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Theorem limsuppnflem 41980
Description: If the restriction of a function to every upper interval is unbounded above, its lim sup is +∞. (Contributed by Glauco Siliprandi, 23-Oct-2021.)
Hypotheses
Ref Expression
limsuppnflem.j 𝑗𝐹
limsuppnflem.a (𝜑𝐴 ⊆ ℝ)
limsuppnflem.f (𝜑𝐹:𝐴⟶ℝ*)
Assertion
Ref Expression
limsuppnflem (𝜑 → ((lim sup‘𝐹) = +∞ ↔ ∀𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗))))
Distinct variable groups:   𝐴,𝑗,𝑘,𝑥   𝑘,𝐹,𝑥   𝜑,𝑗,𝑘,𝑥
Allowed substitution hint:   𝐹(𝑗)

Proof of Theorem limsuppnflem
StepHypRef Expression
1 id 22 . . . . . . 7 (𝜑𝜑)
2 imnan 402 . . . . . . . . . . . . . 14 ((𝑘𝑗 → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) ↔ ¬ (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗)))
32ralbii 3163 . . . . . . . . . . . . 13 (∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) ↔ ∀𝑗𝐴 ¬ (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗)))
4 ralnex 3234 . . . . . . . . . . . . 13 (∀𝑗𝐴 ¬ (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) ↔ ¬ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗)))
53, 4bitri 277 . . . . . . . . . . . 12 (∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) ↔ ¬ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗)))
65rexbii 3245 . . . . . . . . . . 11 (∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) ↔ ∃𝑘 ∈ ℝ ¬ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗)))
7 rexnal 3236 . . . . . . . . . . 11 (∃𝑘 ∈ ℝ ¬ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) ↔ ¬ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗)))
86, 7bitri 277 . . . . . . . . . 10 (∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) ↔ ¬ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗)))
98rexbii 3245 . . . . . . . . 9 (∃𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) ↔ ∃𝑥 ∈ ℝ ¬ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗)))
10 rexnal 3236 . . . . . . . . 9 (∃𝑥 ∈ ℝ ¬ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) ↔ ¬ ∀𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗)))
119, 10bitri 277 . . . . . . . 8 (∃𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) ↔ ¬ ∀𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗)))
1211biimpri 230 . . . . . . 7 (¬ ∀𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) → ∃𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)))
13 simp1 1131 . . . . . . . . . . . . 13 (((((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ 𝑘 ∈ ℝ) ∧ 𝑗𝐴) ∧ (𝑘𝑗 → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) ∧ 𝑘𝑗) → (((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ 𝑘 ∈ ℝ) ∧ 𝑗𝐴))
14 id 22 . . . . . . . . . . . . . . 15 ((𝑘𝑗 → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) → (𝑘𝑗 → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)))
1514imp 409 . . . . . . . . . . . . . 14 (((𝑘𝑗 → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) ∧ 𝑘𝑗) → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗))
16153adant1 1125 . . . . . . . . . . . . 13 (((((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ 𝑘 ∈ ℝ) ∧ 𝑗𝐴) ∧ (𝑘𝑗 → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) ∧ 𝑘𝑗) → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗))
17 limsuppnflem.f . . . . . . . . . . . . . . . . 17 (𝜑𝐹:𝐴⟶ℝ*)
1817ffvelrnda 6844 . . . . . . . . . . . . . . . 16 ((𝜑𝑗𝐴) → (𝐹𝑗) ∈ ℝ*)
1918ad4ant14 750 . . . . . . . . . . . . . . 15 ((((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ 𝑘 ∈ ℝ) ∧ 𝑗𝐴) → (𝐹𝑗) ∈ ℝ*)
2019adantr 483 . . . . . . . . . . . . . 14 (((((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ 𝑘 ∈ ℝ) ∧ 𝑗𝐴) ∧ ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) → (𝐹𝑗) ∈ ℝ*)
21 simpllr 774 . . . . . . . . . . . . . . . 16 ((((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ 𝑘 ∈ ℝ) ∧ 𝑗𝐴) → 𝑥 ∈ ℝ)
22 rexr 10679 . . . . . . . . . . . . . . . 16 (𝑥 ∈ ℝ → 𝑥 ∈ ℝ*)
2321, 22syl 17 . . . . . . . . . . . . . . 15 ((((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ 𝑘 ∈ ℝ) ∧ 𝑗𝐴) → 𝑥 ∈ ℝ*)
2423adantr 483 . . . . . . . . . . . . . 14 (((((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ 𝑘 ∈ ℝ) ∧ 𝑗𝐴) ∧ ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) → 𝑥 ∈ ℝ*)
25 simpr 487 . . . . . . . . . . . . . . . 16 ((((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ 𝑗𝐴) ∧ ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗))
2618ad4ant13 749 . . . . . . . . . . . . . . . . 17 ((((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ 𝑗𝐴) ∧ ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) → (𝐹𝑗) ∈ ℝ*)
2722ad3antlr 729 . . . . . . . . . . . . . . . . 17 ((((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ 𝑗𝐴) ∧ ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) → 𝑥 ∈ ℝ*)
2826, 27xrltnled 41620 . . . . . . . . . . . . . . . 16 ((((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ 𝑗𝐴) ∧ ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) → ((𝐹𝑗) < 𝑥 ↔ ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)))
2925, 28mpbird 259 . . . . . . . . . . . . . . 15 ((((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ 𝑗𝐴) ∧ ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) → (𝐹𝑗) < 𝑥)
3029adantllr 717 . . . . . . . . . . . . . 14 (((((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ 𝑘 ∈ ℝ) ∧ 𝑗𝐴) ∧ ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) → (𝐹𝑗) < 𝑥)
3120, 24, 30xrltled 12535 . . . . . . . . . . . . 13 (((((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ 𝑘 ∈ ℝ) ∧ 𝑗𝐴) ∧ ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥)
3213, 16, 31syl2anc 586 . . . . . . . . . . . 12 (((((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ 𝑘 ∈ ℝ) ∧ 𝑗𝐴) ∧ (𝑘𝑗 → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) ∧ 𝑘𝑗) → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥)
33323exp 1114 . . . . . . . . . . 11 ((((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ 𝑘 ∈ ℝ) ∧ 𝑗𝐴) → ((𝑘𝑗 → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) → (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥)))
3433ralimdva 3175 . . . . . . . . . 10 (((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ 𝑘 ∈ ℝ) → (∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) → ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥)))
3534reximdva 3272 . . . . . . . . 9 ((𝜑𝑥 ∈ ℝ) → (∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) → ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥)))
3635reximdva 3272 . . . . . . . 8 (𝜑 → (∃𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) → ∃𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥)))
3736imp 409 . . . . . . 7 ((𝜑 ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗))) → ∃𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥))
381, 12, 37syl2an 597 . . . . . 6 ((𝜑 ∧ ¬ ∀𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗))) → ∃𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥))
39 reex 10620 . . . . . . . . . . . . . 14 ℝ ∈ V
4039a1i 11 . . . . . . . . . . . . 13 (𝜑 → ℝ ∈ V)
41 limsuppnflem.a . . . . . . . . . . . . 13 (𝜑𝐴 ⊆ ℝ)
4240, 41ssexd 5219 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑𝐴 ∈ V)
4317, 42fexd 41369 . . . . . . . . . . 11 (𝜑𝐹 ∈ V)
4443limsupcld 41960 . . . . . . . . . 10 (𝜑 → (lim sup‘𝐹) ∈ ℝ*)
4544ad2antrr 724 . . . . . . . . 9 (((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥)) → (lim sup‘𝐹) ∈ ℝ*)
4622ad2antlr 725 . . . . . . . . 9 (((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥)) → 𝑥 ∈ ℝ*)
47 pnfxr 10687 . . . . . . . . . 10 +∞ ∈ ℝ*
4847a1i 11 . . . . . . . . 9 (((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥)) → +∞ ∈ ℝ*)
49 limsuppnflem.j . . . . . . . . . 10 𝑗𝐹
5041ad2antrr 724 . . . . . . . . . 10 (((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥)) → 𝐴 ⊆ ℝ)
5117ad2antrr 724 . . . . . . . . . 10 (((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥)) → 𝐹:𝐴⟶ℝ*)
52 simpr 487 . . . . . . . . . 10 (((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥)) → ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥))
5349, 50, 51, 46, 52limsupbnd1f 41956 . . . . . . . . 9 (((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥)) → (lim sup‘𝐹) ≤ 𝑥)
54 ltpnf 12507 . . . . . . . . . 10 (𝑥 ∈ ℝ → 𝑥 < +∞)
5554ad2antlr 725 . . . . . . . . 9 (((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥)) → 𝑥 < +∞)
5645, 46, 48, 53, 55xrlelttrd 12545 . . . . . . . 8 (((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥)) → (lim sup‘𝐹) < +∞)
5756rexlimdva2 3285 . . . . . . 7 (𝜑 → (∃𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥) → (lim sup‘𝐹) < +∞))
5857imp 409 . . . . . 6 ((𝜑 ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥)) → (lim sup‘𝐹) < +∞)
5938, 58syldan 593 . . . . 5 ((𝜑 ∧ ¬ ∀𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗))) → (lim sup‘𝐹) < +∞)
6059adantlr 713 . . . 4 (((𝜑 ∧ (lim sup‘𝐹) = +∞) ∧ ¬ ∀𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗))) → (lim sup‘𝐹) < +∞)
61 id 22 . . . . . . . 8 ((lim sup‘𝐹) = +∞ → (lim sup‘𝐹) = +∞)
6247a1i 11 . . . . . . . 8 ((lim sup‘𝐹) = +∞ → +∞ ∈ ℝ*)
6361, 62eqeltrd 2911 . . . . . . 7 ((lim sup‘𝐹) = +∞ → (lim sup‘𝐹) ∈ ℝ*)
6463, 61xreqnltd 41656 . . . . . 6 ((lim sup‘𝐹) = +∞ → ¬ (lim sup‘𝐹) < +∞)
6564adantl 484 . . . . 5 ((𝜑 ∧ (lim sup‘𝐹) = +∞) → ¬ (lim sup‘𝐹) < +∞)
6665adantr 483 . . . 4 (((𝜑 ∧ (lim sup‘𝐹) = +∞) ∧ ¬ ∀𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗))) → ¬ (lim sup‘𝐹) < +∞)
6760, 66condan 816 . . 3 ((𝜑 ∧ (lim sup‘𝐹) = +∞) → ∀𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗)))
6867ex 415 . 2 (𝜑 → ((lim sup‘𝐹) = +∞ → ∀𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗))))
6941adantr 483 . . . 4 ((𝜑 ∧ ∀𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗))) → 𝐴 ⊆ ℝ)
7017adantr 483 . . . 4 ((𝜑 ∧ ∀𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗))) → 𝐹:𝐴⟶ℝ*)
71 simpr 487 . . . 4 ((𝜑 ∧ ∀𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗))) → ∀𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗)))
7249, 69, 70, 71limsuppnfd 41972 . . 3 ((𝜑 ∧ ∀𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗))) → (lim sup‘𝐹) = +∞)
7372ex 415 . 2 (𝜑 → (∀𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) → (lim sup‘𝐹) = +∞))
7468, 73impbid 214 1 (𝜑 → ((lim sup‘𝐹) = +∞ ↔ ∀𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗))))
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  ¬ wn 3  wi 4  wb 208  wa 398  w3a 1082   = wceq 1531  wcel 2108  wnfc 2959  wral 3136  wrex 3137  Vcvv 3493  wss 3934   class class class wbr 5057  wf 6344  cfv 6348  cr 10528  +∞cpnf 10664  *cxr 10666   < clt 10667  cle 10668  lim supclsp 14819
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1790  ax-4 1804  ax-5 1905  ax-6 1964  ax-7 2009  ax-8 2110  ax-9 2118  ax-10 2139  ax-11 2154  ax-12 2170  ax-ext 2791  ax-rep 5181  ax-sep 5194  ax-nul 5201  ax-pow 5257  ax-pr 5320  ax-un 7453  ax-cnex 10585  ax-resscn 10586  ax-1cn 10587  ax-icn 10588  ax-addcl 10589  ax-addrcl 10590  ax-mulcl 10591  ax-mulrcl 10592  ax-mulcom 10593  ax-addass 10594  ax-mulass 10595  ax-distr 10596  ax-i2m1 10597  ax-1ne0 10598  ax-1rid 10599  ax-rnegex 10600  ax-rrecex 10601  ax-cnre 10602  ax-pre-lttri 10603  ax-pre-lttrn 10604  ax-pre-ltadd 10605  ax-pre-mulgt0 10606  ax-pre-sup 10607
This theorem depends on definitions:  df-bi 209  df-an 399  df-or 844  df-3or 1083  df-3an 1084  df-tru 1534  df-ex 1775  df-nf 1779  df-sb 2064  df-mo 2616  df-eu 2648  df-clab 2798  df-cleq 2812  df-clel 2891  df-nfc 2961  df-ne 3015  df-nel 3122  df-ral 3141  df-rex 3142  df-reu 3143  df-rmo 3144  df-rab 3145  df-v 3495  df-sbc 3771  df-csb 3882  df-dif 3937  df-un 3939  df-in 3941  df-ss 3950  df-nul 4290  df-if 4466  df-pw 4539  df-sn 4560  df-pr 4562  df-op 4566  df-uni 4831  df-iun 4912  df-br 5058  df-opab 5120  df-mpt 5138  df-id 5453  df-po 5467  df-so 5468  df-xp 5554  df-rel 5555  df-cnv 5556  df-co 5557  df-dm 5558  df-rn 5559  df-res 5560  df-ima 5561  df-iota 6307  df-fun 6350  df-fn 6351  df-f 6352  df-f1 6353  df-fo 6354  df-f1o 6355  df-fv 6356  df-riota 7106  df-ov 7151  df-oprab 7152  df-mpo 7153  df-er 8281  df-en 8502  df-dom 8503  df-sdom 8504  df-sup 8898  df-inf 8899  df-pnf 10669  df-mnf 10670  df-xr 10671  df-ltxr 10672  df-le 10673  df-sub 10864  df-neg 10865  df-ico 12736  df-limsup 14820
This theorem is referenced by:  limsuppnf  41981
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