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横向思维

本章目标:打破固有思维模式,学会从意想不到的角度解决问题。

题型特点

横向思维(Lateral Thinking)由爱德华·德博诺提出,与传统的"垂直思维"(逻辑推导)相对。这类题的特点是:常规逻辑走不通,你需要跳出框架,重新审视问题的隐含假设

常见出题形式:利用物品的非常规属性、重新定义问题边界、从物理世界而非数学世界找答案。解题关键是问自己:"我在这个问题里做了哪些隐性假设?这些假设是否必要?"

为什么面试官爱考

  • 考察创造性:能否打破常规、找到非典型解。
  • 考察心理灵活性:被否定后能否调整思路。
  • 考察对默认假设的觉察:识别并质疑"理所当然"。
  • 考察类比能力:能否把已知的解决方案迁移到新场景。

思维陷阱速查

功能固着(Functional Fixedness)

只看到物品的常规用途。例如"图钉盒是用来装图钉的"——但其实盒子可以是托盘、支撑物、原料。

破解:对每个物品问"它还能是什么?"

维度固着

默认问题在某个维度。例如"火柴拼三角形"——默认在平面,但三维空间才是关键。

破解:问自己"如果允许升维/降维会怎样?"

假设固着

不质疑题目中的隐含假设。例如"水从杯中溢出"——假设杯子是满的,但题目可能没说。

破解:列出所有"理所当然"的前提,逐条审视。

目标固着

只盯着题目字面目标,忽略更深层的"真实需求"。

破解:问"用户/对方真正想要的是什么?"


题目 1:蜡烛问题(邓克尔蜡烛实验)

题面

给你三样东西:一根蜡烛、一盒图钉、一盒火柴。你的任务是把蜡烛固定在墙上(木质墙板),让蜡烛燃烧时蜡油不会滴到下面的地板上。你会怎么做?

拆解与思考

常规思维

  • 用图钉把蜡烛直接钉在墙上?蜡烛会碎。
  • 用融化的蜡粘?不够牢固,会掉。
  • 把蜡烛插在火柴盒上?火柴盒在地板上,仍会滴。

打破功能固着:关键洞察在于——图钉不仅是图钉,图钉盒本身也是资源

把图钉盒倒空,用图钉把盒子钉在墙上,盒子变成了一个小托盘/烛台。然后把蜡烛放在盒子里点燃,蜡油滴进盒子里,不会落到地板上。

答案

倒空图钉盒,用几根图钉把盒子固定在墙上充当烛台,蜡烛立在盒中点燃。

心理学背景

这个实验是格式塔心理学家邓克尔(Karl Duncker)在 1945 年设计的,研究功能固着——人们很难看到物品超出其常规用途的功能。

关键变量:实验中如果图钉盒是空的(提前倒出),解出率显著提高。因为盒子的"容器"身份被弱化,"材料"身份得以显现。

延伸

现实应用

  • 产品创新:把废弃的副产物变成主产品(如 3M 便签纸源于失败的胶水)。
  • 服务设计:把"等待时间"变成"娱乐时间"(迪士尼排队设计)。
  • 代码复用:把"工具类"重新组合为新功能(适配器模式)。

题目 2:鸡蛋掉落问题

题面

一栋 50 层楼。你有 2 个完全相同的鸡蛋。已知存在一个临界楼层 F(0 ≤ F ≤ 50):鸡蛋从高于 F 层丢下会碎,从 F 层及以下丢下不碎。你需要找到 F 的确切值。问:最少需要丢几次鸡蛋?(最坏情况下)

拆解与思考

错误思路——纯二分:每次从中间层试,类似二分查找。第一次从 25 楼丢,如果碎了,只剩 1 个鸡蛋,必须从 1 楼开始逐层试。最坏情况需要 25 次。不理想。

正确思路——动态规划/均匀分布策略

核心思想:让每次试验的最坏情况都相同

设最多丢 x 次。第一个鸡蛋从第 x 层丢:

  • 如果碎了,第二个鸡蛋从第 1 层开始逐层试,最多 x-1 次 → 总共 x 次。
  • 如果没碎,第一个鸡蛋从第 x + (x-1) 层丢(再往上少 1 层,弥补已用的 1 次)。
  • 如果碎了,第二个鸡蛋在区间内逐层试,最多 x-2 次 → 总共还是 x 次。
  • 继续递推:x + (x-1) + (x-2) + ... + 1 ≥ 50

求最小的 x 使 x(x+1)/2 ≥ 50x(x+1) ≥ 100。x=10 时 10×11 = 110 ≥ 100 ✓。

答案

最少需要 10 次。测试楼层序列:10, 19, 27, 34, 40, 45, 49, 50(第一个鸡蛋),如果碎了,第二个鸡蛋在碎的区间逐层试。

推广:n 层楼 k 个鸡蛋

动态规划dp[k][m] = 最多用 k 个鸡蛋、m 次试验能测的最大楼层数。

递推:dp[k][m] = dp[k-1][m-1] + dp[k][m-1] + 1

  • dp[k-1][m-1]:鸡蛋碎了,剩 k-1 个蛋、m-1 次试验,能测的下方楼层数。
  • dp[k][m-1]:鸡蛋没碎,剩 k 个蛋、m-1 次试验,能测的上方楼层数。
  • +1:当前这一层。
python
def superEggDrop(K, N):
    dp = [[0] * (K + 1) for _ in range(N + 1)]
    for m in range(1, N + 1):
        for k in range(1, K + 1):
            dp[m][k] = dp[m-1][k-1] + dp[m-1][k] + 1
        if dp[m][K] >= N:
            return m
    return -1

横向思维的精髓

这道题表面是数学优化,实则是重新定义"成本":从"次数最少"到"最坏情况最少"。这是从平均到最差的视角转换。

工程意义:分布式系统中的"最坏情况延迟优化"、缓存策略中的"最小化最大查询"。


题目 3:6 根火柴拼 4 个等边三角形

题面

给你 6 根等长的火柴,要求拼出 4 个等边三角形。每个三角形的边长等于一根火柴的长度。怎么做?(火柴不能折断、不能弯曲)

拆解与思考

二维思维:在平面上,6 根火柴最多拼 2 个等边三角形(共用一条边),或者拼一个平行四边形+一个三角形。4 个三角形怎么也拼不出来。

打破维度:为什么限制在平面上?如果站起来,在三维空间中考虑——正四面体(tetrahedron)恰好有 4 个面,每个面是等边三角形,共 6 条棱。

答案

拼成一个正四面体(三角锥)。底面一个三角形(3 根火柴),上面三条棱各 1 根火柴(共 3 根),总计 6 根火柴,构成 4 个等边三角形面。

延伸

类似升维题

题目二维错觉三维解
6 根火柴拼 4 个三角形平面无解正四面体
12 根火柴拼 6 个正方形平面 3 个正方形立方体
9 个人站 10 排,每排 3 人平面无解三维星形
切蛋糕 3 刀 8 块平面 7 块水平横切

通则:当低维看似无解时,问"加一维会怎样"


题目 4:为什么井盖是圆的?

题面

为什么绝大多数井盖是圆形的,而不是方形、三角形或其他形状?

拆解与思考

经典答案:圆形井盖不会掉进井里。圆的每一条直径相等,无论怎么旋转、怎么放,最窄处都等于直径,所以无法从井口掉下去。而方形井盖沿对角线方向可以掉下去(对角线 > 边长),三角形同理。

额外优点

  1. 圆形没有尖角,受力均匀,不易碎裂(铸铁材料的最佳形状)。
  2. 圆形井盖搬运方便——可以滚动。
  3. 圆柱形井壁施工最简单(钻挖设备天然旋转切削出圆形截面)。
  4. 不需要精确对齐方向就能盖上(旋转对称)。
  5. 圆形在承受圆周方向压力时最稳定(窖井的受力主要来自土压力)。

答案

核心原因:圆形是等宽曲线,任何方向的宽度相同,井盖不会掉入井口。这是微软等公司的经典面试题。

等宽曲线

有趣的延伸:等宽曲线不只有圆

Reuleaux 三角形(鲁洛克斯三角形):以等边三角形三个顶点为圆心、边长为半径画三段圆弧组成的"曲边三角形"。它也是等宽曲线,理论上也可以做井盖,但制造更复杂。

Reuleaux 三角形

应用

  • 转子发动机(马自达 RX-8)的三角转子。
  • 比特币的"防伪"形状。
  • 钻方形孔的特殊钻头。

工程意义

设计时要考虑:安全性 > 制造成本 > 维护便利。圆形在三者中都占优,所以成为行业标准。


题目 5:给一杯水称重

题面

桌上有一杯水,放在秤上。你拿一根手指伸进水里(不碰杯底、不碰杯壁),秤的读数会变化吗?

拆解与思考

直觉:手指没有碰杯子,没有施加力,读数不变?

物理分析:根据阿基米德原理,手指浸入水中会排开一定体积的水,水对手指产生向上的浮力

根据牛顿第三定律(作用力反作用力),手指对水施加等大反向的力——向下压水

这个力通过水传递到杯底,再传到秤上。

因此秤的读数会增加,增量恰好等于手指受到的浮力大小(即排开水的重量)。

答案

秤的读数会增大。增大量 = 手指排开水的重量(浮力)。

定量计算

手指浸入体积 V = 50 cm³(约一根手指的体积)。

水的密度 1 g/cm³,排开水质量 50 g = 0.05 kg。

秤读数增加约 0.05 kg × 9.8 ≈ 0.49 N(约 50 克力)。

延伸

类似的反直觉物理题

  1. 气球在加速行驶的车里:往哪个方向飘?

    • 直觉:惯性使气球向后。
    • 真相:向前。空气因惯性向后聚集,后部气压高,把轻的气球推向前。
  2. 冰块浮在水杯里融化:水面上升还是下降?

    • 答案:不变。冰排开水的重量等于自身重量,融化后体积正好填满原排开空间。
  3. 稳态转动的螺旋桨:在水中与空气中哪个转速更快?

    • 答案:水中慢(水的阻力大),但水中推力更大(密度大)。

题目 6:把圆蛋糕切成 8 等份

题面

一个圆形蛋糕,只能切 3 刀(直线切),切成 8 块大小相等的 piece。怎么切?

拆解与思考

二维思维:在平面上切 3 刀最多 7 块(每刀增加的区域有限),而且大小不一。

横向思维:先竖直交叉切两刀(十字切),得到 4 个相等的扇形。第三刀从水平方向横切——把蛋糕从中间切成上下两层。4 × 2 = 8 块。

答案

先十字切两刀(竖直方向),再水平方向从蛋糕中间横切一刀。8 块等大的蛋糕。

前提条件

这个解法假设蛋糕有厚度(不是 2D 圆)。如果蛋糕是平面的(如披萨饼),3 刀最多 7 块。

平面 3 刀切圆的最多块数:第 1 刀 2 块,第 2 刀最多 4 块,第 3 刀最多 7 块。公式 n(n+1)/2 + 1

延伸

很多横向思维题的共同模式:在低维看似无解时,考虑利用高维(三维切蛋糕、三维火柴、反方向使用工具)。


题目 7:点燃灯泡(三开关问题)

题面

房间外有 3 个开关,房间内有 3 个灯泡。你在房间外看不到里面。允许你进入房间一次,如何确定每个开关对应哪个灯泡?

拆解与思考

朴素思路:开一个开关进去看?只能确定一个对应关系。

关键洞察:灯泡除了"亮/不亮"还有第三个属性:温度(热的、温的、冷的)。

策略

  1. 打开开关 A,等 5 分钟(让灯泡热起来)。
  2. 关闭开关 A,立即打开开关 B。
  3. 进入房间:
    • 亮的灯泡对应 B。
    • 不亮但热的灯泡对应 A。
    • 不亮且冷的灯泡对应 C。

答案

利用灯泡的温度作为第三个状态变量,3 个开关可在一次进入后全部识别。

横向思维点

利用题目未明示但确实存在的物理属性。这种思路在工程中很常见:

  • LED 灯的亮度色温都可以承载信息。
  • 网络延迟可以反映网络拓扑。
  • CPU 缓存命中/未命中可以泄露信息(侧信道攻击)。

延伸

变体题:100 个开关、100 个灯泡,进入一次。能否全部识别?

利用等待时间差:开 1 号 100 分钟,关掉;开 2 号 99 分钟;…… 进入后用温度计精确测温,可全部识别。这是用连续变量承载信息的思路。


题目 8:用尺子量 4 加仑水

题面

给你一个 3 加仑桶和一个 5 加仑桶(都无刻度),以及无限水。如何量出恰好 4 加仑水?(电影《虎胆龙威 3》经典题目)

拆解与思考

操作类型只有四种:

  • 装满任一桶。
  • 倒空任一桶。
  • 把一桶的水倒入另一桶(直到源头空或目标满)。
  • 任意时刻停。

方法一(先装满 5)

  1. 装满 5 加仑桶 → (5, 0)
  2. 把 5 倒入 3 → (2, 3)
  3. 倒空 3 加仑桶 → (2, 0)
  4. 把 5 中的 2 倒入 3 → (0, 2)
  5. 装满 5 加仑桶 → (5, 2)
  6. 把 5 倒入 3(3 桶只能再装 1)→ (4, 3)
  7. 此时 5 加仑桶中正好有 4 加仑

方法二(先装满 3)

  1. 装满 3 → (0, 3)
  2. 倒入 5 → (3, 0)(5 桶有 3)。
  3. 再装满 3 → (3, 3)
  4. 倒入 5(5 桶只能再装 2)→ (5, 1)(5 满,3 剩 1)。
  5. 倒空 5 → (0, 1)
  6. 把 3 中的 1 倒入 5 → (1, 0)
  7. 装满 3 → (1, 3)
  8. 倒入 5 → (4, 0)(5 桶中正好 4)。

答案

两种方法都可量出 4 加仑水,方法一 6 步,方法二 8 步。

数学背景

贝祖定理:给定两个互素的整数 a、b,存在整数 x、y 使得 ax + by = c(c 为任意整数)。

3 和 5 互素,所以任何 1-8 加仑的水都能量出(最大 3+5=8)。

如果两个桶容量不互素(如 4 和 6),只能量出 gcd(4,6)=2 的倍数,即 2、4、6 加仑。

一般算法(BFS 搜索状态空间)

python
from collections import deque

def water_jug(a, b, target):
    """求 a, b 两桶量出 target 加仑的最少步数"""
    start = (0, 0)
    queue = deque([(start, [])])
    visited = {start}
    while queue:
        (x, y), path = queue.popleft()
        if x == target or y == target:
            return path
        for state, op in [
            ((a, y), f"装满 A"), ((x, b), f"装满 B"),
            ((0, y), f"倒空 A"), ((x, 0), f"倒空 B"),
            ((x - min(x, b - y), y + min(x, b - y)), f"A→B"),
            ((x + min(y, a - x), y - min(y, a - x)), f"B→A"),
        ]:
            if state not in visited:
                visited.add(state)
                queue.append((state, path + [op]))
    return None

题目 9:电梯里的镜子

题面

为什么大部分电梯在门内对面墙上安装镜子?

拆解与思考

常见答案

  • 让电梯看起来更大(视觉扩展)。
  • 方便乘客整理仪容。
  • 增加照明反射。

真实的横向思维答案

主要原因是为坐轮椅的残障人士设计——他们进入电梯后是面向电梯内部,倒车出去时无法回头看,镜子让他们能看到身后门何时打开、外面是哪层。

辅助作用

  • 减少拥挤时的视线对视尴尬。
  • 让人有事可做(看镜子),降低"被关起来"的焦虑。
  • 安全监控(镜子里能看到背后情况)。

答案

核心原因:无障碍设计,让轮椅用户能从镜子中看到电梯门和楼层指示。

横向思维点

真正的设计动机往往不是表面看到的"美观",而是深层用户需求。优秀设计兼顾多种用户场景。

延伸

类似"看似简单实则有深意"的设计:

  • 地铁盲道:常人觉得多余,对视障人士是必需。
  • 机场长走道:让人有事可走,缓解焦虑。
  • 医院墙壁颜色:影响心理状态,加速康复。

题目 10:天平 12 球问题

题面

有 12 个外观相同的球,其中 1 个重量异常(不知偏重还是偏轻)。用天平称 3 次,找出异常球并说明它是重还是轻。

拆解与思考

信息论视角:12 球 × 2 状态(重/轻)= 24 种可能。每次称量 3 种结果(左倾/右倾/平衡),3 次称量最多 3³ = 27 种结果。信息量足够(27 > 24)。

分组策略:12 球分 3 组,每组 4 个。第一次称:4 vs 4。

情况 1:天平平衡

  • 异常球在剩下的 4 个中。已知 8 个标准球。
  • 第二次称:3 个嫌疑球 vs 3 个标准球。
    • 平衡:剩下 1 个嫌疑球,第三次和标准球比即可。
    • 不平衡:3 个嫌疑球且已知偏重还是偏轻。第三次称其中 2 个:1 vs 1,平衡则第三个异常,不平衡则按已知重/轻方向判断。

情况 2:天平不平衡

  • 4 个嫌疑"重球"(左),4 个嫌疑"轻球"(右),4 个标准。
  • 第二次称(巧妙组合):左 3 + 右 1 vs 左 1 + 标准 3。
    • 详细组合需要仔细推导,原理是让信息最大化。
  • 第三次称缩小到 ≤ 3 种可能,全部可解。

完整推导较长,关键思想是:每次称量尽量让三种结果对应的可能性数量相等(信息熵最大化)。

答案

3 次称量可以找出异常球并判断重轻。具体策略需精心设计。

推广

球数异常球数称量次数
31(不知重轻)2
121(不知重轻)3
131(不知重轻)3(已知额外标准球)
391(不知重轻)4

公式:n 次称量最多分辨 (3ⁿ - 3) / 2 球。

工程意义

信息论 + 算法设计。每次操作的信息量要最大化,这是高效算法的本质。二分查找是 2 种结果(小于/不小于),三分查找是 3 种结果,效率更高。


题目 11:两扇门与两个守卫

题面

两扇门:一扇通往天堂,一扇通往地狱。两个守卫:一个永远说真话,一个永远说谎。你不知道哪个是哪个,也不知道哪扇门通往天堂。你只能问一个问题,如何确保走对门?

拆解与思考

核心难点:你不知道谁说真谁说谎,所以直接问"哪扇门通天堂"无法判断答案真假。

关键技巧——嵌套问题:让两个守卫的回答在嵌套结构下变得一致。

经典问题:问任一守卫:"如果我问另一个守卫哪扇门通天堂,他会怎么回答?"

分析:

  • 问到说真话的守卫:他知道说谎者会指向地狱门,如实转述 → 指向地狱门。
  • 问到说谎的守卫:他知道说真者会指向天堂门,但他说谎 → 指向地狱门。

两种情况下,得到的答案都是地狱门!所以反着走即可。

答案

问任一守卫:"如果我问另一个守卫哪扇门通天堂,他会指哪扇?" 得到的答案是地狱门,走另一扇

横向思维点

通过双层嵌套让两个守卫的回答"在符号上抵消"。这是逻辑题中的"双蕴含"技巧,也是布尔逻辑中的"双重否定"。

等价简化

更简洁的问法:问任一守卫 "如果我问你哪扇门通天堂,你会指哪扇?"

  • 说真者:直接指向天堂门。
  • 说谎者:本来会撒谎指地狱,但要对"自己会怎么回答"再撒一次谎 → 双重否定 → 指向天堂门。

两种情况都指天堂门,直接走即可!

延伸

类似的双蕴含技巧用于:

  • 密码学:双重加密抵消密钥偏差。
  • 博弈论:让对手"自相矛盾"的机制设计。
  • 问卷设计:用反向问法抵消应答者倾向。

题目 12:曼哈顿有多少钢琴键?

题面

估算曼哈顿所有钢琴上的琴键总数。

拆解与思考

这其实是费米估算,但横向思维点在于:不要被"钢琴"限制住——每个钢琴都有 88 个键(标准),所以琴键总数 = 钢琴数 × 88。

估钢琴数

  1. 曼哈顿人口约 160 万。
  2. 家庭户约 80 万。
  3. 钢琴拥有率约 5%(中产及以上家庭)→ 4 万架家庭钢琴。
  4. 加学校、教堂、酒吧、音乐厅等约 1 万架。
  5. 总计约 5 万架钢琴

琴键总数50000 × 88 = 440 万个琴键。

答案

曼哈顿约 4-5 百万个琴键

横向思维点

题目看似复杂,关键洞察是简化:不要估"键数",先估"琴数",乘以常数 88 即可。

工程意义:复杂问题先找不变量乘法分解


题目 13:100 楼扔两个鸡蛋(变体)

题面

如果鸡蛋数从 2 变成 100(即几乎可以随便碎),最少几次试验?

拆解与思考

横向思维:100 个鸡蛋 = "几乎可以二分查找"。

每次从中间层试:如果碎了,扔一个鸡蛋;如果不碎,继续二分。

但每次碎会少 1 个鸡蛋,所以是"二分 + 限额"。100 层 100 鸡蛋,实际只需 log₂100 ≈ 7 次。

答案

约 7 次(二分查找)。

延伸

鸡蛋数最少试验次数(50 层)
210
37-8
105-6
1007

鸡蛋越多,越接近 log₂(n) 的二分查找下界。


题目 14:用一根绳子计时 15 分钟

题面

给你两根绳子,每根都不均匀(粗细不一),从一头烧到另一头恰好 1 小时(但中间速度不匀)。如何用这两根绳子精确计时 45 分钟?

拆解与思考

关键洞察:从两头同时点燃,绳子烧完恰好 30 分钟(不管中间怎么烧)。

理由:从一头烧要 60 分钟。两头同时烧,烧的总速率是 2 倍,但相遇的时刻正好是总"燃烧量"的一半,对应时间 30 分钟。

操作

  1. 同时点燃绳子 A 的两头和绳子 B 的一头
  2. 30 分钟后,绳子 A 烧完。此时绳子 B 还剩 30 分钟的"燃烧量"。
  3. 立即点燃绳子 B 的另一头
  4. 绳子 B 在 15 分钟后烧完(剩余燃烧量减半)。

总时间:30 + 15 = 45 分钟

答案

点燃 A 两头 + B 一头;A 烧完时点燃 B 另一头;B 烧完时即 45 分钟。

推广

变体:3 根绳子计时 1 小时 22.5 分钟?

  1. A 两头 + B 一头 + C 不动 → A 30 分钟烧完。
  2. A 烧完后,B 还剩 30 分钟,点燃 B 另一头 → B 15 分钟烧完。
  3. B 烧完后,C 是完整的,点燃 C 两头 → C 30 分钟烧完。

总时间:30 + 15 + 30 = 75 分钟(1 小时 15 分)。

要再得 7.5 分钟,需在 B 烧完时点燃 C 一头,过 7.5 分钟再点燃另一头……灵活组合。

工程意义

并行 vs 串行:两头同时烧 = 并行,时间减半。这是分布式计算的物理版。


解题模板(总结)

通用流程

  1. 识别隐含假设——列出所有你以为"理所当然"的前提。
  2. 逐个质疑假设——如果去掉这个假设会怎样?
  3. 换维度思考——2D→3D,正面→反面,整体→部分。
  4. 重新定义工具——物品的每个属性都是资源(盒子不只是容器)。
  5. 物理世界思维——有些"数学"题的答案在物理世界(浮力、重力、温度)。
  6. 逆向提问——"为什么不能?"而不是"怎么才能?"

信号清单

题面信号横向思路
"火柴/绳子/物体拼 X"升维(3D、折叠、共边)
"为什么 Y 是这个形状?"等价类、对称性、安全性
"最少几次试验?"信息论下界、状态空间
"进入一次 / 只问一次"嵌套问题、状态承载
"称量 / 比较"三分查找、信息熵最大化
"物品的非常规用途"功能固着的破解
"物理直觉题"牛顿定律、阿基米德原理
"嵌套条件"双蕴含、双重否定

常见陷阱

  • 被表面规则束缚:题目没说不允许的事,就可以做。
  • 维度固着:默认在 2D,忽略 3D 可能性。
  • 功能固着:只看物品的常规用途。
  • 目标固着:盯着字面目标,忽略真实需求。
  • 过度复杂化:简单解往往被忽略。
  • 不质疑假设:默认"杯子是满的""鸡蛋必须留一个"等。

延伸阅读

书籍

  • 《Lateral Thinking》— Edward de Bono,横向思维概念创始人的经典著作
  • 《The Matchbox That Ate a Forty-Two-Year-Old Woman》— 横向思维案例集
  • 《Six Thinking Hats》— Edward de Bono,六顶思考帽法
  • 《The Power of Innovative Thinking》— Jim Wheeler
  • 《Fixed: How to Perfect the Fine Art of Problem Solving》— Amy Herman

文章与实验

在线资源

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