método é bastante limitado. O método da paralaxe trigonométrica introduziu na Astronomia uma nova unidade de comprimento: o parsec. Um parsec é equivalente a 3,26 anos-luz ou 206.264 unidades astronômicas, ou ainda 31 trilhões de quilômetros. Nesta unidade, as distâncias a estrelas mais brilhantes visualmente ficam a distâncias entre 1,3 pc (a-Centauri) e 800 pc, excluindo-se evidentemente o Sol. D(parsec) = 1 / p(segundo de arco) Experimente escrever essas distâncias em km, você vai ter que escrever muitos dígitos! Um parsec = 206265 U.A. Uma unidade astronômica, por sua vez, é equivalente a 1,49 · 108 km. • ExEmplo 3 1. Na Figura 8.20 está representado um morro entre dois pontos A e B. Um teodolito colocado no ponto C consegue mirar tanto A quanto B, informando que o ângulo ACB = 135°. Sabendo que CA = 100 m e que CB = 75 m, pede-se determinar a distância entre A e B. Figura 8.19: Paralaxe estelar. Figura 8.20: Encontrar a distância entre A e B. 180 8 Trigonometria no triângulo retângulo Licenciatura em Ciências · USP/Univesp · Módulo 1 → REsolução: Pela Lei dos Cossenos, temos: (AB)2 = (AC)2 + (BC)2 − 2AC.BC.cos 135° Como cos 135° = − cos 45° = − 2 2 então (AB)2 ≅ 26231,6 de onde AB ≅ 161,96 m. 2. Na Figura 8.21, estão representados os pontos A e B situados em margens opostas de um rio. Para calcular a distância AB, o topógrafo considerou um ponto C de onde fosse possível mirar os pontos A e B. Em seguida, com uma trena, mediu BC, encontrando 300 m, e, com o teodolito, mediu os ângulos ACB e ABC , encontrando 85° e 75°, respectivamente. Quanto mede AB aproximadamente? → REsolução: Em primeiro lugar, sabendo que a soma dos ângulos de um triângulo é 180o, determinamos o ângulo A BAC = = 20°. Pela Lei dos Senos, temos: de onde temos ou seja, usando uma calculadora, obtemos AB ≅ 874 Glossário Acutângulo: Todos os ângulos são agudos. Obtusângulo: Há no triângulo um ângulo obtuso. Parsec: Distância produzida por uma paralaxe anual média de um segundo de arco. Figura 8.21: Encontrar a distância entre A e B. 300 20 85sen sen° = ° AB AB = ° ° 300 85 20 .sen sen Agora é sua vez... Acesse o Ambiente Virtual de Aprendizagem e realize a(s) atividade(s) proposta(s). 8.1 Trigonometria nos primórdios 8.2 Ângulos no triângulo retângulo: o grau 8.3 Definição de seno e cosseno de um ângulo agudo num triângulo retângulo 8.4 Propriedades dos senos e cossenos: a Lei dos Senos e a Lei dos Cossenos 8.5 Outras razões trigonométricas 8.6 Triangulação: cálculo de distâncias inacessíveis Acutângulo: obtusângulo: acutângulo_QD: acutângulo_X: obtusângulo_QD: obtusângulo_X: teodolito: teodolito_QD: teodolito_X: parsec: parsec_QD: parsec_X:
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