In der Zahlentheorie ist eine lange Primzahl zur Basis b eine Primzahl , für welche gilt:

  • ist eine natürliche Zahl, sodass kein Teiler von ist
  • ist eine zyklische Zahl.

Der Ausdruck lange Primzahl (vom englischen long prime, aber auch full reptend prime, full repetend prime bzw. proper prime) wurde erstmals von John Horton Conway und Richard Kenneth Guy in ihrem Buch The Book of Numbers erwähnt.

Herleitung der Definition anhand von Beispielen

Wenn man die Basis betrachtet (also das Dezimalsystem), so erwähnt man dieses üblicherweise nicht. In diesem Abschnitt geht es um diese Basis .

Eine Bruchzahl, zum Beispiel kann auch mit Komma geschrieben werden: . Diese Dezimalzahlen hören, wie im Fall auf oder sind unendlich lang, wie zum Beispiel bei . Diese unendliche Wiederholung derselben Ziffern nennt man Periode und schreibt . Die Periode kann auch länger sein, wie zum Beispiel bei . Meistens verändern sich die Ziffern der Periode, wenn man die Zahl multipliziert (zum Beispiel ist ). Es gibt aber periodische Bruchzahlen, deren Ziffern sich nach einer Multiplikation nicht ändern, wie zum Beispiel bei . Um diese sechs Nachkommastellen zu einer ganzen Zahl zu machen, multipliziert man sie mit , also mit und erhält die Zahl . Subtrahiert man nun noch , so erhält man die ganze Zahl . Wenn man diese Zahl mit multipliziert, so erhält man:

    
  
        
          
      

Jedes Mal erhält man die gleichen Ziffern in der gleichen Reihenfolge, nur zyklisch vertauscht. Eine solche Zahl wie gilt (im Dezimalsystem) als zyklische Zahl. Vor allem aber war bei der Bruchzahl die Periodenlänge , also maximal lang, wenn man bedenkt, dass bei Division durch höchstens verschiedene Reste ungleich Null entstehen können (nämlich ). Käme bei der Division Null Rest heraus, würde die Dezimalzahl und somit auch die Periode enden (und wäre somit auch keine Periode, weil sie eben endet). Insofern macht der Begriff „lange Primzahl“ also Sinn, weil beim Bruch die Periodenlänge beträgt und somit maximal lang ist. Bei zusammengesetzten Zahlen ist die Periodenlänge niemals , deswegen kann man sich auf Primzahlen beschränken.

Kurzfassung im Dezimalsystem

Im Dezimalsystem hat man die Basis . Man nehme eine Primzahl , welche kein Teiler der Basis ist (also und ) und bilde den Bruch . Dieser Bruch sollte die Periodenlänge haben. Nun multipliziert man diesen Bruch mit und subtrahiert die ursprüngliche Bruchzahl, damit die Periode hinter dem Komma wegfällt. Man erhält die der Zahl p entsprechende Zahl . Ist eine zyklische Zahl, so ist eine lange Primzahl.

Beispiele

  • Für die Primzahl gilt im Dezimalsystem (mit Basis ): ist kein Teiler der Basis und es ist eine zyklische Zahl, wie schon vorher gezeigt wurde.
  • Die ersten langen Primzahlen im Dezimalsystem sind die folgenden:
    • 7, 17, 19, 23, 29, 47, 59, 61, 97, 109, 113, 131, 149, 167, 179, 181, 193, 223, 229, 233, 257, 263, 269, 313, 337, 367, 379, 383, 389, 419, 433, 461, 487, 491, 499, 503, 509, 541, 571, 577, 593, 619, 647, 659, 701, 709, 727, 743, 811, 821, 823, 857, 863, 887, 937, 941, 953, 971, 977, 983, … (Folge A001913 in OEIS)
  • Die Perioden der Kehrwerte der obigen langen Primzahlen (bis ) sind die folgenden:
    • 142857, 5882352941176470, 526315789473684210, 4347826086956521739130, 3448275862068965517241379310, 2127659574468085106382978723404255319148936170, 1694915254237288135593220338983050847457627118644067796610, … (Folge A004042 in OEIS)
  • Die Anzahl der langen Primzahlen im Dezimalsystem kleiner als für sind die folgenden:
    • 1, 9, 60, 467, 3617, 29500, 248881, 2155288, 19016617, 170169241, 1539964486, 14063663530, 129413160100, … (Folge A086018 in OEIS)
    • Beispiel:
      Obiger Liste kann man an der 7. Stelle die Zahl entnehmen. Das heißt, dass unter genau lange Primzahlen existieren.

Eigenschaften

  • Die folgenden vier Aussagen sind gleichbedeutend:
    • Die Zahl ist eine lange Primzahl im Dezimalsystem.
    • Die der Zahl entsprechende zyklische Zahl hat genau Stellen.
    • Für jede Restklasse gibt es ein , sodass ist.
    • ist eine Primitivwurzel modulo
  • Sei eine lange Primzahl im Dezimalsystem, welche an der Einerstelle eine hat ( hat also die Form mit ). Dann gilt:
    • Jede Ziffer taucht in der Periode von gleich oft auf.
    • Die Periodenlänge von ist durch ganzzahlig teilbar.
  • Beispiel 1:
    • Für die lange Primzahl gilt: Die Periodenlänge der Zahl beträgt . In dieser Periode ist die Ziffer genau Mal enthalten, ebenso die Ziffern .
  • Beispiel 2:
    • Die kleinsten langen Primzahlen mit an der Einerstelle sind die folgenden:
      61, 131, 181, 461, 491, 541, 571, 701, 811, 821, 941, 971, 1021, 1051, 1091, 1171, 1181, 1291, 1301, 1349, 1381, 1531, 1571, 1621, 1741, 1811, 1829, 1861, 2141, 2221, 2251, 2341, 2371, 2411, 2621, 2731, 2741, 2851, 2861, 2971, 3011, 3221, 3251, 3301, … (Folge A073761 in OEIS)
  • Im Dezimalsystem können folgende Primzahlen niemals lange Primzahlen sein:
    • mit
  • Studien haben ergeben, dass im Dezimalsystem etwa zwei Drittel der Primzahlen mit folgender Form lange Primzahlen sind:
    • mit
  • der Primzahlen der Form mit sind lange Primzahlen. Die erste Primzahl dieser Form, die keine lange Primzahl ist, ist .
  • Eine notwendige, aber nicht hinreichende Bedingung, dass eine lange Primzahl im Dezimalsystem ist, gibt die folgende Eigenschaft an:
  • Die Zahl ist durch teilbar.
    • (dabei ist eine Repunit, also eine Zahl, die ausschließlich aus Einsen besteht und genau Stellen hat.)
  • Beispiel:
    • Die folgenden sind Teiler von :
      1, 3, 7, 9, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 33, 37, 41, 43, 47, 53, 59, 61, 67, 71, 73, 79, 83, 89, 91, 97, 99, 101, 103, 107, 109, 113, 127, 131, 137, 139, 149, 151, 157, 163, 167, 173, 179, 181, 191, 193, 197, 199, 211, 223, 227, 229, 233, 239, 241, 251, 257, 259, 263, … (Folge A104381 in OEIS)
  • (das heißt, dass alle langen Primzahlen in dieser Liste enthalten sein müssen, aber nicht alle in dieser Liste sind lange Primzahlen)

Ungelöste Probleme

Artins Vermutung

Es wird vermutet, dass genau (Folge A005596 in OEIS) aller Primzahlen im Dezimalsystem lange Primzahlen sind.

Die Zahl nennt sich Artins Konstante und bezieht sich eigentlich auf den Anteil der Primzahlen, für welche eine Primitivwurzel modulo ist. Die Vermutung nennt sich Artins Vermutung und wurde von Emil Artin 1927 erstmals erwähnt.

Beispiel

Die folgenden beiden Listen geben gemeinsam betrachtet an, wie viel Prozent aller Primzahlen unter lange Primzahlen sind. Zunächst der Zähler dieses Wertes:

1, 9, 5, 467, 3617, 14750, 248881, 2155288, 19016617, 170169241, … (Folge A103362 in OEIS)

Es folgt der Nenner dieses Wertes:

4, 25, 14, 1229, 9592, 39249, 664579, 5761455, 50847534, 455052511, … (Folge A103363 in OEIS)

Obigen beiden Listen kann man jeweils an der 4. Stelle die Zahlen und entnehmen. Das bedeutet, dass aller Primzahlen bis lange Primzahlen sind, was sehr nah an Artins Konstante herankommt. Unter sind es schon aller Primzahlen, womit man noch näher an Artins Konstante herangerückt ist.

Lange Primzahlen im Dualsystem

Beispiele

  • Für und ist die Zahl
eine zyklische Zahl. Denn es ist:
Die 10-stellige binäre Ziffernfolge von wird bei der Multiplikation mit jedes Mal zyklisch rotiert, also ist im Dualsystem eine zyklische Zahl. Somit ist im Dualsystem eine lange Primzahl (im Dezimalsystem übrigens nicht).
  • Die ersten langen Primzahlen im Dualsystem sind die folgenden:
3, 5, 11, 13, 19, 29, 37, 53, 59, 61, 67, 83, 101, 107, 131, 139, 149, 163, 173, 179, 181, 197, 211, 227, 269, 293, 317, 347, 349, 373, 379, 389, 419, 421, 443, 461, 467, 491, 509, 523, 541, 547, 557, 563, 587, 613, 619, 653, 659, 661, 677, 701, 709, 757, 773, 787, 797, … (Folge A001122 in OEIS)

Eigenschaften

  • Sei eine lange Primzahl im Dualsystem (also mit Basis ). Dann gilt:
    • Für jede Restklasse gibt es ein , sodass ist.
    • ist eine Primitivwurzel modulo
(Dieser Satz ist ein Spezialfall eines schon weiter oben erwähnten Satzes.)
  • Im Dualsystem können folgende Primzahlen niemals lange Primzahlen sein:
mit
Beweis:
Für diese ist ein quadratischer Rest modulo , daher muss ein Teiler von sein. Die Periodenlänge von im Dualsystem muss also teilen und kann somit nicht sein. Somit kann auch keine lange Primzahl im Dualsystem sein.
  • Sei eine lange Primzahl im Dualsystem. Dann gilt:
hat die Form oder mit
  • Alle sicheren Primzahlen mit (inklusive ) sind lange Primzahlen im Dualsystem.
Die kleinsten sicheren Primzahlen mit dieser Eigenschaft sind die folgenden:
3, 11, 59, 83, 107, 179, 227, 347, 467, 563, 587, 1019, 1187, 1283, 1307, 1523, 1619, 1907, …
  • Studien haben ergeben, dass im Dualsystem etwa drei Viertel der Primzahlen mit folgender Form lange Primzahlen sind:
  • mit
Beispiel:
Es gibt Primzahlen , welche die Kongruenz oder erfüllen. von ihnen sind lange Primzahlen zur Basis . Das sind etwa .
  • der Primzahlen der Form mit sind lange Primzahlen im Dualsystem. Die erste Primzahl dieser Form, die keine lange Primzahl ist, ist .

Ungelöste Probleme

  • Artin vermutet, dass es unendlich viele lange Primzahlen im Dualsystem gibt.
  • Es wird vermutet, dass es unendlich viele Primzahlzwillinge gibt, die lange Primzahlen im Dualsystem sind.

Lange Primzahlen zur Basis b

Beispiele

  • Die kleinsten langen Primzahlen zur Basis für sind die folgenden (dabei bedeutet 0, dass keine solche Primzahl existiert):
2, 3, 2, 0, 2, 11, 2, 3, 2, 7, 2, 5, 2, 3, 2, 0, 2, 5, 2, 3, 2, 5, 2, 7, 2, 3, 2, 5, 2, 11, 2, 3, 2, 19, 2, 0, 2, 3, 2, 7, 2, 5, 2, 3, 2, 11, 2, 5, 2, 3, 2, 5, 2, 7, 2, 3, 2, 5, 2, 19, 2, 3, 2, 0, 2, 7, 2, 3, 2, 19, 2, 5, 2, 3, 2, 13, 2, 5, 2, 3, 2, 5, 2, 11, 2, 3, 2, 5, 2, 11, 2, 3, 2, 7, 2, 7, 2, 3, 2, … (Folge A056619 in OEIS)
Beispiel 1:
In obiger Liste steht an der 6. Stelle die Zahl . Das heißt, dass die kleinste lange Primzahl zur Basis ist.
Beispiel 2:
In obiger Liste steht an der 4. Stelle die Zahl . Das heißt, dass es keine Primzahl gibt, die eine lange Primzahl zur Basis ist.
  • Es folgt eine Auflistung der kleinsten langen Primzahlen zu verschiedensten Basen :

Eigenschaften

  • Die folgenden vier Aussagen sind gleichbedeutend:
  • Die Zahl ist eine lange Primzahl zur Basis
  • Die der Zahl entsprechende zyklische Zahl hat genau Stellen
  • Für jede Restklasse gibt es ein , sodass ist.
  • ist eine Primitivwurzel modulo
(Dieser Satz ist eine Verallgemeinerung eines weiter oben stehenden Satzes im Dezimalsystem.)
  • Sei eine lange Primzahl zur Basis , welche an der Einerstelle eine hat ( hat also die Form mit ). Dann gilt:
  • Jede Ziffer taucht in der Periode von gleich oft auf.
  • Die Periodenlänge von ist durch ganzzahlig teilbar.
(Auch dieser Satz ist eine Verallgemeinerung eines weiter oben stehenden Satzes im Dezimalsystem.)
  • Jede lange Primzahl zur Basis endet mit oder .
(Es gibt also keine langen Primzahlen zur Basis , welche an der Einerstelle eine haben.)
  • Sei eine lange Primzahl zur Basis mit oder . Dann gilt:
Es gibt keine langen Primzahlen zur Basis , welche an der Einerstelle eine haben.
(Dieser Satz ist eine Verallgemeinerung des direkt darüber stehenden Satzes.)

Ungelöste Probleme

  • Es wird (ebenfalls von Artin) vermutet, dass es unendlich viele lange Primzahlen gibt, wenn die Basis keine Quadratzahl ist.
  • Sei die Basis keine Potenz einer ganzen Zahl (also mit ) und sei keine Basis, dessen quadratfreier Teil ist. Dann wird (ebenfalls von Artin) vermutet:
aller Primzahlen zur Basis sind lange Primzahlen.
Beispiel:
Folgende Zahlen sind keine Potenz einer ganzen Zahl und haben keinen quadratfreien Teil, welcher ist:
2, 3, 6, 7, 10, 11, 12, 14, 15, 18, 19, 22, 23, 24, 26, 28, 30, 31, 34, 35, 38, 39, 40, 42, 43, 44, 46, 47, 48, 50, 51, 54, 55, 56, 58, 59, 60, 62, 63, 66, 67, 70, 71, 72, 74, 75, 76, 78, 79, 82, 83, 86, 87, 88, 90, 91, 92, 94, 95, 96, 98, 99, 102, 103, 104, 106, 107, 108, … (Folge A085397 in OEIS)

Verallgemeinerung

Eine lange Primzahl n-ten Grades zur Basis b ist eine Primzahl mit folgender Eigenschaft:

Sei mit . Dann gilt:
hat verschiedene Zykel in der dazugehörigen Dezimalbruchentwicklung

Beispiele im Dezimalsystem

  • Sei und die Basis . Dann gilt:
Alle 12 Perioden von (mit ) sind zyklische Verschiebungen der ersten beiden Perioden. Somit hat die Zahl genau verschiedene Zykel und ist somit eine lange Primzahl 2. Grades zur Basis .
  • Sei und die Basis . Dann gilt:
Alle 40 Perioden von (mit ) sind zyklische Verschiebungen von acht verschiedenen Perioden. Somit hat die Zahl genau verschiedene Zykel und ist somit eine lange Primzahl 8. Grades zur Basis .
  • Im Dezimalsystem sind die jeweils ersten langen Primzahlen n-ten Grades die folgenden (für ):
  • 7, 3, 103, 53, 11, 79, 211, 41, 73, 281, 353, 37, 2393, 449, 3061, 1889, 137, 2467, 16189, 641, 3109, 4973, 11087, 1321, 101, 7151, 7669, 757, 38629, 1231, 49663, 12289, 859, 239, 27581, 9613, 18131, 13757, 33931, 9161, 118901, 6763, 18233, … (Folge A054471 in OEIS)
  • Beispiel:
    • An der 8. Stelle obiger Liste steht die Zahl . Das heißt, dass die kleinste lange Primzahl 8. Grades (im Dezimalsystem) ist. Direkt darüber wurde diese Primzahl als Beispiel verwendet.
  • Im Dualsystem sind die jeweils ersten langen Primzahlen n-ten Grades die folgenden (für ):
  • 3, 7, 43, 113, 251, 31, 1163, 73, 397, 151, 331, 1753, 4421, 631, 3061, 257, 1429, 127, 6043, 3121, 29611, 1321, 18539, 601, 15451, 14327, 2971, 2857, 72269, 3391, 683, 2593, 17029, 2687, 42701, 11161, 13099, 1103, 71293, 13121, 17467, 2143, 83077, 25609, 5581, … (Folge A101208 in OEIS)
  • Beispiel:
    • An der 2. Stelle obiger Liste steht die Zahl . Das heißt, dass die kleinste lange Primzahl 2. Grades (im Dualsystem) ist.
  • Es folgt eine Liste von langen Primzahlen n-ten Grades im Dezimalsystem:
n lange Primzahlen n-ten Grades im Dezimalsystem OEIS-Folge
1 7, 17, 19, 23, 29, 47, 59, 61, 97, 109, 113, 131, 149, 167, 179, 181, 193, 223, 229, 233, 257, 263, 269, 313, 337, 367, 379, 383, 389, 419, 433, 461, 487, 491, 499, 503, 509, 541, 571, 577, 593, … Folge A006883 in OEIS
2 3, 13, 31, 43, 67, 71, 83, 89, 107, 151, 157, 163, 191, 197, 199, 227, 283, 293, 307, 311, 347, 359, 373, 401, 409, 431, 439, 443, 467, 479, 523, 557, 563, 569, 587, 599, … Folge A275081 in OEIS
3 103, 127, 139, 331, 349, 421, 457, 463, 607, 661, 673, 691, 739, 829, 967, 1657, 1669, 1699, 1753, 1993, 2011, 2131, 2287, 2647, 2659, 2749, 2953, 3217, 3229, 3583, 3691, 3697, 3739, 3793, 3823, 3931, … Folge A055628 in OEIS
4 53, 173, 277, 317, 397, 769, 773, 797, 809, 853, 1009, 1013, 1093, 1493, 1613, 1637, 1693, 1721, 2129, 2213, 2333, 2477, 2521, 2557, 2729, 2797, 2837, 3329, 3373, 3517, 3637, 3733, 3797, 3853, 3877, … Folge A056157 in OEIS
5 11, 251, 1061, 1451, 1901, 1931, 2381, 3181, 3491, 3851, 4621, 4861, 5261, 6101, 6491, 6581, 6781, 7331, 8101, 9941, 10331, 10771, 11251, 11261, 11411, 12301, 14051, 14221, 14411, … Folge A056210 in OEIS
6 79, 547, 643, 751, 907, 997, 1201, 1213, 1237, 1249, 1483, 1489, 1627, 1723, 1747, 1831, 1879, 1987, 2053, 2551, 2683, 3049, 3253, 3319, 3613, 3919, 4159, 4507, 4519, 4801, 4813, 4831, 4969, … Folge A056211 in OEIS
7 211, 617, 1499, 2087, 2857, 6007, 6469, 7127, 7211, 7589, 9661, 10193, 13259, 13553, 14771, 18047, 18257, 19937, 20903, 21379, 23549, 26153, 27259, 27539, 32299, 33181, 33461, 34847, 35491, 35897, … Folge A056212 in OEIS
8 41, 241, 1601, 1609, 2441, 2969, 3041, 3449, 3929, 4001, 4409, 5009, 6089, 6521, 6841, 8161, 8329, 8609, 9001, 9041, 9929, 13001, 13241, 14081, 14929, 16001, 16481, 17489, 17881, 18121, 19001, … Folge A056213 in OEIS
9 73, 1423, 1459, 2377, 2503, 3457, 7741, 9433, 10891, 10909, 16057, 17299, 17623, 20269, 21313, 22699, 24103, 26263, 28621, 28927, 29629, 30817, 32257, 34273, 34327, … Folge A056214 in OEIS
10 281, 521, 1031, 1951, 2281, 2311, 2591, 3671, 5471, 5711, 6791, 7481, 8111, 8681, 8761, 9281, 9551, 10601, 11321, 12401, 13151, 13591, 14831, 14951, 15671, 16111, 16361, 18671, … Folge A056215 in OEIS
  • Es folgt eine Liste von langen Primzahlen n-ten Grades im Dualsystem:
n lange Primzahlen n-ten Grades im Dualsystem OEIS-Folge
1 3, 5, 11, 13, 19, 29, 37, 53, 59, 61, 67, 83, 101, 107, 131, 139, 149, 163, 173, 179, 181, 197, 211, 227, 269, 293, 317, 347, 349, 373, 379, 389, 419, 421, 443, 461, 467, 491, 509, 523, 541, 547, 557, 563, 587, … Folge A001122 in OEIS
2 7, 17, 23, 41, 47, 71, 79, 97, 103, 137, 167, 191, 193, 199, 239, 263, 271, 311, 313, 359, 367, 383, 401, 409, 449, 463, 479, 487, 503, 521, 569, 599, 607, 647, 719, 743, 751, 761, 769, … Folge A115591 in OEIS
3 43, 109, 157, 229, 277, 283, 307, 499, 643, 691, 733, 739, 811, 997, 1021, 1051, 1069, 1093, 1459, 1579, 1597, 1627, 1699, 1723, 1789, 1933, 2179, 2203, 2251, 2341, 2347, 2749, 2917, … Folge A001133 in OEIS
4 113, 281, 353, 577, 593, 617, 1033, 1049, 1097, 1153, 1193, 1201, 1481, 1601, 1889, 2129, 2273, 2393, 2473, 3049, 3089, 3137, 3217, 3313, 3529, 3673, 3833, 4001, 4217, 4289, 4457, 4801, 4817, 4937, … Folge A001134 in OEIS
5 251, 571, 971, 1181, 1811, 2011, 2381, 2411, 3221, 3251, 3301, 3821, 4211, 4861, 4931, 5021, 5381, 5861, 6221, 6571, 6581, 8461, 8501, 9091, 9461, 10061, 10211, 10781, 11251, 11701, 11941, 12541, … Folge A001135 in OEIS
6 31, 223, 433, 439, 457, 727, 919, 1327, 1399, 1423, 1471, 1831, 1999, 2017, 2287, 2383, 2671, 2767, 2791, 2953, 3271, 3343, 3457, 3463, 3607, 3631, 3823, 3889, 4129, 4423, 4519, 4567, 4663, 4729, 4759, … Folge A001136 in OEIS
7 1163, 1709, 2003, 3109, 3389, 3739, 5237, 5531, 5867, 7309, 9157, 9829, 10627, 10739, 11117, 11243, 11299, 11411, 11467, 13259, 18803, 20147, 20483, 21323, 21757, 27749, 27763, 29947, … Folge A152307 in OEIS
8 73, 89, 233, 937, 1217, 1249, 1289, 1433, 1553, 1609, 1721, 1913, 2441, 2969, 3257, 3449, 4049, 4201, 4273, 4297, 4409, 4481, 4993, 5081, 5297, 5689, 6089, 6449, 6481, 6689, 6857, 7121, 7529, 7993, … Folge A152308 in OEIS
9 397, 7867, 10243, 10333, 12853, 13789, 14149, 14293, 14563, 15643, 17659, 18379, 18541, 21277, 21997, 23059, 23203, 26731, 27739, 29179, 29683, 31771, 34147, 35461, 35803, 36541, 37747, 39979, … Folge A152309 in OEIS
10 151, 241, 431, 641, 911, 3881, 4751, 4871, 5441, 5471, 5641, 5711, 6791, 6871, 8831, 9041, 9431, 10711, 12721, 13751, 14071, 14431, 14591, 15551, 16631, 16871, 17231, 17681, 17791, 18401, 19031, 19471, … Folge A152310 in OEIS

Einzelnachweise

  1. 1 2 Leonard Eugene Dickson: History of the Theory of numbers. Volume 1: Divisibility and primality. Carnegie Institution of Washington, 1919, S. 166; Textarchiv – Internet Archive
  2. John H. Conway, Richard K. Guy: The Book of Numbers. Springer-Verlag, 1996, S. 157–163, 166–171, abgerufen am 11. Juli 2018 (englisch).
  3. 1 2 Eric W. Weisstein: Full Reptend Prime. In: MathWorld (englisch).
  4. 1 2 Neil Sloane: Primes with primitive root 2 – Comments. OEIS, abgerufen am 12. Juli 2018.
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