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12.3: Derivadas Parciales

( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)

Dejary ser una función dex. Hemos estudiado con gran detalle la derivada dey con respecto ax, es decirdydx, que mide la tasa a la quey cambia con respecto ax. Consideremos ahoraz=f(x,y). Tiene sentido querer saber cómoz cambia con respecto ax y/oy. Esta sección inicia nuestra investigación sobre estas tasas de cambio.

Considera la funciónz=f(x,y)=x2+2y2, tal como se representa en la Figura 12.11 (a). Al fijary=2, enfocamos nuestra atención en todos los puntos de la superficie donde ely -valor es 2, mostrado en ambas partes (a) y (b) de la figura. Estos puntos forman una curva en el espacio:z=f(x,2)=x2+8 que es función de una sola variable. Podemos tomar la derivada dez respecto ax lo largo de esta curva y encontrar ecuaciones de líneas tangentes, etc.

12.11.PNG
Figura 12.11: Al fijar y=2, la superficief(x,y)=x2+2y2 es una curva en el espacio.

La noción clave a extraer de este ejemplo es: al tratary como constante (no varía) podemos considerar cómoz cambia con respecto ax. De manera similar, podemos mantenerx constantes y considerar cómoz cambia con respecto ay. Este es el principio subyacente de las derivadas parciales. Declaramos primero la definición formal basada en límites, luego mostramos cómo calcular estas derivadas parciales sin tomar límites directamente.

Definición 83 Derivada parcial

Dejarz=f(x,y) ser una función continua en un conjunto abiertoS enR2.

  1. La derivada parcial def con respecto ax es:fx(x,y)=limh0f(x+h,y)f(x,y)h.
  2. La derivada parcial def con respecto ay es:fy(x,y)=limh0f(x,y+h)f(x,y)h.

Nota: Las notaciones alternativas parafx(x,y) incluir:

xf(x,y),fx,zx,  and zx,

con notaciones similares parafy(x,y). Para facilitar la notación, a menudofx(x,y) se abreviafx.

Ejemplo12.3.1: Computing partial derivatives with the limit definition

Vamosf(x,y)=x2y+2x+y3. Encuentrafx(x,y) usando la definición de límite.

Solución

Usando la Definición 83, tenemos:

\ [\ begin {alinear*}
f_x (x, y) &=\ lim_ {h\ a 0}\ frac {f (x+h, y) - f (x, y)} {h}\\
&=\ lim_ {h\ a 0}\ frac {(x+h) ^2y+2 (x+h) +y^3 - (x^2y+2x+y^3)} {h}\\
&=\ lim_ {h\ a 0}\ frac {(x^2y+2xhy+h^2y+2x+2h+y^3- (x^2y+2x+y^3)} {h}\\
&=\ lim_ {h\ a 0}\ frac {2xhy+h^ 2y+2h} {h}\\
&=\ lim_ {h\ a 0} 2xy+hy+2\\
&= 2xy+2.
\ end {alinear*}\]

Hemos encontradofx(x,y)=2xy+2.

Ejemplo12.3.1 encontró una derivada parcial usando la definición formal basada en límites. Sin embargo, el uso de límites no es necesario, ya que podemos confiar en nuestro conocimiento previo de derivados para calcular fácilmente derivadas parciales. Al computarfx(x,y), mantenemosy fijos — no varía. Por lo tanto, podemos calcular la derivada con respecto ax tratándolay como una constante o coeficiente.

Así comoddx(5x2)=10x, calculamosx(x2y)=2xy. Aquí estamos tratandoy como un coeficiente.

Así comoddx(53)=0, calculamosx(y3)=0. Aquí estamos tratandoy como una constante. Más ejemplos ayudarán a dejar esto claro.

Ejemplo12.3.2: Finding partial derivatives

Encuentrafx(x,y) yfy(x,y) en cada una de las siguientes.

  1. f(x,y)=x3y2+5y2x+7
  2. f(x,y)=cos(xy2)+sinx
  3. f(x,y)=ex2y3x2+1

Solución

  1. Tenemosf(x,y)=x3y2+5y2x+7. Empezar confx(x,y). Mantentey fijo, tratándolo como una constante o coeficiente, según corresponda:fx(x,y)=3x2y21. Observe cómo los7 términos5y2 y van a cero. Para calcularfy(x,y), mantenemosx fijo:fy(x,y)=2x3y+10y. Observe cómo los7 términosx y van a cero.
  2. Tenemosf(x,y)=cos(xy2)+sinx.
    Empezar confx(x,y). Necesitamos aplicar la Regla de Cadena con el término coseno;y2 es el coeficiente delx término dentro de la función coseno. fx(x,y)=sin(xy2)(y2)+cosx=y2sin(xy2)+cosx.Para encontrarfy(x,y), tenga en cuenta quex es el coeficiente dely2 término dentro del término coseno; también tenga en cuenta que ya quexsinx es fijo, también es fijo, y lo tratamos como una constante. fy(x,y)=sin(xy2)(2xy)=2xysin(xy2).
  3. Tenemosf(x,y)=ex2y3x2+1.
    Empezandofx(x,y) por, anote cómo necesitamos aplicar la Regla de Producto. fx(x,y)=ex2y3(2xy3)x2+1+ex2y312(x2+1)1/2(2x)=2xy3ex2y3x2+1+xex2y3x2+1.Tenga en cuenta que al encontrar nofy(x,y) tenemos que aplicar la Regla del Producto; ya quex2+1 no contieney, la tratamos como fija y de ahí se convierte en un coeficiente delex2y3 término. fy(x,y)=ex2y3(3x2y2)x2+1=3x2y2ex2y3x2+1.

Hemos mostrado cómo calcular una derivada parcial, pero aún puede que no quede claro qué significa una derivada parcial. Dadoz=f(x,y),fx(x,y) mide la tasa a la quez cambia ya que solox varía:y se mantiene constante.

Imagínese pararse en una pradera ondulada, luego comenzando a caminar hacia el este. Dependiendo de tu ubicación, podrías subir, bajar bruscamente o tal vez no cambiar de elevación en absoluto. Esto es similar a medirzx: se está moviendo solo hacia el este (en la dirección "x“-dirección) y no del norte/sur en absoluto. Volviendo a tu ubicación original, imagina ahora caminando hacia el norte (en la dirección "y“-dirección). Quizás caminar por el norte no cambia en absoluto tu elevación. Esto es análogo azy=0:z no cambia con respecto ay. Eso podemos verzx yzy no tiene que ser lo mismo, ni siquiera similar, ya que es fácil imaginar circunstancias donde caminar hacia el este significa caminar cuesta abajo, aunque caminar hacia el norte te hace caminar cuesta arriba.

El siguiente ejemplo nos ayuda a visualizar esto más.

Ejemplo12.3.3: Evaluating partial derivatives

Vamosz=f(x,y)=x212y2+xy+10. Encontrarfx(2,1)fy(2,1) e interpretar su significado.

Solución

Comenzamos por la computaciónfx(x,y)=2x+y yfy(x,y)=y+x. Así

fx(2,1)=3andfy(2,1)=1.

También es útil señalar quef(2,1)=7.5. ¿Qué significa cada uno de estos números?

Considerefx(2,1)=3, junto con la Figura 12.12 (a). Si uno “se para” sobre la superficie en el punto(2,1,7.5) y se mueve paralelo alx eje -( es decir, solo cambia elx -valor, no ely -valor), entonces la tasa instantánea de cambio es3. Al aumentar elx valor -se disminuirá elz valor -valor; al disminuir elx valor -se incrementará elz valor -valor.

12.12.PNG
Figura 12.12: Ilustrando el significado de las derivadas parciales.

Consideremos ahorafy(2,1)=1, ilustrado en la Figura 12.12 (b). Al moverse a lo largo de la curva dibujada en la superficie, es decir, paralela aly ejex -y no cambiar los valoresz -, aumenta el -valor instantáneamente a una velocidad de 1. Incrementar ely valor -en 1 aumentaría elz valor -en aproximadamente 1.

Dado que la magnitud defx es mayor que la magnitud defy at(2,1), es “más pronunciada” en lax dirección -que en lay dirección -dirección.

Segunda Derivadas Parciales

Vamosz=f(x,y). Hemos aprendido a encontrar las derivadas parcialesfx(x,y) yfy(x,y), que son cada una funciones dex yy. Por lo tanto podemos tomar derivados parciales de ellos, cada uno con respecto ax yy. Definimos estos “segundos parciales” junto con la notación, damos ejemplos, luego discutimos su significado.

Definición 84 Segunda derivada parcial y derivada parcial mixta

Dejarz=f(x,y) ser continuo en un juego abiertoS.

  1. La segunda derivada parcial def con respecto ax entoncesx esx(fx)=2fx2=(fx)x=fxx
  2. La segunda derivada parcial def con respecto ax entoncesy esy(fx)=2fyx=(fx)y=fxy

Definiciones similares se mantienen para2fy2=fyy y2fxy=fyx.

Las segundas derivadas parcialesfxy yfyx son derivadas parciales mixtas.

La notación de segundas derivadas parciales da cierta idea de la notación de la segunda derivada de una función de una sola variable. Siy=f(x), entoncesf. La "d^2y" porción significa “tomar la derivada dey dos veces”, mientras quedx^2 "" significa “con respecto ax ambas veces”. Cuando sólo conocemos funciones de una sola variable, esta última frase parece tonta: sólo hay una variable a la que tomar la derivada respecto. Ahora que entendemos funciones de múltiples variables, vemos la importancia de especificar a qué variables nos estamos refiriendo.

Nota: Los términos de la Definición 84 dependen todos de los límites, por lo que cada definición viene con la advertencia “donde existe el límite”.

Ejemplo\PageIndex{4}: Second partial derivatives

Para cada una de las siguientes, encuentra las seis primera y segunda derivadas parciales. Es decir, encontrar
f_x,\quad f_y,\quad f_{xx},\quad f_{yy},\quad f_{xy}\quad \text{and}\quad f_{yx}\,.

  1. f(x,y) = x^3y^2 + 2xy^3+\cos x
  2. f(x,y) = \frac{x^3}{y^2}
  3. f(x,y)=e^{x}\sin(x^2y)

Solución

En cada uno, damosf_x ef_y inmediatamente y luego dedicamos tiempo derivando las segundas derivadas parciales.

  1. f(x,y) = x^3y^2+2xy^3+\cos x
    f_x(x,y) = 3x^2y^2+2y^3-\sin x
    f_y(x,y) = 2x^3y+6xy^2
    f_{xx}(x,y) = \frac{\partial}{\partial x}\big(f_x\big) = \frac{\partial}{\partial x}\big(3x^2y^2+2y^3-\sin x\big) = 6xy^2-\cos x
    f_{yy}(x,y) = \frac{\partial}{\partial y}\big(f_y\big) = \frac{\partial}{\partial y}\big(2x^3y+6xy^2\big) = 2x^3+12xy
    f_{xy}(x,y) = \frac{\partial}{\partial y}\big(f_x\big) = \frac{\partial}{\partial y}\big(3x^2y^2+2y^3-\sin x\big) = 6x^2y+6y^2
    f_{yx}(x,y) = \frac{\partial}{\partial x}\big(f_x\big) = \frac{\partial}{\partial x}\big(2x^3y+6xy^2\big) = 6x^2y+6y^2
  2. f(x,y) = \frac{x^3}{y^2} = x^3y^{-2}
    f_x(x,y) = \frac{3x^2}{y^2}
    f_y(x,y) = -\frac{2x^3}{y^3}
    f_{xx}(x,y) = \frac{\partial}{\partial x}\big(f_x\big) = \frac{\partial}{\partial x}\big(\frac{3x^2}{y^2}\big) = \frac{6x}{y^2}
    f_{yy}(x,y) = \frac{\partial}{\partial y}\big(f_y\big) = \frac{\partial}{\partial y}\big(-\frac{2x^3}{y^3}\big) = \frac{6x^3}{y^4}
    f_{xy}(x,y) = \frac{\partial}{\partial y}\big(f_x\big) = \frac{\partial}{\partial y}\big(\frac{3x^2}{y^2}\big) = -\frac{6x^2}{y^3}
    f_{yx}(x,y) = \frac{\partial}{\partial x}\big(f_x\big) = \frac{\partial}{\partial x}\big(-\frac{2x^3}{y^3}\big) = -\frac{6x^2}{y^3}
  3. f(x,y) = e^x\sin(x^2y)
    Debido a que las siguientes derivadas parciales se vuelven bastante largas, omitimos la notación extra y solo damos los resultados. En varios casos, serán necesarias múltiples aplicaciones de las Reglas de Producto y Cadena, seguidas de alguna combinación básica de términos similares.
    f_x(x,y) = e^x\sin(x^2y) + 2xye^x\cos(x^2y)
    f_y(x,y) = x^2e^x\cos(x^2y)
    f_{xx}(x,y) = e^x\sin(x^2y)+4xye^x\cos(x^2y)+2ye^x\cos(x^2y)-4x^2y^2e^x\sin(x^2y)
    f_{yy}(x,y) = -x^4e^x\sin(x^2y)
    f_{xy}(x,y) = x^2e^x\cos(x^2y)+2xe^x\cos(x^2y)-2x^3ye^x\sin(x^2y)
    f_{yx}(x,y) = x^2e^x\cos(x^2y)+2xe^x\cos(x^2y)-2x^3ye^x\sin(x^2y)

Observe cómo en cada una de las tres funciones del Ejemplo 12.3.4,f_{xy} = f_{yx}. Debido a la complejidad de los ejemplos, esto probablemente no sea una coincidencia. El siguiente teorema afirma que no lo es.

teorema 103 Derivadas parciales mixtas

Dejar quef se definan de tal manera quef_{xy} yf_{yx} son continuos en un conjunto abiertoS. Entonces para cada punto(x,y) enS,f_{xy}(x,y) = f_{yx}(x,y).

Encontrarf_{xy} ef_{yx} independientemente y comparar los resultados proporciona una manera conveniente de verificar nuestro trabajo.

Comprensión de las segundas derivadas parciales

Ahora que sabemos encontrar segundos parciales, investigamos lo que nos dicen.

Nuevamente nos referimos a una funcióny=f(x) de una sola variable. La segunda derivada def es “la derivada de la derivada”, o “la tasa de cambio de la tasa de cambio”. La segunda derivada mide cuánto está cambiando la derivada. Sif''(x)<0, entonces la derivada es cada vez más pequeña (así la gráfica def es cóncava hacia abajo); sif''(x)>0, entonces la derivada está creciendo, haciendo la gráfica def cóncava hacia arriba.

Ahora considerez=f(x,y). Se pueden hacer declaraciones similares sobref_{xx} yf_{yy} como se podría hacer sobref''(x) lo anterior. Al tomar derivados con respecto ax dos veces, medimos la cantidad def_x cambios con respecto ax. Sif_{xx}(x,y)<0, significa que a medida quex aumenta,f_x disminuye, y la gráfica def será cóncava hacia abajo en la direcciónx -. Utilizando la analogía de estar parado en la pradera ondulada utilizada anteriormente en esta sección,f_{xx} mide si el camino de uno es cóncavo arriba/abajo al caminar hacia el este.

De igual manera,f_{yy} mide la concavidad en lay dirección -dirección. Sif_{yy}(x,y)>0, entoncesf_y va aumentando con respecto ay y la gráfica def será cóncava hacia arriba en lay dirección -dirección. Apelando nuevamente a la analogía de pradera ondulada,f_{yy} mide si el camino de uno es cóncavo arriba/abajo al caminar hacia el norte.

Consideramos ahora los parciales mixtosf_{xy} yf_{yx}. El parcial mixtof_{xy} mide cuántof_x cambia con respecto ay. Una vez más usando la analogía del prado rodante,f_{x} mide la pendiente si uno camina hacia el este. Mirando hacia el este, comience a caminar hacia el norte (de lado). ¿El camino hacia el este es cada vez más empinado? Si es así,f_{xy}>0. ¿El camino hacia el oriente no está cambiando en pendiente? Si es así, entoncesf_{xy}=0. Algo similar se puede decir sobref_{yx}: considere la pendiente de los caminos que se dirigen hacia el norte mientras de lado, escalonando hacia el este.

El siguiente ejemplo examina estas ideas con números y gráficos concretos.

Ejemplo\PageIndex{5}: Understanding second partial derivatives

Vamosz=x^2-y^2+xy. Evaluar las 6 derivadas parciales primera y segunda en(-1/2,1/2) e interpretar lo que significan cada uno de estos números.

Solución

Encontramos que:

f_x(x,y) = 2x+y,\ quadf_y(x,y) = -2y+x,\ quadf_{xx}(x,y) = 2,\ quadf_{yy}(x,y) = -2 yf_{xy}(x,y) = f_{yx}(x,y) = 1. Así en(-1/2,1/2) tenemosf_x(-1/2,1/2) = -1/2,\qquad f_y(-1/2,1/2) = -3/2. La pendiente de la línea tangente(-1/2, 1/2, -1/4) en la dirección dex es-1/2: si uno se mueve desde ese punto paralelo alx eje -eje, la tasa instantánea de cambio será-1/2. La pendiente de la línea tangente en este punto en la dirección dey es-3/2: si uno se mueve desde este punto paralelo aly eje -eje, la tasa instantánea de cambio será-3/2. Estas líneas tangentes se grafican en la Figura 12.13 (a) y (b), respectivamente, donde las líneas tangentes se dibujan en una línea continua.

12.13.PNG
Figura 12.13: Comprensión de las segundas derivadas parciales en el Ejemplo 12.3.5.

Ahora considere sólo la Figura 12.13 (a). Se dibujan tres líneas tangentes dirigidas (dos son discontinuas), cada una en la dirección dex; es decir, cada una tiene una pendiente determinada porf_x. Observe cómo a medida quey aumenta, la pendiente de estas líneas se acerca a0. Dado que las pendientes son todas negativas, acercarnos a 0 significa que las pendientes van en aumento. Las pendientes que danf_x van aumentando a medida quey aumenta, el significadof_{xy} debe ser positivo.

Ya quef_{xy}=f_{yx}, también esperamos aumentarf_y a medida quex aumenta. Consideremos la Figura 12.13 (b) donde nuevamente se dibujan tres líneas tangentes dirigidas, esta vez cada una en la dirección dey con pendientes determinadas porf_y. A medida quex aumenta, las pendientes se vuelven menos empinadas (más cerca de 0). Al tratarse de pendientes negativas, esto significa que las pendientes van en aumento.

Hasta ahora tenemos una comprensión visual def_x,f_y, yf_{xy}=f_{yx}. Ahora interpretamosf_{xx} yf_{yy}. En la Figura 12.13 (a), vemos una curva dibujada dondex se mantiene constante enx=-1/2: soloy varía. Esta curva es claramente cóncava hacia abajo, lo que corresponde al hecho de quef_{yy}<0. En la parte (b) de la figura, vemos una curva similar dondey es constante y solox varía. Esta curva es cóncava hacia arriba, correspondiente al hecho de quef_{xx}>0.

Derivadas parciales y funciones de tres variables

Los conceptos subyacentes a las derivadas parciales pueden extenderse fácilmente a más de dos variables. Damos algunas definiciones y ejemplos en el caso de tres variables y confiamos en que el lector pueda extender estas definiciones a más variables si es necesario.

Definición 85 Derivadas parciales con tres variables

Dejarw=f(x,y,z) ser una función continua en un conjunto abiertoS en\mathbb{R}^3.

La derivada parcial def con respecto ax es:

f_x(x,y,z) = \lim_{h\to 0} \frac{f(x+h,y,z)-f(x,y,z)}{h}.

Definiciones similares se mantienen paraf_y(x,y,z) yf_z(x,y,z).

Al tomar derivadas parciales de derivadas parciales, podemos encontrar segundas derivadas parciales def con respecto az entoncesy, por ejemplo, igual que antes.

Ejemplo\PageIndex{6}: Partial derivatives of functions of three variables

Para cada una de las siguientes, encontrarf_x,f_y,f_z,f_{xz},f_{yz}, yf_{zz}.

  1. f(x,y,z) = x^2y^3z^4+x^2y^2+x^3z^3+y^4z^4
  2. f(x,y,z) = x\sin (yz)

Solución

  1. f_x = 2xy^3z^4+2xy^2+3x^2z^3;\quad f_y = 3x^2y^2z^4+2x^2y+4y^3z^4;
    f_z = 4x^2y^3z^3+3x^3z^2+4y^4z^3;\quad f_{xz} = 8xy^3z^3+9x^2z^2;
    f_{yz} = 12x^2y^2z^3+16y^3z^3;\quad f_{zz} = 12x^2y^3z^2+6x^3z+12y^4z^2
  2. f_x = \sin(yz);\quad f_y = xz\cos(yz);\quad f_z = xy\cos(yz);
    f_{xz} = y\cos(yz);\quad f_{yz} = x\cos(yz) - xyz\sin(yz);\quad f_{zz} = -xy^2\sin(xy)

Derivadas parciales de orden superior

Podemos seguir tomando derivados parciales de derivados parciales de derivados parciales de...; no tenemos que parar con segundas derivadas parciales. Estas derivadas parciales de orden superior no tienen una interpretación gráfica ordenada; sin embargo, no son difíciles de calcular y dignas de alguna práctica. No definimos formalmente cada derivado de orden superior, sino que damos solo algunos ejemplos de la notación.

f_{xyx}(x,y) =\frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{\partial f}{\partial x}\right)\right) \quad \text{and}

f_{xyz}(x,y,z) =\frac{\partial}{\partial z}\left(\frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{\partial f}{\partial x}\right)\right) .

Ejemplo\PageIndex{7}: Higher order partial derivatives

  1. Vamosf(x,y) = x^2y^2+\sin(xy). Encontrarf_{xxy} yf_{yxx}.
  2. Vamosf(x,y,z) = x^3e^{xy}+\cos(z). Encontrarf_{xyz}.

Solución

  1. Para encontrarf_{xxy}, primero encontramosf_x, luegof_{xx}, luegof_{xxy}:\begin{align*}f_x &= 2xy^2+y\cos(xy) \quad\quad f_{xx} = 2y^2-y^2\sin(xy)\\f_{xxy} &= 4y-2y\sin(xy) - xy^2\cos(xy).\end{align*} Para encontrarf_{yxx}, primero encontramosf_y, luegof_{yx}, luegof_{yxx}:\begin{align*}f_y &= 2x^2y+x\cos(xy) \quad \quad f_{yx} = 4xy + \cos(xy) - xy\sin(xy)\\f_{yxx} &= 4y-y\sin(xy) - \big(y\sin(xy) + xy^2\cos(xy)\big)\\ &= 4y-2y\sin(xy)-xy^2\cos(xy).\end{align*} Observe cómof_{xxy} = f_{yxx}.
  2. Para encontrarf_{xyz}, encontramosf_x, entoncesf_{xy}, entoncesf_{xyz}:
    \begin{align*}f_x &= 3x^2e^{xy}+ x^3ye^{xy} \quad \quad f_{xy} = 3x^3e^{xy}+x^3e^{xy}+x^4ye^{xy} = 4x^3e^{xy}+x^4ye^{xy}\\ f_{xyz} &= 0.\end{align*}

En el ejemplo anterior lo vimosf_{xxy} = f_{yxx}; esto no es una coincidencia. Si bien no declaramos esto como un teorema formal, siempre y cuando cada derivada parcial sea continua, no importa el orden en que se tomen las derivadas parciales. Por ejemplo,f_{xxy} = f_{xyx} = f_{yxx}.

Esto puede ser útil a veces. Si hubiéramos sabido esto, la segunda parte del Ejemplo\PageIndex{7} habría sido mucho más sencilla de calcular. En lugar de computarf_{xyz} en elx,y luegoz órdenes, podríamos haber aplicado elz,x luegoy ordenar (asf_{xyz} = f_{zxy}). Es fácil ver esof_z = -\sin z; entoncesf_{zx} yf_{zxy} son claramente 0 ya quef_z no contiene unax oy.

Una breve revisión de esta sección: las derivadas parciales miden la tasa instantánea de cambio de una función multivariable con respecto a una variable. Conz=f(x,y), las derivadas parcialesf_x yf_y medir la tasa instantánea de cambio dez cuando se mueve paralelo a losy ejesx - y -respectivamente. ¿Cómo medimos la tasa de cambio en un punto en el que no nos movemos paralelos a uno de estos ejes? ¿Y si nos movemos en la dirección dada por el vector\langle 2,1\rangle? ¿Podemos medir esa tasa de cambio? La respuesta es, por supuesto, sí, podemos. Este es el tema de la Sección 12.6. Primero, necesitamos definir lo que significa que una función de dos variables sea diferenciable.


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