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2024年全国中学生数学奥林匹克竞赛 (预赛)暨 2024年全国高中数学联合竞赛一试试题 (A)一、填空题:本大题共 8小题,每小题 8分,满分 64分.1.若实数m>1满足 log9 log8m =2024,则 log3 log2m 的值为 .2.设无穷等比数列 {an}的公比 q满足 0.3.设实数 a,b满足:集合A= {x∈ R|x2- 10x+ a≤ 0}与 B= {x∈ R|bx≤ b3}的交集为 4,9 ,则 a+ b的值为.4.在三棱锥 P-ABC中,若 PA 底面ABC,且棱AB,BP,BC,CP的长分别为 1,2,3,4,则该三棱锥的体积为.5.一个不均匀的骰子,掷出 1,2,3,4,5,6点的概率依次成等差数列.独立地先后掷该骰子两次,所得的点数分别记为a,b.若事件 a+ b= 7 1发生的概率为 ,则事件“a= b”发生的概率为 .76.设 f(x)是定义域为R、最小正周期为 5的函数.若函数 g(x) = f(2x)在区间 0,5 上的零点个数为 25,则 g(x)在区间[1,4)上的零点个数为 .
7.设F1,F2为椭圆Ω的焦点,在Ω上取一点P(异于长轴端点),记O为△PF1F2的外心,若PO F1F2= 2PF1 PF2,则Ω的离心率的最小值为 .8.若三个正整数 a,b,c的位数之和为 8,且组成 a,b,c的 8个数码能排列为 2,0,2,4,0,9,0,8,则称 (a,b,c)为“幸运数组”,例如(9,8,202400)是一个幸运数组.满足 10二、解答题:本大题共 3小题,满分 56分.解答应写出文字说明、证明过程或演算步骤.= sinA+ cosA = sinB + cosB9.(本题满分 16分)在ΔABC中,已知 cosC ,求 cosC的值.2 210.(本题满分 20分)在平面直角坐标系中,双曲线 Γ:x2- y2= 1的右顶点为A.将圆心在 y轴上,且与 Γ的两支各恰d有一个公共点的圆称为“好圆”.若两个好圆外切于点P,圆心距为 d,求 的所有可能的值. PA 11.(本题满分 20分)设复数 z,w满足 z+w= 2,求S= z2- 2w + w2- 2z 的最小可能值.·1·2024年全国中学生数学奥林匹克竞赛 (预赛)暨 2024年全国高中数学联合竞赛加试试题 (A卷)一. (本题满分 40分)给定正整数 r,求最大的实数C,使得存在一个公比为 r的实数等比数列 an n≥1,满足 an ≥C对所有正整数n成立.( x 表示实数 x到与它最近整数的距离.)二. (本题满分 40分)如图,在凸四边形ABCD中,AC平分∠BAD,点E,F分别在边BC,CD上,满足EF ||BD,分别延长FA,EA至点P,Q,使得过点A,B,P的圆 ω1及过点A,D,Q的圆w2均与直线AC相切.证明:B,P,Q,D四点共 圆. (答题时储将图画在答卷纸上)三. (本题满分 50分)给定正整数 n.在一个 3× n的方格表上,由一些方格构成的集合 S称为“连通的”,如果对 S中任意两个不同的小方格A,B,存在整数 l≥ 2及S中 l个方格A=C1,C2,…,Cl=B,满足Ci与Ci+1有公共边 (i= 1,2, ,l- 1).求具有下述性质的最大整数K :若将该方格表的每个小方格任意染为黑色或白色,总存在一个连通的集合 S,使得S中的黑格个数与白格个数之差的绝对值 不小于K.四.(本题满分 50分)设A,B为正整数,S是一些正整数构成的一个集合,具有下述性质:(1)对任意非负整数 k,有AK∈S;(2)若正整数n∈S,则n的每个正约数均属于S;(3)若m,n∈S,且m,n互素,则mn∈S;(4)若n∈S,则An+B∈S.证明:与B互素的所有正整数均属于S.·2·2024 年全国中学生数学奥林匹克竞赛(预赛)暨 2024 年全国高中数学联合竞赛加试(A 卷)参考答案及评分标准说明:1.评阅试卷时,请严格按照本评分标准的评分档次给分.2.如果考生的解答方法和本解答不同,只要思路合理、步骤正确,在评卷时可参考本评分标准适当划分档次评分,10 分为一个档次,不得增加其他中间档次.一.(本题满分 40 分)给定正整数 r .求最大的实数C ,使得存在一个公比为 r 的实数等比数列{an}n 1,满足 an C 对所有正整数 n成立.( x 表示实数 x到与它最近整数的距离.)解:情形 1: r 为奇数.x x 1 1对任意实数 ,显然有,故满足要求的C 不超过 .2 2又取{an}的首项 a1 ,注意到对任意正整数 n ,均有 rn 11 为奇数,因此2a rn 1 1 C 1 1n .这意味着满足要求.从而满足要求的C 的最大值为 . 2 2 2 2…………10 分情形 2: r 为偶数.设 r2m (m N*).对任意实数 ,我们证明 a1 与 a2 中必有一数不超过m m,从而C.2m 1 2m 11事实上,设 a1k,其中 k 是与 a1最近的整数(之一),且0 . 2注意到,对任意实数 x 及任意整数 k ,均有 x kx ,以及 xx .0 m m若 ,则 a1k . 2m 1 2m 1m 1 2m2若 ,则2m m m,即m r m,此时2m 1 2 2m 1 2m 1a2a r krm1 rr. …………30 分 2m 1m m另一方面,取 a1,则对任意正整数 n,有 a(2m)n 1n ,由二2m 1 2m 1m项式展开可知 a(2m 1 1)n 1 n 1 mnK( 1) ,其中 K 为整数,故2m 1 2m 1a m mn.这意味着C满足要求. 2m 1 2m 1m r从而满足要求的C 的最大值为.2m 1 2(r 1)1r C 1综上,当 为奇数时,所求 的最大值为 ;当 r 为偶数时,所求C 的最大2r值为 .…………40 分2(r 1)二.(本题满分 40 分)如图,在凸四边形 ABCD中, AC 平分 BAD,点E, F 分别在边 BC, CD上,满足 EF || BD.分别延长 FA, EA至点 P, Q ,使得过点A, B, P 的圆 1及过点 A, D, Q的圆 2 均与直线 AC 相切.证明:B, P, Q, D 四点共圆.(答题时请将图画在答卷纸上)L(L')Q ω2 Q ω2Pω1 ωP1A AKB D B DE F E FC C证明:由圆 1与 AC 相切知 BPA BACCAD CAF 180PAC ,故 BP, CA的延长线相交,记交点为 L.EF || BD CE CF AC CK CE CF由 知.在线段 上取点 K ,使得 ,则CB CD CA CB CDKE || AB, KF || AD.…………10 分由 ABLPALKAF , BAL 180BAC 180CADAKF ,可知 ABL∽ KAF ,所以 AL KFAB .…………20 分KAKEAD同理,记DQ, CA的延长线交于点 L ,则 AL.KA又由KE || AB, KF || AD KE CK KF知 ,即KEADKFAB.AB CA AD所以 ALAL,即 L 与 L重合.由切割线定理知 LP LBLA2LQ LD,所以 B, P, Q, D 四点共圆.…………40 分三.(本题满分 50 分)给定正整数n .在一个3×n 的方格表上,由一些方格构成的集合 S 称为“连通的”,如果对 S 中任意两个不同的小方格 A, B,存在整数 l ≥ 2 及 S 中 l 个 方 格 A = C1, C2 , , Cl = B , 满 足 Ci 与 Ci+1 有 公 共 边2( i =1, 2, , l 1).求具有下述性质的最大整数K :若将该方格表的每个小方格任意染为黑色或白色,总存在一个连通的集合 S ,使得 S 中的黑格个数与白格个数之差的绝对值不小于K .解:所求最大的K = n .对一个由小方格构成的集合 S ,记 Sb 是 S 中的黑格个数,Sw是 S 中的白格个数. 用 [i, j]表示第 i 行第 j 列处的方格,这里1≤ i ≤ 3 ,1≤ j ≤ n .对于两个方格A = [i, j], B = [i′, j′], 定义它们之间的距离为 d (A, B) =| ii′ | + | jj′ |.首先,如果将方格表按国际象棋棋盘一样黑白间隔染色,我们证明对任意连通的集合 S ,均有 | SbSw |≤ n,这表明 K ≤ n.设[1,1]是黑格,并记ε ∈{0,1},满足ε ≡ n (mod 2) .先证 SbSw ≤ n .可不妨设 S 包含所有黑格,这是因为若 S 不包含所有黑格,取不属于 S 的黑格 A 满足 d (A, S) 最小,这里 d (A, S) = min d (A, B) .易知B∈Sd (A, S) =1或 2 .若 d (A, S) =1,取 S ′ = S {A},则 S 仍是连通的,且 Sb′Sw′ 更大.若 d (A, S) = 2 ,则存在与 A 相邻的白格C ,而C 与 S 中某个方格 B 相邻,取S ′ = S {A, B},则 S 仍是连通的,且 Sb′Sw′ 不变. 因而可逐步扩充 S ,使得 S包含所有黑格,保持 S 的连通性,且 SbSw 不减.考虑白格集合Wk ={[i, j] |i + j = k},k = 3, 5, , n +1+ε ,每个Wk 中至少有一个方格属于 S ,否则不存在从黑格 A = [1,1]∈S 到黑格 B = [3, n 1+ε ]的 S 中路径.S 1故 w ≥ (n +ε ),而 S1b = (3n +ε ),故 SbSw ≤ n .…………10 分 2 2类似可证 S 1wSb ≤ n .同上,可不妨设 S 包含所有白格, 从而 Sw = (3n ε ) . 2再考虑黑格集合 Bk ={[i, j] |i + j = k}, k = 4, 6, , n + 2 ε ,每个 Bk 中至少有一个黑格属于 S ,否则不存在从白格 A = [1, 2]到白格 B = [3, n ε ]的 S 中路径. 从而S 1b ≥ (n ε ) ,故 SwSb ≤ n . …………20 分 2下面证明 K = n 具有题述性质,即对任意的染色方案,总存在连通的集合 S ,使得 SbSw ≥ n .设表格中共有 X 个黑格和Y 个白格,在第二行中有 x个黑格和 y 个白格. 于是 X +Y = 3n , x + y = n .故(Xy) + (Yx) = (X +Y )(x + y) = 2n .由平均值原理可知max{Xy, Yx}≥ n.不妨设 Xy ≥ n.取 S 为第二行中的 y 个白格以及所有 X 个黑格.由于 S 包含第二行中所有方格,因而 S 是连通的. 而 Sb = X ,Sw = y,SbSw = Xy ≥ n .综上所述,Kmax = n . …………50 分四.(本题满分 50 分)设 A, B为正整数,S 是一些正整数构成的一个集合,具有下述性质:(1) 对任意非负整数 k ,有 AkS ;(2) 若正整数 n S ,则 n的每个正约数均属于 S ;3(3) 若m, n S ,且m, n互素,则mn S ;(4) 若 n S ,则 An BS .证明:与 B 互素的所有正整数均属于 S .证明:先证明下述引理.引理:若 n S ,则 n B S .引理的证明:对 n S ,设 n1是 n的与 A互素的最大约数,并设 n n1n2,则n2的素因子均整除 A,从而 (n1, n2 ) 1.由条件(1)及(2)知,对任意素数 p | A及任意正整数 k ,有 pkS .因此,将 Ak 1n1作标准分解,并利用(3)知 Ak 1n1S .又n2 | n,而 n S ,故由(2)知 n2S .因 (Ak 1n1, n2 ) 1,故由(3)知 Ak 1n1 n2S ,即 Ak 1n S .再由(4)知Akn B S (对任意正整数 k ). ①…………10 分设 n B C D ,这里正整数C 的所有素因子均整除 A,正整数 D与 A互素,从而 (C, D) 1.由(1)及(2)知CS (见上面 Ak 1n S 的证明).另一方面,因 (D, A) 1,故由欧拉定理知D A (D) 1.因此A (D)n B(A (D) 1)n (n B)0 (mod D),但由①知 A (D)n BS ,故由(2)知 DS .结合CS 及 (C, D) 1知CDS ,即n BS .引理证毕.…………40 分回到原问题.由(1),取 k0知1 S ,故反复用引理知对任意正整数 y ,有1 ByS .对任意 n N*, (n, B) 1,存在正整数 x, y使得 nx 1 By ,因此 nxS ,因n | nx,故 n S .证毕.…………50 分42024 年全国中学生数学奥林匹克竞赛(预赛)暨 2024 年全国高中数学联合竞赛一试(A 卷)参考答案及评分标准说明:1. 评阅试卷时,请依据本评分标准. 填空题只设 8 分和 0 分两档;其他各题的评阅,请严格按照本评分标准的评分档次给分,不得增加其他中间档次.2. 如果考生的解答方法和本解答不同,只要思路合理、步骤正确,在评卷时可参考本评分标准适当划分档次评分,解答题中第 9 小题 4 分为一个档次,第 10、11 小题 5 分为一个档次,不得增加其他中间档次.一、填空题:本大题共 8 小题,每小题 8 分,满分 64 分.1. 若实数m 1满足 log9 (log8 m) 2024,则 log3(log2 m)的值为 .答案:4049.解: log3(log2 m) log3(3log8 m) 1 2log9 (log8 m) 1 2 2024 4049.2. 设无穷等比数列{an}的公比 q满足0 q 1.若{an}的各项和等于{an}各项的平方和,则 a2的取值范围是 . 1 答案:, 0 (0, 2).4 {a } a解:因为数列 n 的各项和为 1 ,注意到{an}各项的平方依次构成首项1 qa2 a2为 1 、公比为 q2 的等比数列,于是{a2n }的各项和为 1 2 . 1 qa a2由条件知 11 2 ,化简得 a1 1 q . 1 q 1 q2 q ( 1, 0) (0,1) a (1 q)q q 1 1 1
当时, 2, 0(0, 2). 2443. 设实数 a, b满足:集合 A {x R x2 10x a0}与 B {x R bx b3}的交集为[4, 9],则 a b 的值为 .答案:7 .解:由于 x2 10x a(x 5)225 a ,故 A是一个包含[4, 9]且以 x5为中点的闭区间,而 B 是至多有一个端点的区间,所以必有 A [1, 9],故a9.进一步可知 B 只能为[4, ),故b 0且 4b b3 ,得b 2.于是 a b 7.4. 在三棱锥 P ABC 中,若 PA 底面 ABC ,且棱 AB, BP, BC, CP 的长分别为1, 2, 3, 4,则该三棱锥的体积为 .3答案: .4解:由条件知PA AB, PA AC.因此 PA BP2AB23,进而 ACCP2 PA213 .1AB2BC 2AC 2ABC cos B 1 9 13 1在 中,,故 sin B 3 .2AB BC 2 1 3 2 2S 1 3 3所以 ABCAB BC sin B. 2 4又该三棱锥的高为 PA,故其体积为V 1 S 3 ABC PA . 3 45. 一个不均匀的骰子,掷出1, 2, 3, 4, 5, 6 点的概率依次成等差数列.独立地先后掷该骰子两次,所得的点数分别记为 a, b.若事件“ a b 7”发生的概率1为 ,则事件“ ab ”发生的概率为 .74答案: .21解:设掷出1, 2, , 6点的概率分别为 p1, p2 , , p6 .由于 p1, p2 , , p6 成等差1数列,且 p1p2 p6 1,故 p1p6p2p5p3p4. 3事件“ a b 7”发生的概率为 P1p1 p6p2 p5 p6 p1 .事件“ ab ”发生的概率为 Pp2p22 1 2 p26 .2于是 PP 2 21 2( p1p6 )( p2p5 )( p3p )23 1 14. 3 31 1 1 4由于 P1,所以 P7 2 .3 7 216. 设 f (x)是定义域为R 、最小正周期为5的函数.若函数 g(x) f (2x )在区间[0, 5)上的零点个数为 25,则 g(x)在区间[1, 4)上的零点个数为 .答案:11.解:记 2xt ,则当 x [0, 5) 时,t [1, 32),且 t随 x增大而严格增大.因此,g(x)在[0, 5)上的零点个数等于 f (t)在[1, 32)上的零点个数.注意到 f (t)有最小正周期5,设 f (t)在一个最小正周期上有m 个零点,则f (t)在[2, 32)上有6m 个零点,又设 f (t)在[1, 2)上有 n个零点,则6m n 25,且0 n m ,因此m 4, n 1.从而 g(x) 在 [1, 4)上的零点个数等于 f (t)在 [2,16) [1,16) \ [1, 2) 上的零点个数,即3m n 11.7. 设 F1, F2 为椭圆 的焦点,在 上取一点 P (异于长轴端点),记O 为
PF1F2 的外心,若 PO F1F22PF1 PF2 ,则 的离心率的最小值为 .6答案: .4
解:取F1F2 的中点M ,有MOF1F2 ,故MO F1F20.记 PF1u, PF2v, F1F2d ,则2 2 1PO F F v u1 2PM F1F2 MO F1F2(PF1PF2 )(PF2 PF1), 2 2
2PF PF2uv cos F PFu2v2 d 21 2 1 2 ,2v2 u2 3u2v2故由条件知u2v2 d 2 ,即 d 2.2 28 2 2 21 由柯西不等式知 d(3u v )1
(u v)2(当 v3u时等号成立).3 3 所以 的离心率 e d 3 6 .uv 8 46当u : v : d 1:3: 6 时, 的离心率 e取到最小值 .48. 若三个正整数 a, b, c的位数之和为8,且组成 a, b, c 的8个数码能排列为2, 0, 2, 4, 0, 9, 0, 8,则称 (a, b, c)为“幸运数组”,例如 (9, 8, 202400)是一个幸运数组.满足10 a b c的幸运数组 (a, b, c)的个数为 .答案:591.解:对于幸运数组 (a, b, c),当10 a b c时,分两类情形讨论.情形 1: a是两位数,b, c是三位数.暂不考虑b, c的大小关系,先在 a, b, c的非最高位(五个位置)中选三个位置填0 ,剩下五个位置还未填,任选其中两个填 2 ,最后三个位置填写 4, 8, 9,这样的填法数为C35 C25 3! 600 .再考虑其中 b, c的大小关系,由于不可能有b c ,因此b c与b c的填法各占一半,故有300个满足要求的幸运数组.情形 2: a, b是两位数, c是四位数.暂不考虑 a, b的大小关系,类似于情形 1,先在 a, b, c的非最高位(五个位置)中选三个位置填0 ,剩下五个位置填 2, 2, 4, 8, 9,这样的填法数为600 .再考虑其中 a, b的大小关系.若 ab ,则必有 ab 20,c的四个数字是0, 4, 8, 9的排列,且0 不在首位,有3 3! 18种填法,除这些填法外,a b与 a b的填600 18法各占一半,故有291个满足要求的幸运数组.2综上,所求幸运数组的个数为300 291 591.二、解答题:本大题共 3 小题,满分 56 分.解答应写出文字说明、证明过程或演算步骤.9. (本题满分 16 ABC cosC sin A cos A sin B cos B分)在 中,已知 ,2 2求 cosC 的值.
解:由条件知cosC 2 sin2 A sin
24 B. …………4 分 2 4A假如 B
,则C,cosC0,但 sinA
44 240,矛盾.
所以只可能 AB .此时 A B 0,,C 2A. 4 42 …………8 分
注意到 cosC 2 sinA 0,故C,所以 A B, ,结合条24 24 2 3件得cosCcos 2A sin
2A2sin
2 Acos4 A 42 2 cosC 1 ( 2 cosC)2 ,又 cosC0 7,化简得8(1 2cos2 C) 1,解得 cosC. …………16 分410.(本题满分 20 分)在平面直角坐标系中,双曲线 : x2y2 1的右顶点为 A.将圆心在 y 轴上,且与 的两支各恰有一个公共点的圆称为“好圆”.若d两个好圆外切于点 P ,圆心距为 d ,求 的所有可能的值.PA解:考虑以 (0, y0 )为圆心的好圆 : x2(y y 2 20 0 )r0 (r00).由 0与 的方程消去 x,得关于 y 的二次方程2y2 2y0 y y20 1 r200 .根据条件,该方程的判别式4y2 8(y20 0 1 r2 ) 0,因此 y22r 20 0 0 2.…………5 分对于外切于点 P 的两个好圆 1, 2,显然 P 在 y 轴上.设 P (0, h) , 1, 2的半径分别为 r1, r2,不妨设 1, 2的圆心分别为 (0, h r1), (0, h r2 ),则有(h r )212r21 2,(h r2 )22r 22 2.两式相减得 2h(r1r ) r22 1r22 ,而 r1r20 hr1r,故化简得2 .2…………10 分 rr 2进而 1 2r 2r 21 1 2,整理得2 r 2 21 6r1r2r2 8 0.①d r r A(1, 0) PA 2 h2 1 (r1r )2由于12 , , 2 1,而①可等价地写为42(r1r22 ) 8 (r1r )2 2 d2 ,即8 PAd2 ,所以2 2 .…………20 分PA11.(本题满分 20 分)设复数 z, w满足 z w 2,求 Sz2 2ww2 2z的最小可能值.解法 1:设 za b i (a, b R) ,则w 2 a b i,故Sa2 2a 4 b2 2b(a 1) ia2 6a 4 b2 2b(a 3) i , a2 2a 4 b2a2 6a 4 b2 (a 1)2 5 b2(a 3)2 5 b2 .①…………5 分记 ta 1.对固定的b ,记 B5 b2 5,求 f (t)t 2 B(t 4)2 B的最小值.4由 f (t)f (4 t) ,不妨设 t2.我们证明 f (t) f (t0 ),其中 t0B .当 t [2, t0 ]时, t 4 [ 2, t0 4],f (t) f (t0 )(B t2 ) (B (t 4)2 ) (B (t0 4)2 ) t 2(t 4)2 (t 2(t 4)2 )(2t 20 0 0 8t0 ) (2t2 8t) 0(用到 2 tt0 及 y2x2 8x在[2,)上单调增).…………10 分当 t [t0 ,) 时,f (t) f (t0 )t2 B (t 4)2 B(t0 4)2 B t 2 t 20(t 4)2 (t 20 4)(t t0 ) tt0tt0 80(用到 tt04). …………15 分所以 Sf (t )B (t 4)20 08 B 16 8 5 16.当b0(①取到等号), at0 1 5 1时, S 取到最小值8 5 16.…………20 分解法 2:设 z 1 x y i, w 1 x y i (x, y R),不妨设其中 x 0.计算得z2 2w (x2 4x 1 y2 ) (2x 4)y i,w2 2z(x2 4x 1 y2 ) (2x 4)y i .所以SRe(z2 2w)Re(w2 2z)x2 4x 1 y2x2 4x 1 y2 .…………5 分利用 aba b ,可得S 8x,①亦有S2 x2 1 y22(1 x2y2 ) 2(1 x2 ).②…………10 分注意到方程8x2(1 x2 ) 的正根为 5 2.当 x5 2 时,由①得 S 8x 8 5 16.当0 x5 2时,由②得 S2(1 x2 ) 2(1 ( 5 2)2 )8 5 16.因此当 x5 2, y0时, S 取到最小值8 5 16. …………20 分解法 3:因为w = 2 z ,所以我们有z2 2(2 z)z2 2z 4z 1 5z 1 5 ;(2 z)2 2zz2 6z 4z 1 5z 1 5 .从而上两式最右边各项分别是 z 到复平面中实轴上的点 1 5 , 1+ 5 ,3 5 ,3+ 5 的距离,所以把 z = x + iy换成其实部 x时,都不会增大.因此只需考虑函数 f (x) = x2 + 2x4 + x26x + 4 在 R 上的最小值.…………10 分因为 1 5 51. 若 x ≤ 1 5 , 则 f (x) = 2x24x , 在 这 一 区 间 上 的 最 小 值 为f ( 1 5) =16+8 5 ;2.若 x∈( 1 5, 3 5,则 f (x) = 8x +8 ,在这一区间上的最小值为f (3 5) = 16+8 5 ;…………15 分3.若 x∈ 3 5, 1+ 5 ,则 f (x) = 2x2+ 4x ,在这一区间上的最小值为f (3 5 ) = f ( 1+ 5 ) = 16+8 5 ;4.若 x∈1+ 5, 3+ 5,则 f (x) = 8x 8 ,在这一区间上的最小值为f ( 1+ 5 ) = 16+8 5 ;5. 若 x ≥ 3+ 5 , 则 f (x) = 2x24x , 在 这 一 区 间 上 的 最 小 值 为f (3+ 5 ) =16+8 5 .综上所述,所求最小值为 f (3 5 ) = f ( 1+ 5 ) = 8 5 16.…………20 分6
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