6630:
5947:
8870:
7674:
7123:
8315:
7130:
6625:{\displaystyle \prod _{i=1}^{n}\left(1-a_{i}{\bar {a}}_{i}-b_{i}{\bar {b}}_{i}+a_{i}{\bar {a}}_{i}b_{i}{\bar {b}}_{i}\right)=1-\sum _{i=1}^{n}\left(a_{i}{\bar {a}}_{i}+b_{i}{\bar {b}}_{i}\right)+\sum _{i=1}^{n}a_{i}{\bar {a}}_{i}b_{i}{\bar {b}}_{i}+\sum _{i<j}^{n}\left(a_{i}{\bar {a}}_{i}a_{j}{\bar {a}}_{j}+b_{i}{\bar {b}}_{i}b_{j}{\bar {b}}_{j}\right)+\sum _{i<j}^{n}\left(a_{i}{\bar {a}}_{i}b_{j}{\bar {b}}_{j}+a_{j}{\bar {a}}_{j}b_{i}{\bar {b}}_{i}\right)+{\mathcal {O}}^{5+}.}
476:
9705:
6637:
41:
9283:
3468:
9278:
8865:{\displaystyle \left(\sum _{i=1}^{n}a_{i}b_{i}\right)\left(\sum _{i=1}^{n}{\overline {a_{i}b_{i}}}\right)-\sum _{i<j}^{n}\left(a_{i}b_{i}{\bar {a}}_{j}{\bar {b}}_{j}+{\bar {a}}_{i}{\bar {b}}_{i}a_{j}b_{j}\right)+\sum _{i<j}^{n}\left(a_{i}{\bar {a}}_{i}b_{j}{\bar {b}}_{j}+a_{j}{\bar {a}}_{j}b_{i}{\bar {b}}_{i}\right)=\left(\sum _{i=1}^{n}a_{i}{\bar {a}}_{i}\right)\left(\sum _{i=1}^{n}b_{i}{\bar {b}}_{i}\right).}
8049:
7669:{\displaystyle \prod _{i=1}^{n}\left(1-a_{i}{\bar {a}}_{i}\right)\prod _{i=1}^{n}\left(1-b_{i}{\bar {b}}_{i}\right)=1-\sum _{i=1}^{n}\left(a_{i}{\bar {a}}_{i}+b_{i}{\bar {b}}_{i}\right)+\left(\sum _{i=1}^{n}a_{i}{\bar {a}}_{i}\right)\left(\sum _{i=1}^{n}b_{i}{\bar {b}}_{i}\right)+\sum _{i<j}^{n}\left(a_{i}{\bar {a}}_{i}a_{j}{\bar {a}}_{j}+b_{i}{\bar {b}}_{i}b_{j}{\bar {b}}_{j}\right)+{\mathcal {O}}^{5+}.}
4903:
4477:
1067:
10002:
7118:{\displaystyle \prod _{i=1}^{n}\left(1-a_{i}{\bar {a}}_{i}\right)\prod _{i=1}^{n}\left(1-b_{i}{\bar {b}}_{i}\right)=\left(1-\sum _{i=1}^{n}a_{i}{\bar {a}}_{i}+\sum _{i<j}^{n}a_{i}{\bar {a}}_{i}a_{j}{\bar {a}}_{j}+{\mathcal {O}}^{5+}\right)\left(1-\sum _{i=1}^{n}b_{i}{\bar {b}}_{i}+\sum _{i<j}^{n}b_{i}{\bar {b}}_{i}b_{j}{\bar {b}}_{j}+{\mathcal {O}}^{5+}\right).}
5651:
3055:
8877:
7679:
471:{\displaystyle {\begin{aligned}\left(\sum _{k=1}^{n}a_{k}^{2}\right)\left(\sum _{k=1}^{n}b_{k}^{2}\right)-\left(\sum _{k=1}^{n}a_{k}b_{k}\right)^{2}&=\sum _{i=1}^{n-1}\sum _{j=i+1}^{n}\left(a_{i}b_{j}-a_{j}b_{i}\right)^{2}\\&\left(={\frac {1}{2}}\sum _{i=1}^{n}\sum _{j=1,j\neq i}^{n}(a_{i}b_{j}-a_{j}b_{i})^{2}\right),\end{aligned}}}
8310:
9700:{\displaystyle \left(\sum _{i=1}^{n}a_{i}b_{i}\right)\left(\sum _{i=1}^{n}{\overline {a_{i}b_{i}}}\right)+\sum _{i<j}^{n}\left(a_{i}{\bar {b}}_{j}-a_{j}{\bar {b}}_{i}\right)\left({\overline {a_{i}{\bar {b}}_{j}-a_{j}{\bar {b}}_{i}}}\right)=\left(\sum _{i=1}^{n}a_{i}{\bar {a}}_{i}\right)\left(\sum _{i=1}^{n}b_{i}{\bar {b}}_{i}\right).}
2015:
4501:
4071:
4078:
722:
747:
1701:
9712:
5236:
5345:
10006:
Lagrange's identity for complex numbers has been obtained from a straightforward product identity. A derivation for the reals is obviously even more succinct. Since the Cauchy–Schwarz inequality is a particular case of
Lagrange's identity, this proof is yet another way to obtain the CS inequality.
5287:
Normed division algebras require that the norm of the product is equal to the product of the norms. Lagrange's identity exhibits this equality. The product identity used as a starting point here, is a consequence of the norm of the product equality with the product of the norm for scator algebras.
3746:
8056:
3463:{\displaystyle \left(\sum _{k=1}^{n}a_{k}^{2}\right)\left(\sum _{k=1}^{n}b_{k}^{2}\right)=\sum _{i=1}^{n}\sum _{j=1}^{n}a_{i}^{2}b_{j}^{2}=\sum _{k=1}^{n}a_{k}^{2}b_{k}^{2}+\sum _{i=1}^{n-1}\sum _{j=i+1}^{n}a_{i}^{2}b_{j}^{2}+\sum _{j=1}^{n-1}\sum _{i=j+1}^{n}a_{i}^{2}b_{j}^{2}\ ,}
9273:{\displaystyle a_{i}{\bar {a}}_{i}b_{j}{\bar {b}}_{j}+a_{j}{\bar {a}}_{j}b_{i}{\bar {b}}_{i}-a_{i}b_{i}{\bar {a}}_{j}{\bar {b}}_{j}-{\bar {a}}_{i}{\bar {b}}_{i}a_{j}b_{j}=\left(a_{i}{\bar {b}}_{j}-a_{j}{\bar {b}}_{i}\right)\left({\bar {a}}_{i}b_{j}-{\bar {a}}_{j}b_{i}\right),}
8044:{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}a_{i}{\bar {a}}_{i}b_{i}{\bar {b}}_{i}+\sum _{i<j}^{n}\left(a_{i}{\bar {a}}_{i}b_{j}{\bar {b}}_{j}+a_{j}{\bar {a}}_{j}b_{i}{\bar {b}}_{i}\right)=\left(\sum _{i=1}^{n}a_{i}{\bar {a}}_{i}\right)\left(\sum _{i=1}^{n}b_{i}{\bar {b}}_{i}\right).}
1807:
2189:
5877:
3770:
1543:
546:
1558:
2975:
4953:
1385:
2470:
5288:
This proposal, originally presented in the context of a deformed
Lorentz metric, is based on a transformation stemming from the product operation and magnitude definition in hyperbolic scator algebra. Lagrange's identity can be proved in a variety of ways.
10351:
4898:{\displaystyle \sum _{i=1}^{n-1}\sum _{j=i+1}^{n}(a_{i}b_{j}-a_{j}b_{i})^{2}=\sum _{i=1}^{n-1}\sum _{j=i+1}^{n}a_{i}^{2}b_{j}^{2}+\sum _{j=1}^{n-1}\sum _{i=j+1}^{n}a_{i}^{2}b_{j}^{2}-2\sum _{i=1}^{n-1}\sum _{j=i+1}^{n}a_{i}b_{i}a_{j}b_{j}\ .}
4472:{\displaystyle \sum _{i=1}^{n-1}\sum _{j=i+1}^{n}(a_{i}b_{j}-a_{j}b_{i})^{2}=\sum _{i=1}^{n-1}\sum _{j=i+1}^{n}a_{i}^{2}b_{j}^{2}+\sum _{i=1}^{n-1}\sum _{j=i+1}^{n}a_{j}^{2}b_{i}^{2}-2\sum _{i=1}^{n-1}\sum _{j=i+1}^{n}a_{i}b_{j}a_{j}b_{i}.}
1062:{\displaystyle \left(\sum _{k=1}^{n}|a_{k}|^{2}\right)\left(\sum _{k=1}^{n}|b_{k}|^{2}\right)-\left|\sum _{k=1}^{n}a_{k}b_{k}\right|^{2}=\sum _{i=1}^{n-1}\sum _{j=i+1}^{n}\left|a_{i}{\overline {b}}_{j}-a_{j}{\overline {b}}_{i}\right|^{2}}
3518:
9997:{\displaystyle \left|\sum _{i=1}^{n}a_{i}b_{i}\right|^{2}+\sum _{i<j}^{n}\left|a_{i}{\bar {b}}_{j}-a_{j}{\bar {b}}_{i}\right|^{2}=\left(\sum _{i=1}^{n}\left|a_{i}\right|^{2}\right)\left(\sum _{i=1}^{n}\left|b_{i}\right|^{2}\right).}
1802:
2866:
5646:{\displaystyle \prod _{i=1}^{n}\left(1-a_{i}{\bar {a}}_{i}-b_{i}{\bar {b}}_{i}+a_{i}{\bar {a}}_{i}b_{i}{\bar {b}}_{i}\right)=\prod _{i=1}^{n}\left(1-a_{i}{\bar {a}}_{i}\right)\prod _{i=1}^{n}\left(1-b_{i}{\bar {b}}_{i}\right)}
2339:
1222:
2643:
2061:
5702:
1425:
2871:
1229:
2374:
2714:
1226:
Hence, it can be seen as a formula which gives the length of the wedge product of two vectors, which is the area of the parallelogram they define, in terms of the dot products of the two vectors, as
8305:{\displaystyle \left(\sum _{i=1}^{n}x_{i}\right)\left(\sum _{i=1}^{n}{\bar {x}}_{i}\right)=\sum _{i=1}^{n}x_{i}{\bar {x}}_{i}+\sum _{i<j}^{n}\left(x_{i}{\bar {x}}_{j}+{\bar {x}}_{i}x_{j}\right),}
2770:
46:
2520:
2010:{\displaystyle \mathbf {a} \times \mathbf {b} =\left(a_{2}b_{3}-a_{3}b_{2}\right)\mathbf {i} +\left(a_{3}b_{1}-a_{1}b_{3}\right)\mathbf {j} +\left(a_{1}b_{2}-a_{2}b_{1}\right)\mathbf {k} }
5337:
4066:{\displaystyle \sum _{i=1}^{n-1}\sum _{j=i+1}^{n}(a_{i}b_{j}-a_{j}b_{i})^{2}=\sum _{i=1}^{n-1}\sum _{j=i+1}^{n}\left(a_{i}^{2}b_{j}^{2}+a_{j}^{2}b_{i}^{2}-2a_{i}b_{j}a_{j}b_{i}\right).}
717:{\displaystyle \left\|\mathbf {a} \right\|^{2}\left\|\mathbf {b} \right\|^{2}-(\mathbf {a} \cdot \mathbf {b} )^{2}=\sum _{1\leq i<j\leq n}\left(a_{i}b_{j}-a_{j}b_{i}\right)^{2}\,,}
5920:
1696:{\displaystyle \left|\mathbf {a} \right|^{2}\left|\mathbf {b} \right|^{2}\left(1-\cos ^{2}\theta \right)=\left|\mathbf {a} \right|^{2}\left|\mathbf {b} \right|^{2}\sin ^{2}\theta }
5697:
1742:
5231:{\displaystyle \sum _{i=1}^{n-1}\sum _{j=i+1}^{n}a_{i}^{2}b_{j}^{2}+\sum _{j=1}^{n-1}\sum _{i=j+1}^{n}a_{i}^{2}b_{j}^{2}-2\sum _{i=1}^{n-1}\sum _{j=i+1}^{n}a_{i}b_{i}a_{j}b_{j}}
2777:
2259:
1116:
5656:
In order to prove it, expand the product on the LHS of the product identity in terms of series up to fourth order. To this end, recall that products of the form
2525:
5940:
10258:
1804:
so the left-hand side of
Lagrange's identity is the squared area of the parallelogram. The cross product appearing on the right-hand side is defined by
3741:{\displaystyle \left(\sum _{k=1}^{n}a_{k}b_{k}\right)^{2}=\sum _{k=1}^{n}a_{k}^{2}b_{k}^{2}+2\sum _{i=1}^{n-1}\sum _{j=i+1}^{n}a_{i}b_{i}a_{j}b_{j}\,,}
10229:
2658:
10469:
10424:
10021:
2193:
However, the cross product in 7 dimensions does not share all the properties of the cross product in 3 dimensions. For example, the direction of
8053:
The product of two conjugates series can be expressed as series involving the product of conjugate terms. The conjugate series product is
2729:
3764:
which means that a symmetric square can be broken up into its diagonal and a pair of equal triangles on either side of the diagonal.
2481:
2184:{\displaystyle |\mathbf {a} |^{2}|\mathbf {b} |^{2}-|\mathbf {a} \cdot \mathbf {b} |^{2}=|\mathbf {a} \times \mathbf {b} |^{2}\ ,}
20:
5872:{\displaystyle \prod _{i=1}^{n}\left(1+x_{i}\right)=1+\sum _{i=1}^{n}x_{i}+\sum _{i<j}^{n}x_{i}x_{j}+{\mathcal {O}}^{3+}(x),}
736:-dimensional vectors with components that are real numbers. The extension to complex numbers requires the interpretation of the
10474:
1538:{\displaystyle |\mathbf {a} |^{2}|\mathbf {b} |^{2}-(\mathbf {a} \cdot \mathbf {b} )^{2}=|\mathbf {a} \times \mathbf {b} |^{2}}
10241:
10211:
10174:
10459:
1097:
Geometrically, the identity asserts that the square of the volume of the parallelepiped spanned by a set of vectors is the
2970:{\displaystyle |\mathbf {v} \mathbf {w} |^{2}=(\mathbf {v} \cdot \mathbf {w} )^{2}+|\mathbf {v} \times \mathbf {w} |^{2}.}
1552:
10417:
2017:
which is a vector whose components are equal in magnitude to the areas of the projections of the parallelogram onto the
1380:{\displaystyle \|a\wedge b\|={\sqrt {(a\cdot a)(b\cdot b)-(a\cdot b)^{2}}}={\sqrt {\|a\|^{2}\|b\|^{2}-(a\cdot b)^{2}}}.}
10016:
2465:{\displaystyle pq=(st-\mathbf {v} \cdot \mathbf {w} )+s\ \mathbf {v} +t\ \mathbf {w} +\mathbf {v} \times \mathbf {w} .}
533:
10454:
10335:
10298:
10268:
10145:
10111:
10084:
10056:
10371:, Optics and Photonics 2011, vol. 8121 of The nature of light: What are photons? IV, pp. 812108–1–11. SPIE, 2011.
5294:
2226:
2038:
3767:
To expand the summation on the right side of
Lagrange's identity, first expand the square within the summation:
10410:
10520:
10166:
1077:
5882:
10525:
5653:
reduces to the complex
Lagrange's identity when fourth order terms, in a series expansion, are considered.
744:
or
Hermitian dot product. Explicitly, for complex numbers, Lagrange's identity can be written in the form:
5659:
10026:
4921:
Back to the left side of
Lagrange's identity: it has two terms, given in expanded form by Equations (
537:
10288:
1081:
10203:
1548:
3507:, which can be broken up into a diagonal and a pair of triangles on either side of the diagonal.
10099:
1070:
10323:
10046:
10433:
10306:
10133:
10101:
10072:
1084:
35:
10191:
1797:{\displaystyle \left|\mathbf {a} \right|\left|\mathbf {b} \right|\left|\sin \theta \right|,}
10484:
8:
10479:
10449:
10444:
10192:
10138:
The Cauchy-Schwarz master class: an introduction to the art of mathematical inequalities
10494:
10489:
10388:
5925:
2774:
Lagrange's identity is just the multiplicativity of the norm of imaginary quaternions,
10385:
10331:
10294:
10264:
10237:
10207:
10170:
10141:
10107:
10080:
10052:
3027:
2647:
The multiplicativity of the norm in the quaternion algebra provides, for quaternions
2861:{\displaystyle |\mathbf {v} \mathbf {w} |^{2}=|\mathbf {v} |^{2}|\mathbf {w} |^{2},}
2334:{\displaystyle p=t+\mathbf {v} =t+x\ \mathbf {i} +y\ \mathbf {j} +z\ \mathbf {k} .}
529:
3047:
Here is also a direct proof. The expansion of the first term on the left side is:
10199:
2230:
1217:{\displaystyle (a\cdot a)(b\cdot b)-(a\cdot b)^{2}=(a\wedge b)\cdot (a\wedge b).}
10499:
525:
1076:
Since the right-hand side of the identity is clearly non-negative, it implies
10514:
1415:
1110:
741:
10100:
Vladimir A. Boichenko; Gennadiĭ Alekseevich Leonov; Volker
Reitmann (2005).
3510:
The second term on the left side of
Lagrange's identity can be expanded as:
2638:{\displaystyle |q|^{2}=q{\overline {q}}=t^{2}\ +\ x^{2}+\ y^{2}\ +\ z^{2}.}
1419:
737:
521:
10402:
10328:
Quaternions and rotation sequences: a primer with applications to orbits
543:
In a more compact vector notation, Lagrange's identity is expressed as:
2242:
10369:
Alternative realization for the composition of relativistic velocities
10355:
4939:) ends up canceling out the first term on the right side of Equation (
10393:
2726:
are called imaginary if their scalar part is zero; equivalently, if
5282:
2984:
The vector form follows from the Binet-Cauchy identity by setting
5339:
be complex numbers and the overbar represents complex conjugate.
1098:
27:
10383:
7676:
Substitution of these two results in the product identity give
6634:
The two factors on the RHS are also written in terms of series
5277:
2055:, Lagrange's identity takes on the same form as in the case of
10071:
2709:{\displaystyle \left|pq\right|=\left|p\right|\left|q\right|.}
10079:(3rd ed.). American Mathematical Society. p. 22.
10007:
Higher order terms in the series produce novel identities.
8874:
The terms of the last two series on the LHS are grouped as
1414:|, then Lagrange's identity can be written in terms of the
1104:
1389:
1394:
In three dimensions, Lagrange's identity asserts that if
10263:(2nd ed.). Cambridge University Press. p. 94.
10227:
10134:"Exercise 4.4: Lagrange's identity for complex numbers"
7127:
The product of this expression up to fourth order is
4489:
of the second term on the right side, and permute the
9715:
9286:
8880:
8318:
8059:
7682:
7133:
6640:
5950:
5928:
5885:
5705:
5662:
5348:
5297:
4956:
4504:
4081:
3773:
3521:
3058:
2874:
2780:
2732:
2661:
2528:
2484:
2377:
2262:
2064:
1810:
1745:
1561:
1428:
1232:
1119:
750:
549:
44:
10286:
10103:
Dimension theory for ordinary differential equations
9280:
in order to obtain the complex
Lagrange's identity:
2765:{\displaystyle p=\mathbf {v} ,\quad q=\mathbf {w} .}
10236:(10th ed.). John Wiley and Sons. p. 162.
9996:
9699:
9272:
8864:
8304:
8043:
7668:
7117:
6624:
5934:
5914:
5871:
5691:
5645:
5331:
5230:
4933:). The first term on the right side of Equation (
4897:
4471:
4065:
3740:
3462:
2969:
2860:
2764:
2708:
2637:
2514:
2464:
2333:
2183:
2009:
1796:
1695:
1537:
1379:
1216:
1061:
716:
470:
10131:
10044:
5276:), so Lagrange's identity is indeed an identity,
10512:
5283:Proof of Lagrange's identity for complex numbers
10321:
10256:
10234:Elementary Linear Algebra: Applications Version
2515:{\displaystyle {\overline {q}}=t-\mathbf {v} ,}
10230:"Relationships between dot and cross products"
10140:. Cambridge University Press. pp. 68–69.
10418:
10161:Greene, Robert E.; Krantz, Steven G. (2002).
1547:Using the definition of angle based upon the
10470:Lagrange's identity (boundary value problem)
10293:(2nd ed.). Cambridge University Press.
10160:
10022:Lagrange's identity (boundary value problem)
4075:Distribute the summation on the right side,
3486:which means that the product of a column of
1338:
1331:
1322:
1315:
1245:
1233:
532:). This identity is a generalisation of the
10330:. Princeton University Press. p. 111.
5332:{\displaystyle a_{i},b_{i}\in \mathbb {C} }
10425:
10411:
10282:
10280:
10194:An Introduction to Complex Function Theory
5922:means terms with order three or higher in
3500:yields (a sum of elements of) a square of
2979:
1715:. The area of a parallelogram with sides
10432:
10075:; Steven G Krantz (2006). "Exercise 16".
5325:
3734:
710:
10250:
10127:
10125:
10123:
10093:
10038:
3012:. The second version follows by letting
1105:Lagrange's identity and exterior algebra
10315:
10277:
10163:Function Theory of One Complex Variable
10077:Function theory of one complex variable
10048:CRC concise encyclopedia of mathematics
1390:Lagrange's identity and vector calculus
10513:
5915:{\displaystyle {\mathcal {O}}^{3+}(x)}
1739:is known in elementary geometry to be
10406:
10384:
10344:
10189:
10120:
10106:. Vieweg+Teubner Verlag. p. 26.
10065:
4493:factors of the third term, yielding:
1113:, Lagrange's identity can be written
10221:
5699:can be expanded in terms of sums as
5692:{\displaystyle \left(1+x_{i}\right)}
4947:
4495:
3512:
3049:
21:Lagrange's identity (disambiguation)
10475:Lagrange's trigonometric identities
10228:Howard Anton; Chris Rorres (2010).
2201:in 7-dimensions may be the same as
2032:
1707:is the angle formed by the vectors
13:
7649:
7093:
6925:
6605:
5889:
5843:
2248:is defined as the sum of a scalar
528:(or more generally, elements of a
14:
10537:
10460:Lagrange's theorem (group theory)
10377:
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5270:which is the same as Equation (
2747:
2343:The product of two quaternions
2227:seven-dimensional cross product
2039:Seven-dimensional cross product
478:which applies to any two sets {
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2474:The quaternionic conjugate of
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572:
560:
552:
534:Brahmagupta–Fibonacci identity
447:
400:
16:On products on sums of squares
1:
10490:Lagrange's mean value theorem
10290:Clifford algebras and spinors
10287:Door Pertti Lounesto (2001).
10260:Clifford algebras and spinors
10167:American Mathematical Society
10032:
10352:Frank Jones, Rice University
9562:
9388:
8420:
2560:
2490:
2217:are linearly independent of
1090:and its complex counterpart
1037:
1007:
7:
10354:, page 4 in Chapter 7 of a
10169:. p. 22, Exercise 16.
10051:(2nd ed.). CRC Press.
10010:
5272:
5258:
5246:
4941:
4935:
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4911:
3754:
3476:
2229:is not compatible with the
10:
10542:
10356:book still to be published
10132:J. Michael Steele (2004).
10045:Eric W. Weisstein (2003).
2036:
536:and a special form of the
18:
10440:
4481:Now exchange the indices
1555:), the left-hand side is
1553:Cauchy–Schwarz inequality
10322:Jack B. Kuipers (2002).
10307:§ 7.4 Cross products in
10257:Pertti Lounesto (2001).
10190:Palka, Bruce P. (1991).
9709:In terms of the moduli,
2522:and the norm squared is
2980:Proof of algebraic form
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10367:M. Fernández-Guasti,
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10165:. Providence, R.I.:
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19:For other uses, see
10526:Multilinear algebra
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10350:See, for example,
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10213:978-0-387-97427-9
10206:, Exercise 4.22.
10176:978-0-8218-2905-9
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