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<title>Komplexes Netzwerk</title>
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<h1 id="firstHeading" class="firstHeading mw-first-heading"><span class="mw-page-title-main">Komplexes Netzwerk</span></h1>
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<div id="mw-content-text" class="mw-body-content mw-content-ltr" lang="de" dir="ltr"><div class="mw-content-ltr mw-parser-output" lang="de" dir="ltr"><p>Ein <b>komplexes Netzwerk</b> ist im Rahmen der <a href="Netzwerkforschung" title="Netzwerkforschung">Netzwerkforschung</a> bzw. <a href="Graphentheorie" title="Graphentheorie">Graphentheorie</a> ein <a href="Netzwerk" title="Netzwerk">Netzwerk</a> (<a href="Graph_(Graphentheorie)" title="Graph (Graphentheorie)">Graph</a>) mit nicht-trivialen <a href="Topologischer_Raum" title="Topologischer Raum">topologischen</a> Eigenschaften, d.&nbsp;h. mit Eigenschaften, die nicht in einfachen Netzwerken wie Gittern oder zufälligen Graphen auftreten. Die Untersuchung von Komplexen Netzwerken ist ein junges und aktives Gebiet in der aktuellen wissenschaftlichen Forschung, welches hauptsächlich durch die empirischen Untersuchungen von realen Netzwerken wie <a href="Rechnernetz" title="Rechnernetz">Rechnernetzen</a> oder <a href="Soziales_Netzwerk_(Soziologie)" title="Soziales Netzwerk (Soziologie)">sozialen Netzwerken</a> inspiriert ist.
</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Definition">Definition</h2></div>

<p>Viele soziale, biologische und <a href="Rechnernetz" title="Rechnernetz">Rechnernetze</a> weisen wesentliche nicht-triviale topologische Eigenschaften auf, das heißt die Verbindungen (<a href="Kante_(Graphentheorie)" title="Kante (Graphentheorie)">Kanten</a>) zwischen ihren Elementen (<a href="Knoten_(Graphentheorie)" title="Knoten (Graphentheorie)">Knoten</a>) sind weder rein regulär noch rein zufällig.<sup id="cite_ref-strogatz2001_1-0" class="reference"><a href="#cite_note-strogatz2001-1"><span class="cite-bracket">[</span>1<span class="cite-bracket">]</span></a></sup><sup id="cite_ref-albert2002_2-0" class="reference"><a href="#cite_note-albert2002-2"><span class="cite-bracket">[</span>2<span class="cite-bracket">]</span></a></sup><sup id="cite_ref-newmann2003_3-0" class="reference"><a href="#cite_note-newmann2003-3"><span class="cite-bracket">[</span>3<span class="cite-bracket">]</span></a></sup><sup id="cite_ref-boccaletti2006_4-0" class="reference"><a href="#cite_note-boccaletti2006-4"><span class="cite-bracket">[</span>4<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Stattdessen sind derartige Netzwerke durch spezielle Verteilungen im Auftreten ihrer Elemente gekennzeichnet (<a href="Grad_(Graphentheorie)" title="Grad (Graphentheorie)">Gradverteilung</a>, englisch: <i>degree distribution</i>), durch einen hohen <a href="Clusterkoeffizient" title="Clusterkoeffizient">Clusterkoeffizienten</a>, eine bestimmte Gemeinschaftsstruktur (community structure) oder eine ausgeprägte <a href="Hierarchie" title="Hierarchie">hierarchische Struktur</a>. Viele bisher studierte mathematische Modelle von Netzwerken bzw. Graphen weisen hingegen keine dieser Eigenschaften auf.
</p><p>Zwei typische Klassen von komplexen Netzwerken wurden in der Vergangenheit intensiv studiert: <a href="Skalenfreies_Netz" title="Skalenfreies Netz">Skalenfreie Netzwerke</a>,<sup id="cite_ref-5" class="reference"><a href="#cite_note-5"><span class="cite-bracket">[</span>5<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> und die sogenannten <a href="Kleine-Welt-Ph%C3%A4nomen" title="Kleine-Welt-Phänomen">small world Netzwerke</a><sup id="cite_ref-watts1998_6-0" class="reference"><a href="#cite_note-watts1998-6"><span class="cite-bracket">[</span>6<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> deren Entdeckung und Definition kanonische Fallstudien auf diesem Gebiet sind.
</p><p>In <a href="Skalenfreies_Netz" title="Skalenfreies Netz">skalenfreien Netzwerken</a> haben die Knoten keine typische Anzahl von Verbindungen, sondern die <a href="Grad_(Graphentheorie)" title="Grad (Graphentheorie)">Verteilung der Verbindungen pro Knoten</a> folgt einem <a href="Potenzgesetz_(Statistik)" title="Potenzgesetz (Statistik)">Potenzgesetz</a>.
</p><p>In small-world Netzwerken treten hingegen viele sehr kurze Verbindungen zwischen allen Elementen auf und sie haben einen hohen <a href="Clusterkoeffizient" title="Clusterkoeffizient">Clusterkoeffizienten</a>. Durch die raschen Fortschritte in der aktuellen Forschung zu komplexen Netzwerken sind auch weitere wichtige neue Aspekte und Erkenntnisse gefunden worden, wie sich zeitliche ändernde Netzwerke: Diese Netzwerke können sich mit der Zeit verändern (sogenannte ‘evolving networks’<sup id="cite_ref-7" class="reference"><a href="#cite_note-7"><span class="cite-bracket">[</span>7<span class="cite-bracket">]</span></a></sup><sup id="cite_ref-8" class="reference"><a href="#cite_note-8"><span class="cite-bracket">[</span>8<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>), wobei Knoten und Kanten mit der Zeit neu entstehen oder auch verschwinden können. Dadurch entsteht eine komplexe Dynamik, die zu Selbstorganisation und stabilen Zuständen führen kann. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist hier das Auftreten von <a href="Synchronisation" title="Synchronisation">Synchronisation</a>.<sup id="cite_ref-9" class="reference"><a href="#cite_note-9"><span class="cite-bracket">[</span>9<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>
</p><p>Die Erforschung von komplexen Netzwerken ist ein lebhaftes und sehr aktuelles Forschungsgebiet und verbindet verschiedene Disziplinen wie Mathematik, Physik, Biologie, Klimaforschung, Informatik, Soziologie, Epidemiologie und viele weitere. Die Konzepte aus der Netzwerktheorie haben Eingang in die Analyse von metabolischen und regulatorischen Netzwerken, in das Design von robusten und skalierbaren Kommunikationsnetzwerken, in die Entwicklung von Impfstrategien oder in die Analyse von Klimaphänomenen gefunden. Entsprechende Forschungsresultate werden regelmäßig in einigen der bekanntesten wissenschaftlichen Zeitschriften veröffentlicht,<sup id="cite_ref-strogatz2001_1-1" class="reference"><a href="#cite_note-strogatz2001-1"><span class="cite-bracket">[</span>1<span class="cite-bracket">]</span></a></sup><sup id="cite_ref-watts1998_6-1" class="reference"><a href="#cite_note-watts1998-6"><span class="cite-bracket">[</span>6<span class="cite-bracket">]</span></a></sup><sup id="cite_ref-newmann2003_3-1" class="reference"><a href="#cite_note-newmann2003-3"><span class="cite-bracket">[</span>3<span class="cite-bracket">]</span></a></sup><sup id="cite_ref-boccaletti2006_4-1" class="reference"><a href="#cite_note-boccaletti2006-4"><span class="cite-bracket">[</span>4<span class="cite-bracket">]</span></a></sup><sup id="cite_ref-brockmann2006_10-0" class="reference"><a href="#cite_note-brockmann2006-10"><span class="cite-bracket">[</span>10<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> sind Thema auf speziellen Fachtagungen und haben auch zu einigen populärwissenschaftlichen Artikeln und Büchern<sup id="cite_ref-11" class="reference"><a href="#cite_note-11"><span class="cite-bracket">[</span>11<span class="cite-bracket">]</span></a></sup><sup id="cite_ref-12" class="reference"><a href="#cite_note-12"><span class="cite-bracket">[</span>12<span class="cite-bracket">]</span></a></sup><sup id="cite_ref-13" class="reference"><a href="#cite_note-13"><span class="cite-bracket">[</span>13<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> geführt.
</p><p>Aus der Erforschung von komplexen Netzwerken können wichtige Aussagen zu Informations- und Stoffflüssen bzw. deren Optimierung sowie über <a href="Kritisches_Ph%C3%A4nomen" title="Kritisches Phänomen">kritisches Verhalten</a> und Stabilität des Gesamtsystems gelernt werden. Als Beispiel sei auf den <a href="Where%E2%80%99s_George" title="Where’s George">Austausch von Banknoten</a> hingewiesen, welcher von <a href="Dirk_Brockmann" title="Dirk Brockmann">Dirk Brockmann</a> mit Hilfe der Theorie komplexer Netzwerke untersucht wurde, was weltweite Beachtung fand.<sup id="cite_ref-brockmann2006_10-1" class="reference"><a href="#cite_note-brockmann2006-10"><span class="cite-bracket">[</span>10<span class="cite-bracket">]</span></a></sup><sup id="cite_ref-14" class="reference"><a href="#cite_note-14"><span class="cite-bracket">[</span>14<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>
</p>
<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Analysemethoden">Analysemethoden</h2></div>
<p>Um ein Netzwerk resp. einen Graphen zu analysieren, ist in vielen Fällen die Wichtigkeit der Knoten von Interesse.
Neben naiven Metriken wie Analyse des <a href="Knotengrad" class="mw-redirect" title="Knotengrad">Knotengrades</a> sind auch komplexere Methoden vorgeschlagen worden. Ein bekanntes Beispiel ist der <a href="PageRank" title="PageRank">PageRank</a>, die Methode, die die Basis für moderne Suchmaschinen bildet. Sie ist eng verwandt mit der <a href="Eigenvektor" class="mw-redirect" title="Eigenvektor">Eigenvektor</a>-<i>Zentralität</i>.
</p><p>Weitere Maße für Graphen sind:
</p>
<ul><li><a href="Grad_(Graphentheorie)" title="Grad (Graphentheorie)">Grad</a> (<i>degree centrality</i>) – Ein früh entwickeltes, einfaches Maß, um die Zentralität eines Knotens zu bemessen, ist die Untersuchung der Menge aller <a href="Inzidenz_(Geometrie)" title="Inzidenz (Geometrie)">inzidenten</a> Kanten.</li>
<li>Nähe (<i>closeness centrality</i>) – Die Entfernung eines Knotens zu allen anderen ist die Basis für dieses Maß. Dadurch können Knoten (automatisch) identifiziert werden, welche sich im „Zentrum“ eines Netzwerks befinden. Normalerweise wird der reziproke Wert der Summe aller Distanzen zu anderen Knoten genommen, um zu erreichen, dass der Wert umso höher wird, je höher die wahrgenommene Zentralität des Knotens ist.</li></ul>

<ul><li>Betweenness-Zentralität (<i>betweenness centrality</i>) – Ein Knoten hat einen hohen Betweenness-Wert, wenn dieser Knoten Bestandteil besonders vieler <a href="K%C3%BCrzester_Pfad" title="Kürzester Pfad">kürzester Wege</a> ist und die jeweiligen Paare wenige andere kürzeste Wege haben, auf der der Knoten nicht enthalten ist. Für jedes Paar von Knoten wird daher der Anteil an kürzesten Wegen zwischen ihnen berechnet, die v enthalten. Diese Anteile werden für alle Paare von Knoten aufsummiert um die Betweennesszentralität von v zu berechnen.</li>
<li>Eigenvektorzentralität (<i>eigenvector centrality</i>) – Nach der Methode der Eigenvektorzentralität ist ein Knoten umso wichtiger, je wichtiger seine Nachbarknoten sind.</li></ul>
<p><br>
</p>
<div class="sieheauch" role="navigation" style="font-style:italic;"><span class="sieheauch-text">Siehe auch</span>: <a href="Soziale_Netzwerkanalyse#Maßzahlen/Analyseverfahren" title="Soziale Netzwerkanalyse">„Maßzahlen/Analyseverfahren“ im Artikel Soziale Netzwerkanalyse</a></div>
<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Siehe_auch">Siehe auch</h2></div>
<ul><li><a href="Komplexes_System" title="Komplexes System">Komplexes System</a></li>
<li><a href="Selbstorganisation" title="Selbstorganisation">Selbstorganisation</a></li>
<li><a href="Komplexit%C3%A4t" title="Komplexität">Komplexität</a></li>
<li><a href="Chaostheorie" class="mw-redirect" title="Chaostheorie">Chaostheorie</a></li>
<li><a href="Komplexe_Adaptive_Systeme" class="mw-redirect" title="Komplexe Adaptive Systeme">Komplexe Adaptive Systeme</a></li>
<li><a href="Nichtlineare_Systeme" class="mw-redirect" title="Nichtlineare Systeme">Nichtlineare Systeme</a></li>
<li><a href="System" title="System">System</a></li>
<li><a href="Systemeigenschaften" class="mw-redirect" title="Systemeigenschaften">Systemeigenschaften</a></li></ul>
<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Literatur">Literatur</h2></div>
<ul><li>Füllsack, Manfred (Hrsg.): <i>Networking Networks. Origins, Applications, Experiments. Proceedings of the multi-disciplinary network for the Simulation of Complex Systems - Research in the Von-Neumann-Galaxy.</i> Turia + Kant: Wien/Berlin 2014, ISBN 978-3-85132-725-0.</li>
<li>Artime, Oriol et al.: <i>Multilayer Network Science. From Cells to Societies</i>. Reihe Elements in Structure and Dynamics of Complex Networks. Cambridge University Press, Cambridge 2022. <a href="https://doi.org/10.1017/9781009085809" class="extiw external" title="doi:10.1017/9781009085809">doi:10.1017/9781009085809</a></li>
<li>Albert-László Barabási: <i>Network science.</i> Cambridge University Press, Cambridge 2016, ISBN 978-1-107-07626-6.</li></ul>
<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Einzelnachweise">Einzelnachweise</h2></div>
<ol class="references">
<li id="cite_note-strogatz2001-1"><span class="mw-cite-backlink">↑ <sup><a href="#cite_ref-strogatz2001_1-0">a</a></sup> <sup><a href="#cite_ref-strogatz2001_1-1">b</a></sup></span> <span class="reference-text"><a href="Steven_Strogatz" title="Steven Strogatz">S. H. Strogatz</a>: <cite style="font-style:italic">Exploring Complex Networks</cite>. In: <cite style="font-style:italic"><a href="Nature" title="Nature">Nature</a></cite>. 410. Jahrgang, 2001, <span style="white-space:nowrap">S.<span style="display:inline-block;width:.2em">&nbsp;</span>268–276</span>.<span class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&amp;rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Abook&amp;rfr_id=info:sid/de.wikipedia.org:Komplexes+Netzwerk&amp;rft.atitle=Exploring+Complex+Networks&amp;rft.au=S.+H.+Strogatz&amp;rft.btitle=Nature&amp;rft.date=2001&amp;rft.genre=book&amp;rft.pages=268-276&amp;rft.volume=410.+Jahrgang" style="display:none">&nbsp;</span></span>
</li>
<li id="cite_note-albert2002-2"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-albert2002_2-0">↑</a></span> <span class="reference-text">R. Albert, <a href="Albert-L%C3%A1szl%C3%B3_Barab%C3%A1si" title="Albert-László Barabási">A.-L. Barabási</a>: <cite style="font-style:italic">Statistical mechanics of complex networks</cite>. In: <cite style="font-style:italic">Reviews of Modern Physics</cite>. 74. Jahrgang, 2002, <span style="white-space:nowrap">S.<span style="display:inline-block;width:.2em">&nbsp;</span>47</span>.<span class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&amp;rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Abook&amp;rfr_id=info:sid/de.wikipedia.org:Komplexes+Netzwerk&amp;rft.atitle=Statistical+mechanics+of+complex+networks&amp;rft.au=R.+Albert%2C+A.-L.+Barab%C3%A1si&amp;rft.btitle=Reviews+of+Modern+Physics&amp;rft.date=2002&amp;rft.genre=book&amp;rft.pages=47&amp;rft.volume=74.+Jahrgang" style="display:none">&nbsp;</span></span>
</li>
<li id="cite_note-newmann2003-3"><span class="mw-cite-backlink">↑ <sup><a href="#cite_ref-newmann2003_3-0">a</a></sup> <sup><a href="#cite_ref-newmann2003_3-1">b</a></sup></span> <span class="reference-text">M. E. J. Newman: <cite style="font-style:italic">The structure and function of complex networks</cite>. In: <cite style="font-style:italic">SIAM Review</cite>. 45. Jahrgang, 2003, <span style="white-space:nowrap">S.<span style="display:inline-block;width:.2em">&nbsp;</span>167–256</span>.<span class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&amp;rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Abook&amp;rfr_id=info:sid/de.wikipedia.org:Komplexes+Netzwerk&amp;rft.atitle=The+structure+and+function+of+complex+networks&amp;rft.au=M.+E.+J.+Newman&amp;rft.btitle=SIAM+Review&amp;rft.date=2003&amp;rft.genre=book&amp;rft.pages=167-256&amp;rft.volume=45.+Jahrgang" style="display:none">&nbsp;</span></span>
</li>
<li id="cite_note-boccaletti2006-4"><span class="mw-cite-backlink">↑ <sup><a href="#cite_ref-boccaletti2006_4-0">a</a></sup> <sup><a href="#cite_ref-boccaletti2006_4-1">b</a></sup></span> <span class="reference-text">S. Boccaletti et al.: <cite style="font-style:italic">Complex Networks: Structure and Dynamics</cite>. In: <cite style="font-style:italic"><a href="Physics_Reports" class="mw-redirect" title="Physics Reports">Physics Reports</a></cite>. 424. Jahrgang, 2006, <span style="white-space:nowrap">S.<span style="display:inline-block;width:.2em">&nbsp;</span>175–308</span>.<span class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&amp;rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Abook&amp;rfr_id=info:sid/de.wikipedia.org:Komplexes+Netzwerk&amp;rft.atitle=Complex+Networks%3A+Structure+and+Dynamics&amp;rft.au=S.+Boccaletti+et+al.&amp;rft.btitle=Physics+Reports&amp;rft.date=2006&amp;rft.genre=book&amp;rft.pages=175-308&amp;rft.volume=424.+Jahrgang" style="display:none">&nbsp;</span></span>
</li>
<li id="cite_note-5"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-5">↑</a></span> <span class="reference-text"><a href="Albert-L%C3%A1szl%C3%B3_Barab%C3%A1si" title="Albert-László Barabási">A.-L. Barabási</a>, E. Bonabeau: <cite style="font-style:italic">Scale-Free Networks</cite>. In: <cite style="font-style:italic">Scientific American</cite>. Mai. Jahrgang, 2003, <span style="white-space:nowrap">S.<span style="display:inline-block;width:.2em">&nbsp;</span>50–59</span>.<span class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&amp;rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Abook&amp;rfr_id=info:sid/de.wikipedia.org:Komplexes+Netzwerk&amp;rft.atitle=Scale-Free+Networks&amp;rft.au=A.-L.+Barab%C3%A1si%2C+E.+Bonabeau&amp;rft.btitle=Scientific+American&amp;rft.date=2003&amp;rft.genre=book&amp;rft.pages=50-59&amp;rft.volume=Mai.+Jahrgang" style="display:none">&nbsp;</span></span>
</li>
<li id="cite_note-watts1998-6"><span class="mw-cite-backlink">↑ <sup><a href="#cite_ref-watts1998_6-0">a</a></sup> <sup><a href="#cite_ref-watts1998_6-1">b</a></sup></span> <span class="reference-text"><a href="Duncan_J._Watts" class="mw-redirect" title="Duncan J. Watts">D. J. Watts</a>, <a href="Steven_Strogatz" title="Steven Strogatz">S. H. Strogatz</a>: <cite style="font-style:italic">Collective dynamics of ‘small-world’ networks</cite>. In: <cite style="font-style:italic"><a href="Nature" title="Nature">Nature</a></cite>. 393. Jahrgang, 1998, <span style="white-space:nowrap">S.<span style="display:inline-block;width:.2em">&nbsp;</span>440–442</span>.<span class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&amp;rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Abook&amp;rfr_id=info:sid/de.wikipedia.org:Komplexes+Netzwerk&amp;rft.atitle=Collective+dynamics+of+%E2%80%98small-world%E2%80%99+networks&amp;rft.au=D.+J.+Watts%2C+S.+H.+Strogatz&amp;rft.btitle=Nature&amp;rft.date=1998&amp;rft.genre=book&amp;rft.pages=440-442&amp;rft.volume=393.+Jahrgang" style="display:none">&nbsp;</span></span>
</li>
<li id="cite_note-7"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-7">↑</a></span> <span class="reference-text">S. N. Dorogovtsev, J.F.F. Mendes: <cite style="font-style:italic">Evolution of Networks</cite>. In: <cite style="font-style:italic">Advances in Physics</cite>. 51. Jahrgang, 2002, <span style="white-space:nowrap">S.<span style="display:inline-block;width:.2em">&nbsp;</span>1079</span>.<span class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&amp;rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Abook&amp;rfr_id=info:sid/de.wikipedia.org:Komplexes+Netzwerk&amp;rft.atitle=Evolution+of+Networks&amp;rft.au=S.+N.+Dorogovtsev%2C+J.F.F.+Mendes&amp;rft.btitle=Advances+in+Physics&amp;rft.date=2002&amp;rft.genre=book&amp;rft.pages=1079&amp;rft.volume=51.+Jahrgang" style="display:none">&nbsp;</span></span>
</li>
<li id="cite_note-8"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-8">↑</a></span> <span class="reference-text">R. Albert, <a href="Albert-L%C3%A1szl%C3%B3_Barab%C3%A1si" title="Albert-László Barabási">A.-L. Barabási</a>: <cite style="font-style:italic">Topology of evolving networks: local events and universality</cite>. In: <cite style="font-style:italic">Physical Review Letters</cite>. 85. Jahrgang, 2000, <span style="white-space:nowrap">S.<span style="display:inline-block;width:.2em">&nbsp;</span>5234–5237</span>.<span class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&amp;rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Abook&amp;rfr_id=info:sid/de.wikipedia.org:Komplexes+Netzwerk&amp;rft.atitle=Topology+of+evolving+networks%3A+local+events+and+universality&amp;rft.au=R.+Albert%2C+A.-L.+Barab%C3%A1si&amp;rft.btitle=Physical+Review+Letters&amp;rft.date=2000&amp;rft.genre=book&amp;rft.pages=5234-5237&amp;rft.volume=85.+Jahrgang" style="display:none">&nbsp;</span></span>
</li>
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