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文檔簡介
1、<p> 1.常微分方程的基本概況 </p><p><b> 1.1.定義:</b></p><p> 自變量﹑未知函數(shù)及函數(shù)的導(dǎo)數(shù)(或微分)組成的關(guān)系式,得到的便是微分方程,通過求解微分方程求出未知函數(shù),自變量只有一個(gè)的微分方程稱為常微分方程。</p><p><b> 1.2.研究對象:</b>
2、</p><p> 常微分方程是研究自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)中的事物、物體和現(xiàn)象運(yùn)動(dòng)﹑演化和變化規(guī)律的最為基本的數(shù)學(xué)理論和方法。物理﹑化學(xué)﹑生物﹑工程﹑航空﹑航天﹑醫(yī)學(xué)﹑經(jīng)濟(jì)和金融領(lǐng)域中的許多原理和規(guī)律都可以描述成適當(dāng)?shù)某N⒎址匠?。如牛頓運(yùn)動(dòng)規(guī)律、萬有引力﹑能量守恒﹑人口發(fā)展規(guī)律﹑生態(tài)總?cè)焊偁帺p疾病傳染﹑遺傳基因變異﹑股票的漲伏趨勢﹑利率的浮動(dòng)﹑市場均衡價(jià)格的變化等。對這些規(guī)律的描述﹑認(rèn)識和分析就歸結(jié)為對相應(yīng)的常微分
3、方程的理論和方法不僅廣泛應(yīng)用于自然科學(xué),而且越來越多的應(yīng)用于社會(huì)科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域。</p><p><b> 1.3.特點(diǎn):</b></p><p> 常微分方程的概念、解法、和其它理論很多,比如,方程和方程組的種類及解法、解的存在性和唯一性、奇解、定性理論等等。下面就方程解的有關(guān)幾點(diǎn)簡述一下,以了解常微分方程的特點(diǎn)。求通解在歷史上曾作為微分方程的主要目標(biāo),一旦求出通
4、解的表達(dá)式,就容易從中得到問題所需要的特解。也可以由通解的表達(dá)式,了解對某些參數(shù)的依賴情況,便于參數(shù)取值適宜,使它對應(yīng)的解具有所需要的性能,還有助于進(jìn)行關(guān)于解的其他研究?! ?</p><p><b> 1.4.應(yīng)用:</b></p><p> 現(xiàn)在,常微分方程在很多學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)有著重要的應(yīng)用,自動(dòng)控制、各種電子學(xué)裝置的設(shè)計(jì)、彈道的計(jì)算、飛機(jī)和導(dǎo)彈飛行的穩(wěn)定性的研
5、究、化學(xué)反應(yīng)過程穩(wěn)定性的研究等。這些問題都可以化為求常微分方程的解,或者化為研究解的性質(zhì)的問題。應(yīng)該說,應(yīng)用常微分方程理論已經(jīng)取得了很大的成就,但是,它的現(xiàn)有理論也還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要,還有待于進(jìn)一步的發(fā)展,使這門學(xué)科的理論更加完善。</p><p> 2.一階的常微分方程的初等解法</p><p> 一階常微分的初等解法包括變量分離方程與變量變換﹑可以化為變量分離方程的類型﹑線性微分方
6、程與常數(shù)變易法﹑恰當(dāng)微分方程與積分因子,下面我們就具體分析一階常微分方程的初等解法。</p><p> 2.1、變量分離方程法</p><p> 形如,(2.1)的方程,稱為變量分離方程,這里的,分別是x,y的連續(xù)函數(shù)。如果,我們可將(2.1)改寫成,這樣變量就“分離”開來了。兩邊積分得到,(2.2)。</p><p> 例1:方程就可以用變量分離法求解方程&
7、lt;/p><p> 解: 變量分離,得到 ,</p><p><b> 兩邊積分,即得 ,</b></p><p> 因而,通解為 ,(c為任意常數(shù))</p><p> 2.2、可化為變量分離方程的類型</p><p> (1) 形如,(2.3)的方程,稱為齊次微分方程,這里是u
8、的連續(xù)函數(shù)。作變量變換,(2.4)即,于是,(2.5).將(2.4),(2.5)代入(2.3),則原方程變?yōu)?,整理后,得?(2.6).方程(2.6)是一個(gè)變量分離方程,這就所為的可以化為變量分離的方程。</p><p> 例2方程 就是一個(gè)可以化為變量分離的方程。</p><p> 解 這是齊次微分方程,以 及代入,則原方程變?yōu)?。即?lt;/p><p> 將
9、上式分離變量,既有 ,</p><p> 兩邊積分,得到 ,(為任意常數(shù))</p><p><b> 整理,得到 ,</b></p><p><b> 令,得到 </b></p><p> 將代入上式,得到方程的通解為 </p><p> (2)形如,(
10、2.7)的方程也可以經(jīng)變量變換化為變量分離方程,,,,,,均為常數(shù)。</p><p> 我們分三種情況來討論:</p><p> ①(常數(shù))情形。這時(shí)方程化為,有通解,其中c 為任意常數(shù)。</p><p> ?、谇樾?。令,這時(shí)有是變量分離方程。</p><p> ?、矍樾巍H绻匠?2.7)中,不全為零,方程右端分子﹑分母都是x,y的一
11、次多項(xiàng)式,因此(2.8).代表Oxy平面上兩條相交的直線,設(shè)交點(diǎn)為。若令(2.9)。則(2.8)化為從而(2.7)變?yōu)?,?.10)。因此,求解上述變量分離方程,最后代回原變量即可得原方程(2.7)的解。如果方程(2.7)中,可不必求解(2.8),直接取變換即可。</p><p> 上述解題的方法和步驟也適用于比方程(2.7)更一般的方程類型。</p><p> 例3 方程就可以用上
12、述方法來求解。</p><p><b> 解 解方程組 </b></p><p> 得x=1,y=2.令 </p><p><b> 代入原方程,則有,</b></p><p> 再令,即,則上式化為,</p><p><b> 兩邊積分,得 ,&
13、lt;/b></p><p><b> 因此 ,</b></p><p> 記,并代回原變量,得,</p><p><b> 把代入上式 得</b></p><p> 整理,得 (c為任意常數(shù))</p><p> 2.3、線性微分方程與常數(shù)變易法</
14、p><p> 一階線性微分方程,(2.9)。其中P(x),Q(x)在考慮的區(qū)間上是x的連續(xù)函數(shù)。若Q(x)=0,(2.9)變?yōu)?,?.10),(2.10)稱為一階其次線性微分方程。若,(2.9)稱為一階非其次線性微分方程。(2.10)是變量分離方程它的解為,(2.11)這里的c為任意常數(shù)。</p><p> 現(xiàn)在討論非奇次線性微分方程(2.9)通解的求法。</p><p
15、> 不難看出,(2.10)是(2.9)的特殊情形,可以設(shè)想(2.11)中將常數(shù)c變易為x的待定函數(shù)c(x).令,(2.12)微分之,得到,(2.13).將(2.12),(2.13)代入(2.9),得到。</p><p> 即,積分后得到,這里的是任意常數(shù)。將上式代入(2.12),得到方程(2.9)的通解,(2.14)。</p><p> 這種將常數(shù)變易為待定函數(shù)的方法,我們通稱
16、為常數(shù)變易法。常數(shù)變易法實(shí)際上也是一種變量變換的方法,通過變換(2.12)可將方程(2.9)化為變量分離方程。</p><p> 若方程不能化為(2.9)形式,可將x看作y的函數(shù),再看是否為(2.9)形式。</p><p> 例4 方程(n為常數(shù))就可以用常數(shù)變易法求解。</p><p> 解 將方程改寫為 ,①</p><p>
17、首先,求齊次線性微分方程 的通解</p><p> 從 ,得到齊次線性微分方程的通解</p><p> 其次,應(yīng)用常數(shù)變易法求非齊次線性微分方程的通解。為此,在上式中把c看成為x的待定函數(shù)c(x),即,②</p><p> 微分之,得到 ,③</p><p> 把②,③代入①,得到 ,</p><p>&
18、lt;b> 積分之,求得 </b></p><p> 因此,以所求的c(x)代入②,即得原方程的通解</p><p> , (為任意常數(shù))</p><p> 2.4、恰當(dāng)微分方程與積分因子</p><p> 2.4.1恰當(dāng)微分方程</p><p> 如果方程,的左端恰好是某個(gè)二元函數(shù)
19、的全微分,即+=則稱原式為恰當(dāng)微分方程。容易驗(yàn)證恰當(dāng)微分方程的通解就是,這里的c為任意常數(shù)。</p><p> 如果方程是恰當(dāng)微分方程時(shí),函數(shù)應(yīng)該具有以下性質(zhì)。和分別對y,x求偏導(dǎo),得到,,由得連續(xù)性,可得,故,這就是恰當(dāng)微分方程的必要條件。</p><p> 如果是恰當(dāng)微分方程我們可以利用“分項(xiàng)組合”的辦法來求解。利用公式(2.15)</p><p> 例5
20、 方程就可以用“分項(xiàng)組合” 方法來求解。</p><p> 解 把方程重新“分項(xiàng)組合”得到</p><p><b> 即 </b></p><p><b> 或者寫成 </b></p><p> 于是,方程的通解為 ,(c為任意)</p><p> 2
21、.4.2、積分因子</p><p> 如果存在連續(xù)可微的函數(shù),使得x+=0為一恰當(dāng)微分方程,即存在函數(shù),使,則稱為方程的積分因子,而積分因子不是唯一的。這時(shí)是方程的通解,因而也就是的通解。</p><p> 由(2.15)看到,同一方程可以有不同的積分因子,,,??梢宰C明,只要方程有解存在,則必有積分因子存在,并且不是唯一的。因此,在具體解題過程中,由于求出的積分因子不同從而通解可能具
22、有不同的形式。</p><p> 根據(jù)上述可知,函數(shù)為方程的積分因子的充要條件是,即。</p><p> 對于方程,如果存在只與x有關(guān)的積分因子,則,這時(shí)方程變成,即,由此可知,方程有只與x有關(guān)的積分因子的充要條件是,這里僅為x的函數(shù)。假如條件成立,則根據(jù)方程,可知求得方程的一個(gè)積分因子是。同樣,有只與y有關(guān)的積分因子的充要條件是,這里的僅為y的函數(shù)。從而求得方程的一個(gè)積分因子。<
23、;/p><p><b> 例6 求解方程</b></p><p> 解: ,,,,方程不是恰當(dāng)?shù)?lt;/p><p> 因?yàn)橹慌cy有關(guān)故方程有只與y有關(guān)的積分因子</p><p> 以乘方程兩邊,得到 </p><p><b> 或者寫成 </b></p>
24、<p> 因而,通解為 (c為任意常數(shù))</p><p> 例7 求方程的通解。</p><p> 解: 經(jīng)判斷 ,所以該方程不是恰當(dāng)方程。</p><p><b> 分組得</b></p><p> 顯然前兩項(xiàng)具有積分因子,相應(yīng)的全微分為</p><p><b&g
25、t; ,</b></p><p><b> 要使得</b></p><p> 成立。只需取,即可,這樣就找到了一個(gè)積分因子。</p><p> 原方程兩邊同乘,可得</p><p><b> ,</b></p><p><b> 所以通解為
26、。</b></p><p><b> 例8 解方程 。</b></p><p> 解: 方程各項(xiàng)重新組合為 </p><p><b> ,</b></p><p><b> ,</b></p><p><b> ,<
27、/b></p><p> 此時(shí),可令,上方程化為</p><p><b> ,</b></p><p><b> 解之得</b></p><p><b> ,</b></p><p> 3.常微分方程的多種解法</p>&l
28、t;p> 在常微分方程中,每一道題都有多種解法,不同的解法答案是相同的,在社會(huì)中的應(yīng)用大致也是相同的,下面就讓我們看看一道常微分方程到底有多少種解法。</p><p><b> 例1 求的通解。</b></p><p> 解: 解法1 不定積分法。</p><p><b> 令,,</b></p>
29、;<p> 則 ,所以該方程為恰當(dāng)方程。</p><p><b> ,</b></p><p><b> 關(guān)于積分,得</b></p><p><b> ,</b></p><p><b> ,</b></p><
30、;p><b> ,,</b></p><p><b> 所以通解為。</b></p><p><b> 解法2 公式法</b></p><p> 利用恰當(dāng)方程求解方法3中公式得方程通積分為</p><p><b> 解法3 分組法</b>&
31、lt;/p><p><b> 去括號重新分組可得</b></p><p> 積分,得原方程的通解為 。</p><p> 例2 求方程的通解。</p><p> 解: 由于,所以原方程不是恰當(dāng)方程。</p><p> 解法1 可將原方程改寫為 </p><p>&l
32、t;b> ,</b></p><p> 左端有積分因子或,但考慮到右端只與變量有 關(guān),故取</p><p> 為方程的積分因子,因此有</p><p><b> ,</b></p><p> 兩邊積分可得通解 </p><p> ,易見也是原方程的解。</p
33、><p> 解法2 也可將原方程改寫為</p><p><b> ,</b></p><p><b> 這是齊次方程。</b></p><p><b> 令,即可進(jìn)行求解。</b></p><p> 解法3 將看作未知函數(shù),原方程可化為線性方程 &
34、lt;/p><p><b> ,</b></p><p><b> 從而可就進(jìn)行求解。</b></p><p><b> 解法4</b></p><p> 由于,只與有關(guān),所以存在關(guān)于的積分因子</p><p><b> ,</b&
35、gt;</p><p> 以乘以方程兩端,得到 </p><p><b> ,</b></p><p><b> 為恰當(dāng)方程,即</b></p><p><b> ,</b></p><p> 因而通解為 ,另外,易見也是原方程的解。<
36、/p><p> 4.二階線性方程的冪級數(shù)解法</p><p> 二階變系數(shù)齊線性方程的求解問題歸結(jié)為尋求它的一個(gè)非零解。由于方程的系數(shù)是自變量的函數(shù),我們不能象常系數(shù)線性方程的解法那樣利用代數(shù)方法去求解。但是,從微積分學(xué)中知道,在滿足某些條件下,可以用冪級數(shù)來表示一個(gè)函數(shù)。因此,我們自然會(huì)想到,能否用冪級數(shù)來表示微分方程的解呢?所以我們接下來就來討論這一問題。 </p>
37、;<p> 例1 求方程的滿足初始條件的解。</p><p> 解: 設(shè) (1) 是方程的解,這里 是待定常數(shù),由此我們有</p><p> 將的表達(dá)式代入方程,并比較的同次冪的系數(shù),得到:</p><p><b> ,,,</b></p>
38、;<p> 由,得,,,利用數(shù)學(xué)歸納法可以 推得,一般地,代入(1)得</p><p> 這就是所求的解。事實(shí)上,方程是一階線性的,容易求得它的通解為,而由條件可以確定常數(shù),即得方程的解為 。</p><p> 例2 求解方程, 。</p><p> 解: 同例1一樣,以 (1)
39、形式上代入方程并比較的同次冪的系數(shù),這時(shí)將有,,,</p><p> 因?yàn)椴豢赡苷业接邢薜?,故方程沒有形如(1)的解,事實(shí)上,直接解方程,可得通解為 。</p><p> 但若令,那么就將上述的初值問題化為,</p><p> 這時(shí)仿照例1的做法,就可求得,</p><p> 于是,這就是所求原方程的特解,相當(dāng)于通解中取。
40、</p><p> 5、高階常微分方程的初等解法</p><p> 高階常微分方程的初等解法主要包括齊次線性微分方程、非齊次線性微分方程與常數(shù)變易法、常系數(shù)線性微分方程的解法。這三種解法是主要的也是簡單的初等解法。</p><p> 5.1﹑齊次線性微分方程 </p><p> 方程,(5.1)其中及f(t)都是區(qū)間上的連續(xù)函數(shù)。如果
41、則方程(5.1)變?yōu)椋?lt;/p><p> ?。?.2)。我們稱它為n階齊次線性微分方程,簡稱齊次線性微分方程。</p><p><b> 例1 求方程的通解</b></p><p><b> 解:設(shè) </b></p><p> 代入原方程可得:分離變量</p><
42、p><b> 則有 </b></p><p><b> 即:</b></p><p> 得:y=C1ln|x|+C2 為原方程之通解(C1,C2為任意實(shí)數(shù))</p><p> 例2 求方程 滿足初始條件</p><p><b> 的特解
43、</b></p><p><b> 解:設(shè) 則</b></p><p> 所以原方程可寫成:分離變量</p><p><b> 則有:兩邊積分</b></p><p><b> 即:</b></p><p> 由初始條件:
44、y|x=0=3得C1=3</p><p> 有y=3(x2+1)</p><p> 積分得y=x3+3x+c2</p><p> 再由初始條件y|x=0=1得C2=1</p><p> 故所求特解為y=x3+3x+1</p><p> 5.2、非齊次線性微分方程與常數(shù)變易法</p><p&
45、gt; 考慮n階非齊次線性微分方程,(5.1)易見方程(5.2)是它的特殊情形,我們指出兩者之間解的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)有著十分密切的聯(lián)系。首先容易直接驗(yàn)證如下兩個(gè)簡單性質(zhì):</p><p> 性質(zhì)1:如果是方程(5.1)的解,而x(t)是方程(5.2)的解,則也是方程(4.1)的解。即非+齊=非。</p><p> 性質(zhì)2:方程(5.1)的任意兩個(gè)解之差必為方程(5.2)的解。</p&
46、gt;<p> 例3 方程的通解(cos t,sin t是方程對應(yīng)齊次線性微分方程的基本解組)</p><p> 解 應(yīng)用常數(shù)變易法,令</p><p> 將它代入方程,則可得決定和的兩個(gè)方程及</p><p><b> 解得 ,</b></p><p><b> 由此 ,<
47、;/b></p><p><b> 原方程的解 </b></p><p> 5.3、常系數(shù)線性微分方程的解法</p><p> 5.3.1﹑特征根是單根的情形</p><p> 設(shè),,…,是特征方程的n個(gè)彼此不相等的根,則相應(yīng)的方程有如下解:,,…,。我們指出這n個(gè)解在區(qū)間上線性無關(guān),從而組成方程的基
48、本解組。</p><p> 例4 方程就是單根的情況</p><p> 解 特征方程的根為,。有兩個(gè)實(shí)根 和兩個(gè)復(fù)根,均是單根,故方程的通解為(,,,為任意常數(shù))。</p><p> 5.3.2﹑特征根有重根的情行</p><p> 當(dāng)特征根為重根實(shí)方程有如下解法。</p><p><b> 例
49、5 方程的通解。</b></p><p><b> 解 特征方程有根,</b></p><p> 因此,方程的通解為 ,其中 ,,為任意常數(shù)。以上這些就是我所了解的常微分方程的初等解法。</p><p> 6常微分在社會(huì)中的應(yīng)用及模型 </p><p> 常微分方程在社會(huì)中的應(yīng)用很廣,例如RLC電
50、路和數(shù)學(xué)擺等等都利用了常微分方程的解法。</p><p><b> 6.1﹑RLC電路</b></p><p> 包含電阻R﹑電感L﹑電容C及電源電路稱為RLC電路,RLC電路是電子電路多的基礎(chǔ)。根據(jù)電學(xué)知識,電流I經(jīng)過R,L,C的電壓降分別為RI, 和,其中Q為電量,它與電流的關(guān)系為,根據(jù)基爾霍夫(kirchhoff)第二定律:在閉合回路中,所有支路上的電壓代數(shù)
51、和等于零。</p><p> 設(shè)R,L及電源電壓E為常數(shù),當(dāng)開關(guān)S和上后,存在關(guān)系式,即,(1.1)這便是RL電路的常微分方程。其中電流I是自變量t的函數(shù),在方程(1)中是未知函數(shù)。當(dāng)開關(guān)S剛合上即時(shí)有,即,(1.2)稱此條件為方程(1.1)的初值條件。</p><p> 如果當(dāng)時(shí)有,而電源突然短路,即E=0且保持不變,此時(shí)方程(1.1)變?yōu)?(1.3)初值條件為(1.4)。</
52、p><p> 假設(shè)R,L,C為常數(shù),電源電壓是時(shí)間t的已知函數(shù)。當(dāng)開關(guān)S合上時(shí)有關(guān)系式,微分上式,代入,便得到以時(shí)間t為自變量﹑電流I為未知函數(shù)的常微分方程,(1.5)當(dāng)電源電壓是常數(shù)時(shí),上述微分方程變?yōu)?(1.6)如還有R=0,微分方程進(jìn)一步化簡為.</p><p><b> 6.2﹑數(shù)學(xué)擺</b></p><p> 數(shù)學(xué)擺是系于一根長度為
53、l的線上而質(zhì)量為m的質(zhì)點(diǎn)M,在重力作用下,他在垂直的地面的平面上沿圓周運(yùn)動(dòng),我們來確定擺的運(yùn)動(dòng)方程。</p><p> 設(shè)取反時(shí)針運(yùn)動(dòng)的方向作為計(jì)算擺與鉛垂線所成的角Φ的正方向。質(zhì)(1.7)。這樣,就得到微小振動(dòng)時(shí)擺的方程,(1.8)如果我們假設(shè)擺在一個(gè)粘性的介質(zhì)中擺動(dòng),那么,沿著擺的運(yùn)動(dòng)方向就存在一個(gè)與速度v成比例的阻力。如果阻力系數(shù)是μ,則擺的運(yùn)動(dòng)方程變?yōu)椋?.9)。如果沿著擺的運(yùn)動(dòng)方向恒有一個(gè)外力F(t
54、)作用于它,這是擺的運(yùn)動(dòng)稱為強(qiáng)迫微小振動(dòng),其方程為,(1.10)。當(dāng)要確定擺的某一個(gè)特定的運(yùn)動(dòng)時(shí),我們應(yīng)該給出擺的初始狀態(tài):當(dāng)t=0時(shí),,,(1.11)。這里的代表擺的初始位置,代表擺的初始角速度的大小。</p><p><b> 參考文獻(xiàn)</b></p><p> 1.朱思銘,李尚廉,數(shù)學(xué)模型,廣州:中山大學(xué)出版社,1995.</p><p&
55、gt; 2.姜啟源,謝金星,葉俊,數(shù)學(xué)模型,第三版。北京:高等教育出版社,2003.</p><p> 3.陳蘭蓀,數(shù)學(xué)生態(tài)學(xué)模型與研究方法,北京:科學(xué)出版社,1991.</p><p> 4.胡建偉,湯懷民,微分方程數(shù)值法,北京:科學(xué)出版社,1999.</p><p> 5.丁同仁,李承治,常微分方程,北京:高等教育出版社,1985.</p>
56、<p> 6.丁同仁,常微分方程定性方法的應(yīng)用,北京:北京大學(xué)出版社,1987.</p><p> 7.李文林.數(shù)學(xué)史教程.北京:高等教育出版社,2002</p><p> 8.王樹禾.數(shù)學(xué)思想史.北京:國防工業(yè)出版社,2003</p><p><b> 致謝</b></p><p> 三年的讀書生
57、活在這個(gè)季節(jié)即將劃上一個(gè)句號,而于我的人生卻只是一個(gè)逗號,我將面對又一次征程的開始。三年的求學(xué)生涯在師長、親友的大力支持下,走得辛苦卻也收獲滿囊,在論文即將付梓之際,思緒萬千,心情久久不能平靜。 偉人、名人為我所崇拜,可是我更急切地要把我的敬意和贊美獻(xiàn)給一位平凡的人,我的導(dǎo)師。我不是您最出色的學(xué)生,而您卻是我最尊敬的老師。您治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn),學(xué)識淵博,思想深邃,視野雄闊,為我營造了一種良好的精神氛圍。授人以魚不如授人以漁,置身其間,耳濡目染,潛
58、移默化,使我不僅接受了全新的思想觀念,樹立了宏偉的學(xué)術(shù)目標(biāo),領(lǐng)會(huì)了基本的思考方式,從論文一次感謝所有在畢業(yè)設(shè)計(jì)中曾經(jīng)幫助過我的良師益友和同學(xué),以及在設(shè)計(jì)中被我引用或參考的論著的作者。題目的選定到論文寫作的指導(dǎo),經(jīng)由您悉心的點(diǎn)撥,再經(jīng)思考后的領(lǐng)悟,常常讓我有“山重水復(fù)疑無路,柳暗花明又一村”。 感謝我的爸爸媽媽,焉得諼草,言樹之背,養(yǎng)育之恩,無以回報(bào),你們永遠(yuǎn)健康快樂是我最大的心愿。在論文即將完成之際,我的心情無法平靜,從開始進(jìn)入課題到論
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