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gtd(scheda): aggiunge operatore forma, I e II forma fondamentale
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@@ -81,6 +81,9 @@
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\newcommand{\CC}{\mathcal{C}}
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\newcommand{\TT}{\mathbb{T}}
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\newcommand{\I}{\mathrm{I}}
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\newcommand{\II}{\mathrm{II}}
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\DeclareMathOperator{\SO}{SO}
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\DeclareMathOperator{\rk}{rk}
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@@ -242,6 +242,8 @@
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ogni punto $P$ di $\Sigma$.
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\end{proposition}
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%TODO: breve dimostrazione
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\begin{corollary}
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Ogni superficie $\Sigma$ di livello $\ell$ rispetto a $f$, per $f$ liscia e $\ell$ regolare, è orientabile.
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\end{corollary}
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+173
-3
@@ -25,7 +25,7 @@
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\begin{proposition}[Il piano tangente è l'insieme delle velocità delle curve sulla superficie considerata]
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Sia $\Sigma$ una superficie. Allora vale:
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\[
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T_P \Sigma = \{ \alpha'(P) \mid \alpha : I \to \Sigma \textnormal{ curva con } P \in \alpha(I) \}.
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\boxed{T_P \Sigma \defeq \{ \alpha'(P) \mid \alpha : I \to \Sigma \textnormal{ curva con } P \in \alpha(I) \}.}
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\]
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\end{proposition}
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@@ -80,11 +80,181 @@
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||||
$\xi \in T_P \Sigma$. Allora, data una funzione $f : \Sigma \to \RR^n$,
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la derivata direzionale $D_\xi f(P)$ è definita come:
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\[
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D_\xi f(P) \defeq (f \circ \alpha)'(0),
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\boxed{D_\xi f(P) \defeq (f \circ \alpha)'(0),}
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\]
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dove $\alpha$ è una qualsiasi curva su $\Sigma$
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passante per $P$ al tempo $0$ con $\alpha'(0) = \xi$.
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\end{definition}
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%\section{Operatore forma, I e II forma fondamentale}
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\section{Operatore forma, I e II forma fondamentale}
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\subsection{Operatore forma e prime proprietà}
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\begin{proposition}
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Sia $\vec{x}$ una parametrizzazione regolare di un punto
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$P$ su $\Sigma$. Allora $D_\xi \vec{n}(P) \in T_P \Sigma$,
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dove $\vec{n}$ è la normale indotta da $\vec{x}$ localmente.
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\end{proposition}
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\begin{proof}
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Sia $\alpha$ una curva su $\Sigma$ passante per $P$ al tempo $0$
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con $\alpha'(0) = \xi$.
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Osserviamo che $\vec{n}(\alpha(t)) \cdot \vec{n}(\alpha(t)) = 1$,
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e quindi:
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\[
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2 (D_\xi \, \vec{n}(P) \cdot \vec{n}(P)) = 0,
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\]
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da cui la tesi.
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\end{proof}
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\begin{definition}[Operatore forma]
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Data una $\vec{x}$ una parametrizzazione regolare di un
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punto $P$ su $\Sigma$, si definisce \textbf{operatore forma}
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l'endomorfismo $S_P(\xi) : T_P \Sigma \to T_P \Sigma$ tale per cui:
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\[
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\boxed{S_P(\xi) \defeq - D_\xi \, \vec{n}(P).}
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\]
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\end{definition}
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\begin{remark}
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Osserviamo che l'operatore forma è ``essenzialmente unico'', dal momento
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che, al variare delle parametrizzazioni, può solo cambiare segno (quello della
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normale). Tutte le proprietà che ci interessano sono invarianti per cambio di
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segno, e quindi la scrittura $S_P$ è ``ben definita''.
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\end{remark}
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\begin{lemma} \label{lem:formula_operatore_forma}
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Sia $P$ un punto su una superficie $\Sigma$. Sia $\vec{x}$ una
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parametrizzazione di $P$. Allora per $\{i, j\} \subseteq \{u, v\}$ vale:
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\[
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||||
\boxed{S_P(\vec{x_i}) \cdot \vec{x_j}(P) = \vec{n}(P) \cdot \vec{x_{ij}}(P).}
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\]
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\end{lemma}
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\begin{proof}
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Senza perdita di generalità assumiamo $P = \vec{x}(0, 0)$.
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Sia $\vec{n}$ la normale indotta dalla parametrizzazione $\vec{x}$. Allora vale:
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\[
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\begin{cases}
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||||
\vec{n} \cdot \vec{x_u} = 0, \\
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||||
\vec{n} \cdot \vec{x_v} = 0.
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||||
\end{cases}
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||||
\]
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||||
Derivando le due equazioni del sistema lungo la curva $\alpha(t) = \vec{x}(t, 0)$,
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otteniamo:
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\[
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||||
\begin{cases}
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||||
S_P(\vec{x_u}) \cdot \vec{x_u}(P) = \vec{n}(P) \cdot \vec{x_{uu}}(P), \\
|
||||
S_P(\vec{x_u}) \cdot \vec{x_v}(P) = \vec{n}(P) \cdot \vec{x_{uv}}(P),
|
||||
\end{cases}
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||||
\]
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||||
dove nell'ultima espressione si è applicato il teorema di Schwarz per sostituire $x_{uv}$
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a $x_{vu}$. Analogamente si ottiene la formula per gli altri due casi.
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\end{proof}
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\begin{proposition}[L'operatore forma è autoaggiunto] \label{prop:forma_autoaggiunta}
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Sia $P$ un punto su una superficie $\Sigma$. Allora l'operatore
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forma $S_P$ è autoaggiunto.
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\end{proposition}
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\begin{proof}
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Per dimostrare che $S_P$ è autoaggiunto è sufficiente mostrare
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che:
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\[ S_P(\vec{x_u}) \cdot \vec{x_v} = \vec{x_u} \cdot S_P(\vec{x_v}), \]
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dacché $\{\vec{x_u}(P), \vec{x_v}(P)\}$ è una base di $T_P \Sigma$. Questo
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però è immediato dal Lemma \ref{lem:formula_operatore_forma} e dal teorema
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di Schwarz.
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\end{proof}
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\subsection{I e II forma fondamentale}
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\begin{definition}[I forma fondamentale]
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||||
Sia $\Sigma$ una superficie. Si definisce \textbf{I forma fondamentale}
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||||
di $\Sigma$ in $P$ il prodotto scalare $\I_P : T_P \Sigma \times T_P \Sigma \to \RR$
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||||
definito come:
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\[
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||||
\boxed{\I_P(v, w) \defeq v \cdot w,}
|
||||
\]
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||||
ovverosia è il prodotto canonico di $\RR^3$ ristretto
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a $T_P \Sigma$.
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||||
\end{definition}
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\begin{definition}[II forma fondamentale]
|
||||
Sia $\Sigma$ una superficie. Si definisce \textbf{II forma fondamentale}
|
||||
di $\Sigma$ in $P$ il prodotto scalare $\II_P : T_P \Sigma \times T_P \Sigma \to \RR$
|
||||
definito come:
|
||||
\[
|
||||
\boxed{\II_P(v, w) \defeq \I_P(S_P(v), w) = S_P(v) \cdot w.}
|
||||
\]
|
||||
\end{definition}
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||||
\begin{remark}
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||||
Osserviamo che la II forma fondamentale è ben definita dal momento che
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||||
$S_P$ è autoaggiunto per la Proposizione \ref{prop:forma_autoaggiunta}
|
||||
\end{remark}
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||||
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||||
\begin{remark}
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||||
Scelta una parametrizzazione $\vec{x}$ di $P$, le due forme fondamentali
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||||
e l'operatore forma
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si rappresentano canonicamente come matrici $2 \times 2$ nella
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base $\{\vec{x_u}, \vec{x_v}\}$.
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||||
\end{remark}
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\begin{definition}[I forma fondamentale matriciale]
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||||
Scelta una parametrizzazione $\vec{x}$ di $P$ e data la rappresentazione
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||||
matriciale di $\I_P$ rispetto a $\vec{x}$, definiamo $E$, $F$ e $G$ (relativi
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||||
a $P$) di
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modo che:
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\[
|
||||
\begin{pmatrix}
|
||||
E & F \\
|
||||
F & G
|
||||
\end{pmatrix} =
|
||||
\begin{pmatrix}
|
||||
\vec{x_u} \cdot \vec{x_u} & \vec{x_u} \cdot \vec{x_v} \\
|
||||
\vec{x_u} \cdot \vec{x_v} & \vec{x_v} \cdot \vec{x_v}
|
||||
\end{pmatrix}.
|
||||
\]
|
||||
\end{definition}
|
||||
|
||||
\begin{definition}[II forma fondamentale matriciale]
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||||
Scelta una parametrizzazione $\vec{x}$ di $P$ e data la rappresentazione
|
||||
matriciale di $\II_P$ rispetto a $\vec{x}$, definiamo $\ell$, $m$, $n$ (relativi
|
||||
a $P$) di
|
||||
modo che:
|
||||
\[
|
||||
\begin{pmatrix}
|
||||
\ell & m \\
|
||||
m & n
|
||||
\end{pmatrix} =
|
||||
\begin{pmatrix}
|
||||
S_P(\vec{x_u}) \cdot \vec{x_u} & S_P(\vec{x_u}) \cdot \vec{x_v} \\
|
||||
S_P(\vec{x_u}) \cdot \vec{x_v} & S_P(\vec{x_v}) \cdot \vec{x_v}
|
||||
\end{pmatrix}.
|
||||
\]
|
||||
\end{definition}
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||||
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\begin{proposition}[Formula per $\ell$, $m$ e $n$]
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Gli elementi della rappresentazione matriciale di $\II_P$ rispetto a $\vec{x}$
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si calcolano come segue:
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\[
|
||||
\boxed{\ell = \vec{n} \cdot \vec{x_{uu}}, \quad m = \vec{n} \cdot \vec{x_{uv}}, \quad n = \vec{n} \cdot \vec{x_{vv}},}
|
||||
\]
|
||||
dove $\vec{n}$ è la normale indotta da $\vec{x}$.
|
||||
\end{proposition}
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||||
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\begin{proof}
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||||
Segue immediatamente dal Lemma \ref{lem:formula_operatore_forma}.
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||||
\end{proof}
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||||
\begin{proposition}
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||||
Scelta una parametrizzazione $\vec{x}$ di $P$, le rappresentazioni
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||||
matriciali di $\I_P$, $\II_P$ e $S_P$ rispetto a $\vec{x}$ soddisfano
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||||
la seguente relazione:
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\[
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||||
\boxed{\II_P = \I_P \cdot S_P.}
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\]
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In particolare vale:
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\[ \boxed{\det(S_P) = \frac{\det(\II_P)}{\det(\I_P)} = \frac{\ell n - m}{EF-G^2}.} \]
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\end{proposition}
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\end{multicols*}
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Reference in New Issue
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