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高等数学教案
一、课程的性质与任务
高等数学是计算机科学与技术;信息管理与信息系统两个专业的一门重要的基础理论课,通过本课程的学习,也是该专业的核心课程。要使学生获得“向量代数”与“空间解析几何”,“微积分”,“常微分方程与无穷级数”等方面的基本概论、基本理论与基本运算;同时要通过各个教学环节逐步培训学生的抽象概括能力、逻辑推理能力、空间想象能力和自学能力。在传授知识的同时,要着眼于提高学生的数学素质,培养学生用数学的方法去解决实际问题的意识、兴趣和能力。
第一章:函数与极限
教学目的与要求 18学时
1.解函数的概念,掌握函数的表示方法,并会建立简单应用问题中的函数关系式。
2.解函数的奇偶性、单调性、周期性和有界性。
3.理解复合函数及分段函数的概念,了解反函数及隐函数的概念。
4.掌握基本初等函数的性质及其图形。
5.理解极限的概念,理解函数左极限与右极限的概念,以及极限存在与左、右极限之间的关系。
6.掌握极限的性质及四则运算法则。
7.了解极限存在的两个准则,并会利用它们求极限,掌握利用两个重要极限求极限的方法。
8.理解无穷小、无穷大的概念,掌握无穷小的比较方法,会用等价无穷小求极限。
9.理解函数连续性的概念(含左连续与右连续),会判别函数间断点的类型。
10.了解连续函数的性质和初等函数的连续性,了解闭区间上连续函数的性质(有界性、最大值和最小值定理、介值定理),并会应用这些性质。
第一节:映射与函数
一、集合
1、 集合概念
具有某种特定性质的事物的总体叫做集合。组成这个集合的事物称为该集合的元素
表示方法:用A,B,C,D表示集合;用a,b,c,d表示集合中的元素
1)
2)
元素与集合的关系:
一个集合,若它只含有有限个元素,则称为有限集;不是有限集的集合称为无限集。
常见的数集:N,Z,Q,R,N+
元素与集合的关系: A、B是两个集合,如果集合A的元素都是集合B的元素,则称A是B的子集,记作。
如果集合A与集合B互为子集,则称A与B相等,记作
若作且则称A是B的真子集。
空集:
2、 集合的运算
并集 :
交集 :
差集 :
全集I 、E 补集:
集合的并、交、余运算满足下列法则:
交换律、
结合律、
分配律
对偶律 (
笛卡儿积A×B
3、 区间和邻域
开区间
闭区间
半开半闭区间
有限、无限区间
邻域:
a 邻域的中心 邻域的半径
去心邻域
左、右邻域
二、映射
1. 映射概念
定义 设X,Y是两个非空集合,如果存在一个法则,使得对X中的每一个元素,按法则,在Y中有唯一确定的元素与之对应,则称为从X到Y的映射,记作
其中 称为元素的像,并记作,即
注意:1)集合X;集合Y;对应法则
2)每个X有唯一的像;每个Y的原像不唯一
3) 单射、满射、双射
2、 映射、复合映射
三、函数
1、 函数的概念:
定义:设数集,则称映射为定义在D上的函数 记为
自变量、因变量、定义域、值域、函数值
用、、
函数相等:定义域、对应法则相等
自然定义函数;单值函数;多值函数、单值分枝.
例:1) y=2
2) y=
3) 符号函数
4) 取整函数 (阶梯曲线)
5) 分段函数
2、 函数的几种特性
1) 函数的有界性 (上界、下界;有界、无界)
有界的充要条件:既有上界又有下界。
注:不同函数、不同定义域,有界性变化。
2) 函数的单调性 (单增、单减)在x1、x2点比较函数值
与的大小(注:与区间有关)
3) 函数的奇偶性(定义域对称、与关系决定)
图形特点 (关于原点、Y轴对称)
4)函数的周期性(定义域中成立:)
3、 反函数与复合函数
反函数:函数是单射,则有逆映射,称此映射为函数的反函数
函数与反函数的图像关于对称
复合函数:函数定义域为D1,函数在D上有定义、且。则为复合函数。(注意:构成条件)
4、 函数的运算
和、差、积、商(注:只有定义域相同的函数才能运算)
5、 初等函数:
1) 幂函数: 2)指数函数:
3) 对数函数
4)三角函数
5) 反三角函数
,
以上五种函数为基本初等函数
6) 双曲函数
注:双曲函数的单调性、奇偶性。
双曲函数公式
反双曲函数:
作业: 同步练习册练习一
第二节:数列的极限
一、数列
数列就是由数组成的序列。
1)这个序列中的每个数都编了号。
2)序列中有无限多个成员。
一般写成:
缩写为
例 1 数列是这样一个数列,其中
,
也可写为:
可发现:这个数列有个趋势,数值越来越小,无限接近0,记为
1、 极限的定义:
则称数列的极限为,记成
也可等价表述:
1)
2)
极限是数列中数的变化总趋势,因此与数列中某个、前几个的值没有关系。
二、收敛数列的性质
定理1:如果数列收敛,那么它的极限是唯一
定理2 如果数列收敛,那么数列一定有界
定理3:如果且a>0(a<0)那么存在正整数N>0,当n>N时,
定理4、如果数列收敛于a那么它的任一子 数列也收敛,且收敛于a。
第三节:函数的极限
一、极限的定义
1、在点的极限
1)可在函数的定义域内,也可不在,不涉及在有没有定义,以及函数值的大小。只要满足:存在某个使:。
2)如果自变量趋于时,相应的函数值 有一个总趋势-----以某个实数为极限 ,则记为 :。
形式定义为:
注:左、右极限。单侧极限、极限的关系
2、的极限
设:如果当时函数值 有一个总趋势------该曲线有一条水平渐近线-----则称函数在无限远点有极限。记为:
在无穷远点的左右极限:
关系为:
二、函数极限的性质
1、 极限的唯一性
2、 函数极限的局部有界性
3、 函数极限的局部保号性
4、 函数极限与数列极限的关系
第四节:无穷小与无穷大
一、无穷小定义
定义:对一个数列,如果成立如下的命题:
则称它为无穷小量,即
注: 1、的意义;
2、可写成;
3、上述命题可翻译成:对于任意小的正数,存在一个号码N,使在这个号码以后的所有的号码,相应的与极限0的距离比这个给定的还小。它是我们在直观上对于一个数列趋于0的认识。
定理1 在自变量的同一变化过程(或中,函数具有极限A的充分必要条件是,其中是无穷小。
二、无穷大定义
一个数列,如果成立:
那么称它为无穷大量。记成:。
特别地,如果,则称为正无穷大,记成
特别地,如果,则称为负无穷大,记成
注:无法区分正负无穷大时就笼统地称之为无穷大量。
三、无穷小和无穷大的关系
定理2 在自变量的同一变化过程中,如果为无穷大,则为无穷小;反之,如果为无穷小,且则为无穷大
即:非零的无穷小量与无穷大量是倒数关系:当时:有
注意是在自变量的同一个变化过程中
第五节:极限运算法则
1、无穷小的性质
设和是无穷小量于是:
(1)两个无穷小量的和差也是无穷小量:
(2)对于任意常数C,数列也是无穷小量:
(3)也是无穷小量,两个无穷小量的积是一个无穷小量。
(4)也是无穷小量:
(5)无穷小与有界函数的积为无穷小。
2、函数极限的四则运算
1、 若函数和在点有极限,则
2、 函数在点有极限,则对任何常数成立
3、若函数和在点有极限,则
3、 若函数和在点有极限,并且,则
极限的四则运算成立的条件是若函数和在点有极限
例:求下述极限
4、 复合函数的极限运算法则
定理6 设函数是由函数与复合而成,在点的 某去心邻域内有定义,若,
,且存在,当时,有
,则
第六节:极限存在准则 两个重要极限
定理1 夹逼定理 :三数列、和,如果从某个号码起成立:1),并且已知和收敛,
2),则有结论:
定理2 单调有界数列一定收敛。
单调增加有上界的数列一定收敛;单调减少有下界的数列一定收敛。
例:证明:
例:
证明:有界。求 的极限
第七节:无穷小的比较
定义:若为无穷小
且
高阶、低阶、同阶、 k阶、等价~
1、 若为等价无穷小则
2、 若~ 、~且存在,
则:
例:
第八节:函数的连续性与间断点
一、 函数在一点的连续性
函数在点连续,当且仅当该点的函数值 、左极限与右极限三者相等:
或者:当且仅当函数在点有极限且此极限等于该点的函数值 。
其形式定义如下:
函数在区间(a,b)连续指:区间中每一点都连续。
函数在区间[a,b]连续时注意端点。
注:左右连续,在区间上连续(注意端点)
连续函数的图像是一条连续且不间断的曲线
二、间断点
若:中有某一个等式不成立,就间断,分为:
1、 第一类间断点:
可去型:但
跳跃型:
即函数在点的左右极限皆存在但不相等,曲线段上出现一个跳跃。
2 、第二类间断点:左极限与右极限两者之中至少有一个不存在(无穷型间断点和振荡型间断点)
例:见教材
第九节:连续函数的运算与初等函数的连续性
一、 连续函数的四则运算
1.且,
2且,
3. 且,
反函数连续定理:如果函数是严格单调增加(减少)并且连续的,则存在它的反函数:并且也是严格单调增加(减少)并且连续的。
注: 1)反函数的定义域就是原来的值域。
2)通常惯用X表示自变量,Y表示因变量。反函数也可表成
复合函数的连续性定理:
设函数和满足复合条件,若函数在点x0连续;,又若函数在点连续,则复合函数在点连续。
注:复合函数的连续性可以保证极限号与函数符号的交换:
从这些基本初等函数出,通过若干次四则运算以及复合,得到的种种函数统称为初等函数,并且:初等函数在其定义区间内连续。
第十节:闭区间上连续函数的性质
一、 最大、最小值
设函数:在上有界,现在问在值域
中是否有一个最大的实数?如果存在,譬如说它是某个点的函数值 ,则记叫做函数在D上的最大值。
类似地,如果 中有一个最小实数,譬如说它是某个点的函数值,则记称为函数在上的最小值 。
二、有界性
有界性定理:如果函数在闭区间上连续,则它在上有界。
三、零点、介值定理
最大值和最小值定理:如果函数 在闭区间上连续则它在上有最大值和最小值,也就是说存在两个点和,使得
亦即
若x0使,则称x0为函数的零点
零点定理:
如果函数在闭区间上连续,且在区间的两个端点异号:则至少有一个零点,使
中值定理:
如果函数在闭区间上连续,则在上能取到它的最大值 和最小 值 之间的任何一个中间值。
作业:见课后各章节练习。
第二章 导数与微分
教学目的与要求 22学时
1、 理解导数和微分的概念与微分的关系和导数的几何意义,会求平面曲线的切线方程和法线方程,了解导数的物理意义,会用导数描述一些物理量,理解函数的可导性与连续性之间的的关系。
2、 熟练掌握导数的四则运算法则和复合函数的求导法则,熟练掌握基本初等函数的导数公式,了解微分的四则运算法则和一阶微分形式的不变性,会求函数的微分。
3、 了解高阶导数的概念,会求某些简单函数的n阶导数。
4、 会求分段函数的导数。
5、 会求隐函数和由参数方程确定的函数的一阶、二阶导数,会求反函数的导数。
一、导数概念()
1、定义
左导数
右导数
∴
可以证明:
可导→连续。即可导是连续的充分条件。
连续是可导的必要条件。
左右导数(注:与左右极限关系)
2、导数的几何意义
曲线 在点处切线:
例1:讨论在x=0处可导性
解:∵
在x = 0连续
不存在 ∴ 在x = 0不可导
例2:已知存在
则
=
例3:设函数可微,
则
例4:
设
为使在x = x0 处可导,应如何选取常数a、b
解:首先必须在x0连续
∴ ①
(由①得)
∵ 存在
∴ 从而
例5: = x (x-1)(x-2)……(x-9) , 则
∵
例6:设在x = 0 领域内连续,,
则
∵ (分母→0)
∴
例7:设函数 f (1+x) = a f ( x ) ,
且 (a , b ≠0),
问 存在否?
解:
二、导数的求法
1、显函数导数
求一个显函数的导数需解决:
①基本初等函数导数(P64);
②导数四则运算法则(P65);
③复合函数与反函数求导法则(P66)。
定理:
在X有导数,在对应点u有导数,
则复合函数在X处也有导数,
。
例1: 求
解:
例2: 求
解:
例3: 求
解:
例4: 求
解:
例5: 求
解:
例6: 求
解:
例7: 求
解:
例8: 求
解:
例9: 求
解:
高阶导数、二阶:
例10: , 求
解:
先讲微分(后页)
2、 隐函数导数参数方程导数
如方程F(x,y)=0确定了y=y(x),只需方程两边对x求导,注意y=y(x)
例10:求下列隐函数的导数
(1)设 求
解: 方程两边对x求导,
(2)设是由方程所确定的隐函数,
求
解: 由原方程知当x=0时,,
方程两边对x求导。
,将x=0,代入得: ∴
(3) 是由方程所确定的隐函数,
试求,。
解: 方程两边对x求导:
①
方程两边再对x求导:
②
由原方程知,当时,,代入①得
再将,,代入②式,
得
(4) 设 求
解:
(5) 设是由方程组所确定的函数,求:。
解:
3、 分段函数的导数
1) 设
求:
解:当
∴ 不存在,故
高阶导数(n阶)略,
例
2) 设在()上具有二阶连续导数,且,对函数
(1) 确定的值,使在()上连续
(2) 对(1)中确定的,证明在()上
一阶导数连续
解:
①
即当 在连续,
也就是在()连续
②
而
在连续,即在连续
三、 微分
一阶微分形式不变
(自变量)
如
(中间变量)
例: , ,
可导 可微
第三章微分中值定理导数的应用
教学目的与要求
1掌握并会应用罗尔定理、拉格朗日中值定理,了解柯西中值定理和泰勒中值定理。
2理解函数的极值概念,掌握用导数判断函数的单调性和求函数极值的方法,掌握函数最大值和最小值的求法及其简单应用。
3. 用二阶导数判断函数图形的凹凸性,会求函数图形的拐点以及水平、铅直和斜渐近线,会描绘函数的图形。
4. 握用洛必达法则求未定式极限的方法。
5. 道曲率和曲率半径的概念,会计算曲率和曲率半径。
6. 了解方程近似解的二分法及切线法。
一、中值定理,泰勒公式(放入泰勒级数中讲)
1. 罗尔定理
如满足:
(1)在连续.
(2)在可导.
(3) 则至少存在一点
使
例 设,则
在区间(-1,0)内,方程
有2个实根;在(-1,1)内有2个根
例 设在[0,1]可导,且,
证明存在,使。
证: 设在[a,b]可导,
∴ 存在使 即
例 设在[0,1]可导,且,
证明存在 。
解: 设,且 由罗尔定理
存在 使 即,
亦即
例 习题6
设(复合函数求导)
2、 拉格朗日中值定理
如满足:①在[a,b]连续;②在(a,b)连续,
则存在
使。
推论:⑴ 如果在区间I上,则
⑵ 如果在区间I上,
在I单增(减)
例 对任意满足的x,
都有
设
∵
∴
∵
∴
例 设,证明
求导证明
作业:见各章节课后习题。
二、洛必达法则
未定形:
如下的函数极限都是未定形。
1、型: 如:型:
2、型: 如:
3、型: 如:
4、型:如:
5、 型: 如:
6、 型: 如:
7、 型: 如:
它们的计算不能用函数极限的四则运算法则,
且它们只表示类型,没有具体意义。
1、 ()型的洛必达法则(同理)
定理:对函数和,如果:
(1),
(2)在某个邻域内(后)有导数
和,且;
(3)存在(或无穷),则成立:
=
例:1)
2)
3)
例: 1)
2)
3) (>0)
3、其它类型
1)
2)
3)
4) 解法同3)
例 : 1)
2)
3)
4)
三、泰勒公式
一、多项式:
在点的各阶导数:
得:
二、泰勒中值定理:
如果函数在含有的某个开区间有直到阶的导数,则对任一有:
1、(N阶泰勒公式)
称为余项。
(1)( 在与之间)
拉格朗日型余项
(2) 皮亚诺余项。
2、当得麦克劳林公式:
三、常见函数的泰勒展开
1)
2)
3)
四、函数的性态
1、极值
1)定义:如在邻域内,恒有, ,则称为函数的一个极大(小)值。
可能极值点, 不存在的点与的点。(驻点)
驻点 ←极值点
2)判别方法
ⅰ、导数变号。
极小值
极大值
ⅱ、,
例1、 设满足关系式,且,
,则在点处 A
A、取得极大值 B、取得最小值
C、在某邻域内单增 D、在某邻域内单减
例2.已知函数对一切满足
如,,则 A
A、 是的极小值
B、是的极大值
C、是曲线的拐点
D、不是的极值,也不是曲线 的拐点。
例3. 设函数在的某邻域内可导,,
,则是的极 大 值。
2、函数的最大值与最小值
(1)求出内可能的极值点,不需判别极大还是极小,求出它们的函数值,再与端点的函数值进行比较,其中最大的(小)为最大(小)值。
(2)在内可能极值点唯一,如是极小值则为最小值;如是极大值则为最大值。
(3)如分别为最小, 最大值。
(4)实际问题据题意可不判别。
例1、 在抛物线上的第一象限部分求一点P,过P点作切线,使该切线与坐标轴所围成的三角形面积最小。
解:设切点为,切线方程为
即
∴ 三角形面积:
,
令 (唯一)
∴ 故 为所求点
3、曲线的凹凸、拐点及渐近线
在I上可导
如则曲线是凹(凸)的,
在连续曲线上凹凸部分的分界点称为曲线的拐点。
可能的拐点 和 不存在的点
例1、 设,试讨论的性态。
x
(-∞,-2)
-2
(-2,0)
0
(0,1)
1
(1,+ ∞)
y’
+
0
-
间
断
+
0
+
y’’
-
-
-
-
0
+
y
单调增
上凸
极大值
单减
上凸
单增上凸
拐点
(1,0)
单增
下凸
渐近线 如 则称为水平渐近线
如 则称为垂直渐近线
渐近线可能没有,或多条。
例2、 求 渐近线 (斜渐近线不讨论)
解:
∵
∴ 为水平渐近线
∵
∴ 垂直渐近线
例2、 曲线的渐近线有 4 条
4 证明不等式
(1)利用中值定理(R,L);
(2)利用函数单调性;
(3)利用最值;
(4)引入辅助函数把常值不等式变成函数不等式;
(5)利用函数凹凸性;
(6)利用泰勒公式。
例1、 当,试
即证:
证: 设 ,在连续,可导,
由拉格朗日中值定理
即
∴
例2、设,证明
证: 设
单增,当
∴
设
单增,当
∴
例3、当 证明
证: 令
令得
驻点唯一,
∵
∴ 极小
∴ 为最小值
即
例4、 当
证明
证:
设
令 ,
驻点唯一
当 , → 在上
最大值为 ,最小值为
∴
例5、 设,证明
证明:即 证
设
,
时 ∴ 单减 当
即
例6、 设在上可导,且单调减,
证明: ,。
证: 令
∵ 单调减
, ,
∴ ,即单调减
,
即
作业:见课后习题
第四章不定积分
教学目的与要求
1.理解原函数概念、不定积分和定积分的概念。
2. 掌握不定积分的基本公式,掌握不定积分和定积分的性质及定积分中值定理,掌握换元积分法与分部积分法。
3. 求有理函数、三角函数有理式和简单无理函数的积分。
一、一元函数积分的概念、性质与基本定理
1、原函数、不定积分
在区间Ⅰ上,如,称为的导函数,称为的原函数,原函数与导函数是一种互逆关系。
如为的一个原函数,则为的全体原函数。
记为,即=
不定积积分性质
(1) 或
(2)
(3)
(4)
∵原函数与导函数有互逆关系,
∴由导数表可得积分表。
例、 已知是的一个原函数,
求:
解:
例、的导函数是 ,则的原函数
,(、为任意常数)
例、在下列等式中,正确的结果是 C
A、 B、
C、 D、
例、
2、计算方法
10 换元法
第一类换元法(凑微分法)
常用凑微分形式
例:
1、
2、
3、
4、
5、
6、
7、
8、
9、
10、
11、
12、
13、
14、
15、
16、
17、
18、
19、
解:
20、解:
21、
22、设,则
二.第二换元法
定理2
除了凑微分法外其它常用变量代换
(1)被积函数中含有二次根式
,令
,令
,令
如是配方
1
例1、 令
x
t
解:原式
例2、 二种解法
(2)被积函数中含一般根式
例3、
解:令
原式
例4、 令
原式
例5、
解:令
原式
20分部积分
<定理> 如、均具有连续的导函数,则
例1、
例2、
例3、
例4、
例5、
例6、
例7、
例8、
例9、
例10、
例11、
30有理函数的积分
有理函数的积分
方法:
→真分式→部分分式
部分分式:
其中:
确定常数的值;再积分。
例: 1)
2)
3)
4)
5)
解:
令
令
∴
6)
40 三角有理式积分
令
7、
8、
9、设的原函数恒正,且,当,有,求
解:
由 得C=1
∴
∴
例:
1)
2)
3)
4)
5)
作业:见课后习题
第五章 定积分的概念
教学目的与要求:
1. 解变上限定积分定义的函数,及其求导数定理,掌握牛顿—莱布尼茨公式。
2. 解广义积分的概念并会计算广义积分。
3.掌握用定积分表达和计算一些几何量与物理量(平面图形的面积、平面曲线的弧长、旋转体的体积及侧面积、平行截面面积为已知的立体体积、变力做功、引力、压力和函数的平均值等)。
一、定义及性质
<定义>:,
注意(1)积分区间有限,被积函数有界;
(2)与“分法”、“取法”无关;
(3)定积分的值与积分变量的选取无关
;
(4)在有界是在可积的必要条件,在连续是在可积的充分条件。
<几何意义>:在几何上表示介于,,,之间各部分面积的代数和。
补充规定
<性质> 性质(1)—(9)(1---7省略)
其中(8)为估计定理:在,,则
(9)中值定理:如在连续,,使
例1.利用定积分几何意义,求定积分值
上式表示介于, , , 之间面积
例2、(估计积分值) 证明
证:
在 上最大值为,最小值为2
∴
∴
二、基本定理 牛顿—莱伯尼兹公式
10变上限积分
基本定理:设在连续,为上任意一点,
则是可导函数,且
即 说明为的一个原函数。
例3、已知,,
, ,
,
求:
解:
例4、
例5、有极大值的点为 D
A. B. C. D.
例6、如 ,则 B
A. B. C. D.
例7、 设在上连续,且
,
证明:若f(x)为偶函数,则F(x)也是偶函数。
证:
20 定积分计算
① 牛顿莱伯尼兹公式
<定理>设在连续。为在上的任意一个原函数,则有
② 定积分换元法与分部积分法
30 奇偶函数在对称区间积分性质,周期函数积分性质
(1) 在连续,
当为偶数,则
当为奇函数,则
(2) ,以T为周期
说明在任何长度为T的区间上的积分值是相等的。
例9、
原式
例10、
例11、
例12、设 则
A、 B、 C、 D、
例13、
法一 设
法二 设 原式
例14、设为连续函数,且 求
解: 设 则
两边积分
∴
例15、(、在连续,且
求、的表达式。
答案:
)
例16、设 ,
求
解:
令
(∵)
∴
例17、设 求
解:
例18、已知在上二阶可导,且,及
求
解:原式
例19、设在连续
证明:
证:右边 =
例20、设
求
解:
例21、设连续,,且
求,并讨论在处连续性
解:
得
令
∴
∴ 在连续
即在连续
例22、试证方程 在内有且仅有一实根
证:设 在连续
且:
由介值定理 ,使 F(ζ)=0
即F(x)=0有根
又∵ ,
单增
∴根唯一
例23、设在,连续
试证:内至少一点,使
证:设
则在可导
中值
在上满足罗尔定理条件
∴至少存在一点ζ,使
即
亦即
例24、
例25:
设在连续,可导,且,证明在内,有
证:
在单调减,
故
作业:各章节课后习题。
第六章 定积分应用
1°平面图形面积
(ⅰ)直角坐标:
例1:
求抛物线及其点和处的切线所围成图形的面积
解:
在点处,,切线方程
在点处,,切线方程
得交点
(ii)极坐标
例2、求由曲线所围图形公共部分的面积
解:两曲线的交点
+
2°旋转体体积
由所围平面图形绕轴旋转一周所生成的立体体积,
由所围平面图形绕旋转一周所得旋转体体积
例3、过点作抛物线的切线,求该切线与抛物线及轴所围平面图形绕轴旋转而成的旋转体体积
解:设切点为
切线方程
Q 切点在
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