null

Teorema de Hilbert-Waring

PorJosé A. Alonso 9-enero-202016-enero-2020

El problema de Waring, propuesto por Edward Waring consiste en déterminar si, para cada número entero k mayor que 1, existe un número n tal que todo entero positivo se puede escribir como una suma de k-potencias de números positivos con n sumandos como máximo.

La respuesta afirmativa al problema, aportada por David Hilbert, se conoce como el teorema de Hilbert-Waring. Su enunciado es

Para cada número entero k, con k ≥ 2, existe un entero positivo g(k) tal que todo entero positivo se puede expresar como una suma de a lo más g(k) k-ésimas potencias.

Definir las funciones

   descomposiciones :: Integer -> Integer -> Integer -> [[Integer]]
   orden :: Integer -> Integer -> Integer

1 2	descomposiciones :: Integer -> Integer -> Integer -> [[Integer]] orden :: Integer -> Integer -> Integer

tales que

(descomposiciones x k n) es la lista de descomposiciones de x como suma de n potencias con exponente k de números enteros positivos.

     descomposiciones 9   2 1  ==  [[9]]
     descomposiciones 9   3 1  ==  []
     descomposiciones 9   3 2  ==  [[1,8]]
     descomposiciones 9   4 9  ==  [[1,1,1,1,1,1,1,1,1]]
     descomposiciones 25  2 2  ==  [[9,16]]
     descomposiciones 133 2 3  ==  [[8,125]]
     descomposiciones 38  3 2  ==  [[1,1,36],[4,9,25]]

descomposiciones 9 2 1 == [[9]]

descomposiciones 9 3 1 == []

descomposiciones 9 3 2 == [[1,8]]

descomposiciones 9 4 9 == [[1,1,1,1,1,1,1,1,1]]

descomposiciones 25 2 2 == [[9,16]]

descomposiciones 133 2 3 == [[8,125]]

descomposiciones 38 3 2 == [[1,1,36],[4,9,25]]

(orden x k) es el menor número de sumandos necesario para expresar x como suma de k-ésimas potencias. Por ejemplo,

     orden 9  2  ==  1
     orden 9  3  ==  2
     orden 9  4  ==  9
     orden 10 2  ==  2
     orden 10 3  ==  3
     orden 10 4  ==  10
     [maximum [orden x k | x <- [1..1000]] | k <- [1..6]] == [1,4,9,19,37,73]

orden 9 2 == 1

orden 9 3 == 2

orden 9 4 == 9

orden 10 2 == 2

orden 10 3 == 3

orden 10 4 == 10

[maximum [orden x k | x <- [1..1000]] | k <- [1..6]] == [1,4,9,19,37,73]

Comprobar el teorema de Hilbert-Waring para k hasta 7; es decir, para todo número x positivo se verifica que

   orden x 2 <= 4   
   orden x 3 <= 9   
   orden x 4 <= 19  
   orden x 5 <= 37  
   orden x 6 <= 73  
   orden x 7 <= 143

orden x 2 <= 4

orden x 3 <= 9

orden x 4 <= 19

orden x 5 <= 37

orden x 6 <= 73

orden x 7 <= 143

y, en general,

   orden x k <= 2^k + floor ((3/2)^k) - 2

1	orden x k <= 2^k + floor ((3/2)^k) - 2

Soluciones

import Test.QuickCheck

descomposiciones :: Integer -> Integer -> Integer -> [[Integer]]
descomposiciones x k n =
  sumas x (takeWhile (<= x) (potencias k)) n

-- (potencias n) es la lista de las potencias de n
--    take 7 (potencias 2)  ==  [1,4,9,16,25,36,49]
--    take 7 (potencias 3)  ==  [1,8,27,64,125,216,343]
potencias :: Integer -> [Integer]
potencias n = map (^n) [1..]

-- (sumas n ys x) es la lista de las descomposiciones de x como
-- sumas de n sumandos de la lista creciente ys. Por ejemplo,
--    sumas 3 [1,2] 2  ==  [[1,2]]
--    sumas 4 [1,2] 2  ==  [[2,2]]
--    sumas 5 [1,2] 2  ==  []
--    sumas 5 [1,2] 3  ==  [[1,2,2]]
--    sumas 6 [1,2] 3  ==  [[2,2,2]]
--    sumas 6 [1,2,5] 2  ==  [[1,5]]
sumas :: Integer -> [Integer] -> Integer -> [[Integer]]
sumas _ [] _                   = []
sumas x ys 1     | x `elem` ys = [[x]]
                 | otherwise   = []
sumas x (y:ys) n | y > x       = []
                 | otherwise   = map (y:) (sumas (x-y) (y:ys) (n-1)) ++
                                 sumas x ys n

orden :: Integer -> Integer -> Integer
orden x k = head [n | n <- [1..]
                    , not (null (descomposiciones x k n))]

-- El teorema es                                 
teorema_Hilbert_Waring :: Integer -> Integer -> Property
teorema_Hilbert_Waring x k =
  x > 0 && k >= 2
  ==>
  orden x 2 <= 4   &&
  orden x 3 <= 9   &&
  orden x 4 <= 19  &&
  orden x 5 <= 37  &&
  orden x 6 <= 73  &&
  orden x 7 <= 143 &&
  orden x k <= 2^k + floor ((3/2)^k) - 2

-- La comprobación es
--    λ> quickCheck teorema_Hilbert_Waring
--    +++ OK, passed 100 tests.

import Test.QuickCheck

descomposiciones :: Integer -> Integer -> Integer -> [[Integer]]

descomposiciones x k n =

sumas x (takeWhile (<= x) (potencias k)) n

-- (potencias n) es la lista de las potencias de n

-- take 7 (potencias 2) == [1,4,9,16,25,36,49]

-- take 7 (potencias 3) == [1,8,27,64,125,216,343]

potencias :: Integer -> [Integer]

potencias n = map (^n) [1..]

-- (sumas n ys x) es la lista de las descomposiciones de x como

-- sumas de n sumandos de la lista creciente ys. Por ejemplo,

-- sumas 3 [1,2] 2 == [[1,2]]

-- sumas 4 [1,2] 2 == [[2,2]]

-- sumas 5 [1,2] 2 == []

-- sumas 5 [1,2] 3 == [[1,2,2]]

-- sumas 6 [1,2] 3 == [[2,2,2]]

-- sumas 6 [1,2,5] 2 == [[1,5]]

sumas :: Integer -> [Integer] -> Integer -> [[Integer]]

sumas _ [] _ = []

sumas x ys 1 | x `elem` ys = [[x]]

| otherwise = []

sumas x (y:ys) n | y > x = []

| otherwise = map (y:) (sumas (x-y) (y:ys) (n-1)) ++

sumas x ys n

orden :: Integer -> Integer -> Integer

orden x k = head [n | n <- [1..]

, not (null (descomposiciones x k n))]

-- El teorema es

teorema_Hilbert_Waring :: Integer -> Integer -> Property

teorema_Hilbert_Waring x k =

x > 0 && k >= 2

==>

orden x 2 <= 4 &&

orden x 3 <= 9 &&

orden x 4 <= 19 &&

orden x 5 <= 37 &&

orden x 6 <= 73 &&

orden x 7 <= 143 &&

orden x k <= 2^k + floor ((3/2)^k) - 2

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck teorema_Hilbert_Waring

-- +++ OK, passed 100 tests.

Referencia

Basado en Hilbert-Waring theorem de ProofWiki.

Pensamiento

¡Y en la tersa arena,
cerca de la mar,
tu carne rosa y morena,
súbitamente Guiomar!

Antonio Machado

Conjetura de Grimm

PorJosé A. Alonso 2-enero-202015-enero-2020

La conjetura de Grimm establece que a cada elemento de un conjunto de números compuestos consecutivos se puede asignar un número primo que lo divide, de forma que cada uno de los números primos elegidos es distinto de todos los demás. Más formalmente, si n+1, n+2, …, n+k son números compuestos, entonces existen números primos p(i), distintos entre sí, tales que p(i) divide a n+i para 1 ≤ i ≤ k.

Diremos que la lista ps = [p(1),…,p(k)] es una sucesión de Grim para la lista xs = [x(1),…,x(k)] si p(i) son números primos distintos y p(i) divide a x(i), para 1 ≤ i ≤ k. Por ejemplo, 2, 5, 13, 3, 7 es una sucesión de Grim de 24, 25, 26, 27, 28.

Definir las funciones

   compuestos :: Integer -> [Integer]
   sucesionesDeGrim :: [Integer] -> [[Integer]]

1 2	compuestos :: Integer -> [Integer] sucesionesDeGrim :: [Integer] -> [[Integer]]

tales que

(compuestos n) es la mayor lista de números enteros consecutivos empezando en n. Por ejemplo,

     compuestos 24  ==  [24,25,26,27,28]
     compuestos  8  ==  [8,9,10]
     compuestos 15  ==  [15,16]
     compuestos 16  ==  [16]
     compuestos 17  ==  []

compuestos 24 == [24,25,26,27,28]

compuestos 8 == [8,9,10]

compuestos 15 == [15,16]

compuestos 16 == [16]

compuestos 17 == []

(sucesionesDeGrim xs) es la lista de las sucesiones de Grim de xs. Por ejemplo,

     sucesionesDeGrim [15,16]          == [[3,2],[5,2]]
     sucesionesDeGrim [8,9,10]         == [[2,3,5]]
     sucesionesDeGrim [9,10]           == [[3,2],[3,5]]
     sucesionesDeGrim [24,25,26,27,28] == [[2,5,13,3,7]]
     sucesionesDeGrim [25,26,27,28]    == [[5,2,3,7],[5,13,3,2],[5,13,3,7]]

sucesionesDeGrim [15,16] == [[3,2],[5,2]]

sucesionesDeGrim [8,9,10] == [[2,3,5]]

sucesionesDeGrim [9,10] == [[3,2],[3,5]]

sucesionesDeGrim [24,25,26,27,28] == [[2,5,13,3,7]]

sucesionesDeGrim [25,26,27,28] == [[5,2,3,7],[5,13,3,2],[5,13,3,7]]

Comprobar con QuickCheck la conjetura de Grim; es decir, para todo número n > 1, (sucesionesDeGrim (compuestos n)) es una lista no vacía.

Soluciones

import Data.List (nub)
import Data.Numbers.Primes (isPrime, primeFactors)
import Test.QuickCheck

compuestos :: Integer -> [Integer]
compuestos n = takeWhile (not . isPrime) [n..]

sucesionesDeGrim :: [Integer] -> [[Integer]]
sucesionesDeGrim [] = [[]]
sucesionesDeGrim (x:xs) =
  [y:ys | y <- divisoresPrimos x
        , ys <- sucesionesDeGrim xs
        , y `notElem` ys]

-- (divisoresPrimos n) es la lista de los divisores primos de n. Por
-- ejemplo, 
--    divisoresPrimos 60  ==  [2,3,5]
divisoresPrimos :: Integer -> [Integer]
divisoresPrimos = nub . primeFactors

-- La propiedad es
conjeturaDeGrim :: Integer -> Property
conjeturaDeGrim n =
  n > 1 ==> not (null (sucesionesDeGrim (compuestos n))) 

-- La comprobación es
--    λ> quickCheck conjeturaDeGrim
--    +++ OK, passed 100 tests.

import Data.List (nub)

import Data.Numbers.Primes (isPrime, primeFactors)

import Test.QuickCheck

compuestos :: Integer -> [Integer]

compuestos n = takeWhile (not . isPrime) [n..]

sucesionesDeGrim :: [Integer] -> [[Integer]]

sucesionesDeGrim [] = [[]]

sucesionesDeGrim (x:xs) =

[y:ys | y <- divisoresPrimos x

, ys <- sucesionesDeGrim xs

, y `notElem` ys]

-- (divisoresPrimos n) es la lista de los divisores primos de n. Por

-- ejemplo,

-- divisoresPrimos 60 == [2,3,5]

divisoresPrimos :: Integer -> [Integer]

divisoresPrimos = nub . primeFactors

-- La propiedad es

conjeturaDeGrim :: Integer -> Property

conjeturaDeGrim n =

n > 1 ==> not (null (sucesionesDeGrim (compuestos n)))

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck conjeturaDeGrim

-- +++ OK, passed 100 tests.

Pensamiento

De encinar en encinar
se va fatigando el día.

Antonio Machado

Teorema de Carmichael

PorJosé A. Alonso 1-enero-20208-enero-2020

La sucesión de Fibonacci, F(n), es la siguiente sucesión infinita de números naturales:

   0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, ...

1	0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, ...

La sucesión comieanza con los números 0 y 1. A partir de estos, cada término es la suma de los dos anteriores.

El teorema de Carmichael establece que para todo n mayor que 12, el n-ésimo número de Fibonacci F(n) tiene al menos un factor primo que no es factor de ninguno de los términos anteriores de la sucesión.

Si un número primo p es un factor de F(n) y no es factor de ningún F(m) con m < n, entonces se dice que p es un factor característico o un divisor primitivo de F(n).

Definir la función

   factoresCaracteristicos :: Int -> [Integer]

1	factoresCaracteristicos :: Int -> [Integer]

tal que (factoresCaracteristicos n) es la lista de los factores característicos de F(n). Por ejemplo,

   factoresCaracteristicos  4  ==  [3]
   factoresCaracteristicos  6  ==  []
   factoresCaracteristicos 19  ==  [37,113]
   factoresCaracteristicos 20  ==  [41]
   factoresCaracteristicos 37  ==  [73,149,2221]

factoresCaracteristicos 4 == [3]

factoresCaracteristicos 6 == []

factoresCaracteristicos 19 == [37,113]

factoresCaracteristicos 20 == [41]

factoresCaracteristicos 37 == [73,149,2221]

Comprobar con QuickCheck el teorema de Carmichael; es decir, para todo número entero (factoresCaracteristicos (13 + abs n)) es una lista no vacía.

Soluciones

import Data.List (nub)
import Data.Numbers.Primes
import Test.QuickCheck

factoresCaracteristicos :: Int -> [Integer]
factoresCaracteristicos n =
  [x | x <- factoresPrimos (fib n)
     , and [fib m `mod` x /= 0 | m <- [1..n-1]]]

-- (fib n) es el n-ésimo término de la sucesión de Fibonacci. Por
-- ejemplo,
--    fib 6  ==  8
fib :: Int -> Integer
fib n = fibs !! n

-- fibs es la lista de términos de la sucesión de Fibonacci. Por ejemplo,
--    λ> take 20 fibs
--    [0,1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144,233,377,610,987,1597,2584,4181]
fibs :: [Integer]
fibs = 0 : 1 : zipWith (+) fibs (tail fibs)

-- (factoresPrimos n) es la lista de los factores primos de n. Por
-- ejemplo, 
--    factoresPrimos 600  ==  [2,3,5]
factoresPrimos :: Integer -> [Integer]
factoresPrimos 0 = []
factoresPrimos n = nub (primeFactors n)

-- Teorema
-- =======

-- El teorema es
teorema_de_Carmichael :: Int -> Bool
teorema_de_Carmichael n =
  not (null (factoresCaracteristicos n'))
  where n' = 13 + abs n

-- La comprobación es
--    λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=50}) teorema_de_Carmichael
--    +++ OK, passed 100 tests.

import Data.List (nub)

import Data.Numbers.Primes

import Test.QuickCheck

factoresCaracteristicos :: Int -> [Integer]

factoresCaracteristicos n =

[x | x <- factoresPrimos (fib n)

, and [fib m `mod` x /= 0 | m <- [1..n-1]]]

-- (fib n) es el n-ésimo término de la sucesión de Fibonacci. Por

-- ejemplo,

-- fib 6 == 8

fib :: Int -> Integer

fib n = fibs !! n

-- fibs es la lista de términos de la sucesión de Fibonacci. Por ejemplo,

-- λ> take 20 fibs

-- [0,1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144,233,377,610,987,1597,2584,4181]

fibs :: [Integer]

fibs = 0 : 1 : zipWith (+) fibs (tail fibs)

-- (factoresPrimos n) es la lista de los factores primos de n. Por

-- ejemplo,

-- factoresPrimos 600 == [2,3,5]

factoresPrimos :: Integer -> [Integer]

factoresPrimos 0 = []

factoresPrimos n = nub (primeFactors n)

-- Teorema

-- =======

-- El teorema es

teorema_de_Carmichael :: Int -> Bool

teorema_de_Carmichael n =

not (null (factoresCaracteristicos n'))

where n' = 13 + abs n

-- La comprobación es

-- λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=50}) teorema_de_Carmichael

-- +++ OK, passed 100 tests.

Pensamiento

No puede ser
amor de tanta fortuna:
dos soledades en una.

Antonio Machado

Infinitud de primos gemelos

PorJosé A. Alonso 24-diciembre-201931-diciembre-2019

Un par de números primos (p,q) es un par de números primos gemelos si su distancia de 2; es decir, si q = p+2. Por ejemplo, (17,19) es una par de números primos gemelos.

La conjetura de los primos gemelos postula la existencia de infinitos pares de primos gemelos.

Definir la constante

   primosGemelos :: [(Integer,Integer)]

1	primosGemelos :: [(Integer,Integer)]

tal que sus elementos son los pares de primos gemelos. Por ejemplo,

   λ> take 7 primosGemelos
   [(3,5),(5,7),(11,13),(17,19),(29,31),(41,43),(59,61)]
   λ> primosGemelos !! (4*10^4)
   (6381911,6381913)

λ> take 7 primosGemelos

[(3,5),(5,7),(11,13),(17,19),(29,31),(41,43),(59,61)]

λ> primosGemelos !! (4*10^4)

(6381911,6381913)

Comprobar con QuickCheck la conjetura de los primos gemelos.

Soluciones

import Data.Numbers.Primes (primes, isPrime)
import Test.QuickCheck

-- 1ª solución
primosGemelos :: [(Integer,Integer)]
primosGemelos = [(x,x+2) | x <- primes, isPrime (x+2)]

-- 2ª solución
primosGemelos2 :: [(Integer,Integer)]
primosGemelos2 = [(x,y) | (x,y) <- zip primes (tail primes)
                        , y - x == 2]

-- Comparación de eficiencia
-- =========================

--    λ> primosGemelos !! (2*10^4)
--    (2840447,2840449)
--    (3.93 secs, 12,230,474,952 bytes)
--    λ> primosGemelos2 !! (2*10^4)
--    (2840447,2840449)
--    (0.77 secs, 2,202,822,456 bytes)

-- Propiedad
-- =========

-- La propiedad es
prop_primosGemelos :: Integer -> Property
prop_primosGemelos n =
  n >= 0 ==> not (null [(x,y) | (x,y) <- primosGemelos2, x > n])

-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_primosGemelos
--    +++ OK, passed 100 tests.

import Data.Numbers.Primes (primes, isPrime)

import Test.QuickCheck

-- 1ª solución

primosGemelos :: [(Integer,Integer)]

primosGemelos = [(x,x+2) | x <- primes, isPrime (x+2)]

-- 2ª solución

primosGemelos2 :: [(Integer,Integer)]

primosGemelos2 = [(x,y) | (x,y) <- zip primes (tail primes)

, y - x == 2]

-- Comparación de eficiencia

-- =========================

-- λ> primosGemelos !! (2*10^4)

-- (2840447,2840449)

-- (3.93 secs, 12,230,474,952 bytes)

-- λ> primosGemelos2 !! (2*10^4)

-- (2840447,2840449)

-- (0.77 secs, 2,202,822,456 bytes)

-- Propiedad

-- =========

-- La propiedad es

prop_primosGemelos :: Integer -> Property

prop_primosGemelos n =

n >= 0 ==> not (null [(x,y) | (x,y) <- primosGemelos2, x > n])

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_primosGemelos

-- +++ OK, passed 100 tests.

Pensamiento

El sentimiento ha de tener tanto de individual como de genérico; debe orientarse hacia valores universales, o que pretenden serlo.

Antonio Machado

Suma de primos menores

PorJosé A. Alonso 9-diciembre-201917-diciembre-2019

La suma de los primos menores que 10 es 2 + 3 + 5 + 7 = 17.

Definir la función

   sumaPrimosMenores :: Integer -> Integer

1	sumaPrimosMenores :: Integer -> Integer

tal que (sumaPrimosMenores n) es la suma de los primos menores que n. Por ejemplo,

   sumaPrimosMenores 10        ==  17
   sumaPrimosMenores (5*10^5)  ==  9914236195

1 2	sumaPrimosMenores 10 == 17 sumaPrimosMenores (5*10^5) == 9914236195

Nota: Este ejercicio está basado en el problema 10 del Proyecto Euler

Soluciones

import Data.Numbers.Primes (primes)

-- 1ª solución
-- ===========

sumaPrimosMenores :: Integer -> Integer
sumaPrimosMenores n = sum (takeWhile (<n) primos)

-- primos es la lista de los números primos. Por ejemplo,
--    λ> take 12 primos
--    [2,3,5,7,11,13,17,19,23,29,31,37]
primos :: [Integer]
primos = 2 : filter esPrimo [3,5..]

esPrimo :: Integer -> Bool
esPrimo n = null [x | x <- [2..(ceiling . sqrt . fromIntegral) n]
                    , n `mod` x == 0]

-- 2ª solución
-- ===========

sumaPrimosMenores2 :: Integer -> Integer
sumaPrimosMenores2 n = sum (takeWhile (<n) primos2)

primos2 :: [Integer]
primos2 = 2 : filter esPrimo2 [3,5..]
 
esPrimo2 :: Integer -> Bool
esPrimo2 x =
  all ((/= 0) . mod x)
  (takeWhile (<= floor (sqrt (fromIntegral x))) primos2)

-- 3ª solución
-- ===========

sumaPrimosMenores3 :: Integer -> Integer
sumaPrimosMenores3 n = sum (takeWhile (<n) primes)

-- Comparación de eficiencia
-- =========================

--    λ> sumaPrimosMenores (2*10^5)
--    1709600813
--    (2.56 secs, 1,522,015,240 bytes)
--    λ> sumaPrimosMenores2 (2*10^5)
--    1709600813
--    (0.56 secs, 376,951,456 bytes)
--    λ> sumaPrimosMenores3 (2*10^5)
--    1709600813
--    (0.07 secs, 62,321,888 bytes)

import Data.Numbers.Primes (primes)

-- 1ª solución

-- ===========

sumaPrimosMenores :: Integer -> Integer

sumaPrimosMenores n = sum (takeWhile (<n) primos)

-- primos es la lista de los números primos. Por ejemplo,

-- λ> take 12 primos

-- [2,3,5,7,11,13,17,19,23,29,31,37]

primos :: [Integer]

primos = 2 : filter esPrimo [3,5..]

esPrimo :: Integer -> Bool

esPrimo n = null [x | x <- [2..(ceiling . sqrt . fromIntegral) n]

, n `mod` x == 0]

-- 2ª solución

-- ===========

sumaPrimosMenores2 :: Integer -> Integer

sumaPrimosMenores2 n = sum (takeWhile (<n) primos2)

primos2 :: [Integer]

primos2 = 2 : filter esPrimo2 [3,5..]

esPrimo2 :: Integer -> Bool

esPrimo2 x =

all ((/= 0) . mod x)

(takeWhile (<= floor (sqrt (fromIntegral x))) primos2)

-- 3ª solución

-- ===========

sumaPrimosMenores3 :: Integer -> Integer

sumaPrimosMenores3 n = sum (takeWhile (<n) primes)

-- Comparación de eficiencia

-- =========================

-- λ> sumaPrimosMenores (2*10^5)

-- 1709600813

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Pensamiento

El movimiento no es nada esencial. La fuerza puede ser inmóvil (lo es en su estado de pureza); mas no por ello deja de ser activa.

Antonio Machado

Teorema de Hilbert-Waring

Soluciones

Referencia

Pensamiento

Conjetura de Grimm

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Pensamiento

Teorema de Carmichael

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Infinitud de primos gemelos

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Suma de primos menores

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