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Padé approximant

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5330: 4472: 3966: 4779: 4986: 4212: 680: 4197: 425: 4607: 5316: 4803: 2984:
The conventional Padé approximation is determined to reproduce the Maclaurin expansion up to a given order. Therefore, the approximation at the value apart from the expansion point may be poor. This is avoided by the 2-point Padé approximation, which is a type of multipoint summation method. At
98:
The reason the Padé approximant tends to be a better approximation than a truncating Taylor series is clear from the viewpoint of the multi-point summation method. Since there are many cases in which the asymptotic expansion at infinity becomes 0 or a constant, it can be interpreted as the
5134: 3607:. There is a method of using this to give an approximate solution of a differential equation with high accuracy. Also, for the nontrivial zeros of the Riemann zeta function, the first nontrivial zero can be estimated with some accuracy from the asymptotic behavior on the real axis. 4038: 139: 2041: 3456:, where the accuracy of the approximation may be the worst in the ordinary Padé approximation, good accuracy of the 2-point Padé approximant is guaranteed. Therefore, the 2-point Padé approximant can be a method that gives a good approximation globally for 4467:{\displaystyle \exp(x)\approx {\frac {1+{\frac {1}{2}}x+{\frac {1}{9}}x^{2}+{\frac {1}{72}}x^{3}+{\frac {1}{1008}}x^{4}+{\frac {1}{30240}}x^{5}}{1-{\frac {1}{2}}x+{\frac {1}{9}}x^{2}-{\frac {1}{72}}x^{3}+{\frac {1}{1008}}x^{4}-{\frac {1}{30240}}x^{5}}}} 31: 5155: 441: 91:, though for sharp results ad hoc methods—in some sense inspired by the Padé theory—typically replace them. Since a Padé approximant is a rational function, an artificial singular point may occur as an approximation, but this can be avoided by 3339: 4589: 2730: 5001: 4774:{\displaystyle \mathrm {sn} (z|3)\approx {\frac {-{\frac {9851629}{283609260}}z^{5}-{\frac {572744}{4726821}}z^{3}+z}{1+{\frac {859490}{1575607}}z^{2}-{\frac {5922035}{56721852}}z^{4}+{\frac {62531591}{2977897230}}z^{6}}}} 3848: 4981:{\displaystyle J_{5}(x)\approx {\frac {-{\frac {107}{28416000}}x^{7}+{\frac {1}{3840}}x^{5}}{1+{\frac {151}{5550}}x^{2}+{\frac {1453}{3729600}}x^{4}+{\frac {1339}{358041600}}x^{6}+{\frac {2767}{120301977600}}x^{8}}}} 2493: 940: 3171: 1720: 1144: 1829: 1368: 2148: 446: 2244: 1506: 1226: 1785: 2402: 4192:{\displaystyle \sin(x)\approx {\frac {{\frac {12671}{4363920}}x^{5}-{\frac {2363}{18183}}x^{3}+x}{1+{\frac {445}{12122}}x^{2}+{\frac {601}{872784}}x^{4}+{\frac {121}{16662240}}x^{6}}}} 3685: 3547: 3399: 5675:
Introduction to multipoints summation method Modern applied mathematics that connects here and the infinite beyond: From Taylor expansion to application of differential equations
3238: 2839: 420:{\displaystyle R(x)={\frac {\sum _{j=0}^{m}a_{j}x^{j}}{1+\sum _{k=1}^{n}b_{k}x^{k}}}={\frac {a_{0}+a_{1}x+a_{2}x^{2}+\dots +a_{m}x^{m}}{1+b_{1}x+b_{2}x^{2}+\dots +b_{n}x^{n}}},} 2333: 3888: 4487: 3486: 2600: 3233: 3454: 3197: 2558: 3921: 2962: 1552: 1824: 1591: 3074: 1006: 2923: 3576: 3741: 2271: 3950: 3746: 3714: 3605: 3428: 3038: 1397: 796: 711: 5311:{\displaystyle C(x)\approx {\frac {1}{135}}\cdot {\frac {990791\pi ^{4}x^{9}-147189744\pi ^{2}x^{5}+8714684160x}{1749\pi ^{4}x^{8}+523536\pi ^{2}x^{4}+64553216}}} 3009: 767: 741: 675:{\displaystyle {\begin{aligned}f(0)&=R(0),\\f'(0)&=R'(0),\\f''(0)&=R''(0),\\&\mathrel {\;\vdots } \\f^{(m+n)}(0)&=R^{(m+n)}(0).\end{aligned}}} 2407: 801: 3079: 5965: 2335:
give the Padé approximant. If one were to compute all steps of the extended greatest common divisor computation, one would obtain an anti-diagonal of the
2869:
are known, one can approximately extract the critical points and the critical exponents from respectively the poles and residues of the Padé approximants
1607: 1032: 5348: 3430:
such that simultaneously reproduce asymptotic behavior by developing the Padé approximation can be found in various cases. As a result, at the point
5969: 1255: 5129:{\displaystyle \operatorname {erf} (x)\approx {\frac {2}{15{\sqrt {\pi }}}}\cdot {\frac {49140x+3570x^{3}+739x^{5}}{165x^{4}+1330x^{2}+3276}}} 5852: 5764: 5491: 3987: 2046: 5739: 2155: 1402: 5959: 5829: 1249: 2972:
A Padé approximant approximates a function in one variable. An approximant in two variables is called a Chisholm approximant (after
1159: 5689: 4013: 99:"incomplete two-point Padé approximation", in which the ordinary Padé approximation improves the method truncating a Taylor series. 5979: 5714: 2354: 3615:
A further extension of the 2-point Padé approximant is the multi-point Padé approximant. This method treats singularity points
5836: 3991: 1826:. For the Bézout identities of the extended greatest common divisor one computes simultaneously the two polynomial sequences 2750:
are the coefficients in the Padé approximation. The subscript '0' means that the Padé is of order and hence, we have the
6001: 1245: 88: 2036:{\displaystyle u_{0}=1,\;v_{0}=0,\quad u_{1}=0,\;v_{1}=1,\quad u_{k+1}=u_{k-1}-q_{k}u_{k},\;v_{k+1}=v_{k-1}-q_{k}v_{k}} 6011: 6006: 2762:
Padé approximants can be used to extract critical points and exponents of functions. In thermodynamics, if a function
3976: 3923:. As a result, since the information of the peculiarity of the function is captured, the approximation of a function 5898: 5844: 5796: 1022: 3995: 3980: 2498: 1731: 4593: 84: 3618: 958: 3494: 3346: 56:
agrees with the power series of the function it is approximating. The technique was developed around 1890 by
1509: 1026: 5454: 5363: 3716:
which is to be approximated. Consider the cases when singularities of a function are expressed with index
3549:
are expressed by polynomials or series of negative powers, exponential function, logarithmic function or
92: 5814: 2786: 2751: 5329: 2285: 3855: 5639: 5561: 5520: 5411: 5357: 3459: 3202: 64:, who introduced the idea and investigated the features of rational approximations of power series. 5459: 2976:), in multiple variables a Canterbury approximant (after Graves-Morris at the University of Kent). 2584: 1234: 3433: 3176: 5918: 5427: 5335: 3893: 80: 5486:. Progress in Theoretical Computer Science. Birkhäuser. Problem 5.2b and Algorithm 5.2 (p. 46). 1515: 1790: 1557: 5985: 5938: 5848: 5825: 5612: 5487: 3043: 2973: 72: 49: 2872: 5910: 5803: 5647: 5602: 5569: 5528: 5464: 5419: 5138: 3552: 2928: 2348: 1238: 3719: 3334:{\displaystyle f(x)\sim f_{\infty }(x)+o{\big (}f_{\infty }(x){\big )},\quad x\to \infty .} 2249: 4783: 3926: 3690: 3581: 3404: 3014: 1512:
of one step in the computation of the extended greatest common divisor of the polynomials
1373: 772: 687: 67:
The Padé approximant often gives better approximation of the function than truncating its
61: 5901:(1966), "Upon systems of recursions which obtain among the quotients of the Padé table", 2988: 746: 720: 5643: 5565: 5524: 5415: 4584:{\displaystyle \ln(1+x)\approx {\frac {x+{\frac {1}{2}}x^{2}}{1+x+{\frac {1}{6}}x^{2}}}} 2725:{\displaystyle \sum _{j=0}^{n}a_{j}\zeta _{R}(s-j)=\sum _{j=0}^{m}b_{j}\zeta _{0}(s-j),} 5955: 5607: 5590: 944:
When it exists, the Padé approximant is unique as a formal power series for the given
5995: 5941: 5922: 5821: 5768: 5743: 5718: 5693: 5651: 5630:
Graves-Morris, P.R.; Roberts, D.E. (1975). "Calculation of Canterbury approximants".
5468: 5402:
Wynn, Peter (Mar 1966). "On the Convergence and Stability of the Epsilon Algorithm".
5383: 5343: 2336: 1147: 714: 68: 57: 34: 5858: 53: 17: 3965: 2152:
For the approximant, one thus carries out the extended Euclidean algorithm for
76: 41: 30: 5574: 5549: 5325: 5616: 3843:{\displaystyle f(x)\sim {\frac {A_{j}}{(x-x_{j})^{n_{j}}}},\quad x\to x_{j}.} 5946: 5891:
Sur la répresentation approchée d'une fonction par des fractions rationelles
5360: – Theory of getting acceptably close inexact mathematical calculations 5883:
The Pade Table and Its Relation to Certain Algorithms of Numerical Analysis
5835:
Press, W. H.; Teukolsky, S. A.; Vetterling, W. T.; Flannery, B. P. (2007),
2404:
it can be useful to introduce the Padé or simply rational zeta function as
5673: 5445:
Brezenski, C. (1996). "Extrapolation algorithms and Padé approximations".
2488:{\displaystyle \zeta _{R}(s)=\sum _{z=1}^{\infty }{\frac {R(z)}{z^{s}}},} 1237:, and, hence, Padé approximants can also be applied to the summation of 27:'Best' approximation of a function by a rational function of given order 5914: 5431: 1596:
Recall that, to compute the greatest common divisor of two polynomials
935:{\displaystyle f(x)-R(x)=c_{m+n+1}x^{m+n+1}+c_{m+n+2}x^{m+n+2}+\cdots } 114: 75:. For these reasons Padé approximants are used extensively in computer 3166:{\displaystyle f\sim f_{0}(x)+o{\big (}f_{0}(x){\big )},\quad x\to 0,} 5533: 5508: 5484:
Polynomial and Matrix computations - Volume 1. Fundamental Algorithms
48:
is the "best" approximation of a function near a specific point by a
5423: 3852:
Besides the 2-point Padé approximant, which includes information at
5366: – Approximating an arbitrary function with a well-behaved one 1715:{\displaystyle r_{0}=p,\;r_{1}=q,\quad r_{k-1}=q_{k}r_{k}+r_{k+1},} 1139:{\displaystyle T_{N}(x)=c_{0}+c_{1}x+c_{2}x^{2}+\cdots +c_{N}x^{N}} 5894:, Thesis, [Ann. École Nor. (3), 9, 1892, pp. 1–93 supplement. 3890:, this method approximates to reduce the property of diverging at 29: 5973: 5875:
Ueber Relationen zwischen den Näherungsbrüchen von Potenzreihen
5807: 3959: 1333: 1363:{\displaystyle R(x)=P(x)/Q(x)=T_{m+n}(x){\bmod {x}}^{m+n+1}} 71:, and it may still work where the Taylor series does not 5591:"Rational approximants defined from double power series" 1604:, one computes via long division the remainder sequence 52:
of given order. Under this technique, the approximant's
5351: – formula to estimate sin(x), found by Bhaskara I 2597:
The functional equation for this Padé zeta function is
955:
The Padé approximant defined above is also denoted as
5158: 5004: 4806: 4610: 4490: 4215: 4041: 3929: 3896: 3858: 3749: 3722: 3693: 3621: 3584: 3555: 3497: 3462: 3436: 3407: 3349: 3241: 3205: 3179: 3082: 3046: 3017: 2991: 2931: 2875: 2789: 2603: 2501: 2410: 2357: 2288: 2252: 2158: 2049: 1832: 1793: 1734: 1610: 1560: 1518: 1405: 1376: 1258: 1162: 1035: 961: 804: 775: 749: 723: 690: 444: 142: 5353:
Pages displaying wikidata descriptions as a fallback
2143:{\displaystyle r_{k}(x)=u_{k}(x)p(x)+v_{k}(x)q(x).} 5988:for Padé approximation of models with time delays. 5841:Numerical Recipes: The Art of Scientific Computing 5310: 5128: 4980: 4773: 4583: 4466: 4191: 3944: 3915: 3882: 3842: 3735: 3708: 3679: 3599: 3570: 3541: 3480: 3448: 3422: 3393: 3333: 3227: 3191: 3165: 3068: 3032: 3003: 2956: 2917: 2833: 2724: 2552: 2487: 2396: 2327: 2265: 2239:{\displaystyle r_{0}=x^{m+n+1},\;r_{1}=T_{m+n}(x)} 2238: 2142: 2035: 1818: 1779: 1714: 1585: 1546: 1501:{\displaystyle P(x)=Q(x)T_{m+n}(x)+K(x)x^{m+n+1},} 1500: 1391: 1362: 1220: 1138: 1000: 934: 790: 761: 735: 705: 674: 419: 2863:. If sufficient terms of the series expansion of 1244:One way to compute a Padé approximant is via the 5885:, Vol. 14, No. 1, 1972, pp. 1–62. 2594:is taken to be the sum of the divergent series. 438:to the highest possible order, which amounts to 1221:{\displaystyle c_{k}={\frac {f^{(k)}(0)}{k!}}.} 1370:is equivalent to the existence of some factor 3310: 3284: 3142: 3116: 8: 5889: 5873: 1780:{\displaystyle \deg r_{k+1}<\deg r_{k}\,} 5966:Data Analysis BriefBook: Pade Approximation 3994:. Unsourced material may be challenged and 3578:, we can apply 2-point Padé approximant to 2773:behaves in a non-analytic way near a point 2043:to obtain in each step the Bézout identity 5982:, Scott Dattalo, last accessed 2010-11-11. 5818:Extrapolation Methods. Theory and Practice 3040:which is expressed by asymptotic behavior 2397:{\displaystyle \sum _{z=1}^{\infty }f(z),} 2308: 2197: 1974: 1892: 1852: 1630: 587: 5791:Baker, G. A., Jr.; and Graves-Morris, P. 5606: 5573: 5532: 5458: 5293: 5283: 5267: 5257: 5233: 5223: 5207: 5197: 5187: 5174: 5157: 5111: 5095: 5080: 5064: 5045: 5032: 5023: 5003: 4969: 4955: 4946: 4932: 4923: 4909: 4900: 4886: 4872: 4858: 4849: 4835: 4829: 4811: 4805: 4762: 4748: 4739: 4725: 4716: 4702: 4682: 4668: 4659: 4645: 4639: 4625: 4611: 4609: 4572: 4558: 4538: 4524: 4515: 4489: 4455: 4441: 4432: 4418: 4409: 4395: 4386: 4372: 4356: 4342: 4328: 4319: 4305: 4296: 4282: 4273: 4259: 4243: 4234: 4214: 4180: 4166: 4157: 4143: 4134: 4120: 4100: 4086: 4077: 4063: 4060: 4040: 4014:Learn how and when to remove this message 3928: 3907: 3895: 3857: 3831: 3806: 3801: 3791: 3771: 3765: 3748: 3727: 3721: 3692: 3680:{\displaystyle x=x_{j}(j=1,2,3,\dots ,N)} 3632: 3620: 3583: 3554: 3524: 3502: 3496: 3461: 3435: 3406: 3376: 3354: 3348: 3309: 3308: 3293: 3283: 3282: 3261: 3240: 3210: 3204: 3178: 3141: 3140: 3125: 3115: 3114: 3093: 3081: 3051: 3045: 3016: 2990: 2946: 2930: 2900: 2882: 2874: 2825: 2820: 2805: 2788: 2698: 2688: 2678: 2667: 2639: 2629: 2619: 2608: 2602: 2535: 2523: 2500: 2474: 2454: 2448: 2437: 2415: 2409: 2373: 2362: 2356: 2319: 2299: 2287: 2257: 2251: 2215: 2202: 2176: 2163: 2157: 2110: 2076: 2054: 2048: 2027: 2017: 1998: 1979: 1965: 1955: 1936: 1917: 1897: 1877: 1857: 1837: 1831: 1798: 1792: 1776: 1770: 1745: 1733: 1697: 1684: 1674: 1655: 1635: 1615: 1609: 1565: 1559: 1523: 1517: 1477: 1437: 1404: 1375: 1342: 1336: 1332: 1310: 1286: 1257: 1183: 1176: 1167: 1161: 1130: 1120: 1101: 1091: 1075: 1062: 1040: 1034: 980: 968: 960: 908: 886: 861: 839: 803: 774: 748: 722: 689: 638: 600: 586: 445: 443: 405: 395: 376: 366: 350: 332: 322: 303: 293: 277: 264: 257: 245: 235: 225: 214: 196: 186: 176: 165: 158: 141: 5970:European Laboratory for Particle Physics 5375: 5349:Bhaskara I's sine approximation formula 3952:can be performed with higher accuracy. 3542:{\displaystyle f_{0}(x),f_{\infty }(x)} 3394:{\displaystyle f_{0}(x),f_{\infty }(x)} 1021:, Padé approximants can be computed by 5878:, . Volume 1881, Issue 90, Pages 1–17. 2246:and stops it at the last instant that 7: 5667: 5665: 5663: 5661: 3992:adding citations to reliable sources 2857:the associated critical exponent of 1025:'s epsilon algorithm and also other 3343:By selecting the major behavior of 2560:is the Padé approximation of order 713:is expanded in a Maclaurin series ( 134:of order is the rational function 5960:The Wolfram Demonstrations Project 5404:SIAM Journal on Numerical Analysis 4615: 4612: 3877: 3525: 3475: 3443: 3377: 3325: 3294: 3262: 3211: 3186: 3011:, consider a case that a function 2834:{\displaystyle f(x)\sim |x-r|^{p}} 2449: 2374: 1250:polynomial greatest common divisor 25: 5608:10.1090/S0025-5718-1973-0382928-6 5482:Bini, Dario; Pan, Victor (1994). 3199:, additional asymptotic behavior 2328:{\displaystyle P=r_{k},\;Q=v_{k}} 5837:"Section 5.12 Padé Approximants" 5328: 3964: 3883:{\displaystyle x=0,x\to \infty } 1508:which can be interpreted as the 5632:Computer Physics Communications 3820: 3481:{\displaystyle x=0\sim \infty } 3318: 3150: 1912: 1872: 1650: 5740:"Padé approximant of log(1+x)" 5168: 5162: 5017: 5011: 4823: 4817: 4633: 4626: 4619: 4509: 4497: 4228: 4222: 4054: 4048: 3939: 3933: 3874: 3824: 3798: 3778: 3759: 3753: 3703: 3697: 3674: 3638: 3594: 3588: 3536: 3530: 3514: 3508: 3440: 3417: 3411: 3388: 3382: 3366: 3360: 3322: 3305: 3299: 3273: 3267: 3251: 3245: 3228:{\displaystyle f_{\infty }(x)} 3222: 3216: 3183: 3154: 3137: 3131: 3105: 3099: 3063: 3057: 3027: 3021: 2912: 2906: 2897: 2876: 2821: 2806: 2799: 2793: 2716: 2704: 2657: 2645: 2547: 2541: 2532: 2517: 2511: 2505: 2466: 2460: 2427: 2421: 2388: 2382: 2347:To study the resummation of a 2233: 2227: 2134: 2128: 2122: 2116: 2100: 2094: 2088: 2082: 2066: 2060: 1541: 1535: 1470: 1464: 1455: 1449: 1430: 1424: 1415: 1409: 1386: 1380: 1328: 1322: 1300: 1294: 1283: 1277: 1268: 1262: 1201: 1195: 1190: 1184: 1052: 1046: 992: 986: 977: 962: 829: 823: 814: 808: 785: 779: 700: 694: 662: 656: 651: 639: 624: 618: 613: 601: 573: 567: 549: 543: 525: 519: 501: 495: 477: 471: 458: 452: 152: 146: 79:. They have also been used as 1: 5765:"Padé approximant of sn(x|3)" 5447:Applied Numerical Mathematics 5715:"Padé approximant of exp(x)" 5690:"Padé approximant of sin(x)" 5652:10.1016/0010-4655(75)90068-5 5469:10.1016/0168-9274(95)00110-7 3611:Multi-point Padé approximant 3449:{\displaystyle x\to \infty } 3192:{\displaystyle x\to \infty } 2553:{\displaystyle R(x)=_{f}(x)} 1246:extended Euclidean algorithm 743:terms would equal the first 89:transcendental number theory 5589:Chisholm, J. S. R. (1973). 3916:{\displaystyle x\sim x_{j}} 2980:Two-points Padé approximant 6028: 5845:Cambridge University Press 5843:(3rd ed.), New York: 5595:Mathematics of Computation 2343:Riemann–Padé zeta function 1547:{\displaystyle T_{m+n}(x)} 5575:10.4249/scholarpedia.9756 5548:Baker, G. A. Jr. (2012). 1819:{\displaystyle r_{k+1}=0} 1586:{\displaystyle x^{m+n+1}} 85:Diophantine approximation 3401:, approximate functions 3069:{\displaystyle f_{0}(x)} 1027:sequence transformations 1001:{\displaystyle _{f}(x).} 2918:{\displaystyle _{g}(x)} 5890: 5874: 5364:Function approximation 5312: 5130: 4982: 4775: 4585: 4468: 4193: 3946: 3917: 3884: 3844: 3737: 3710: 3681: 3601: 3572: 3571:{\displaystyle x\ln x} 3543: 3482: 3450: 3424: 3395: 3335: 3229: 3193: 3167: 3070: 3034: 3005: 2958: 2957:{\displaystyle g=f'/f} 2919: 2835: 2726: 2683: 2624: 2554: 2489: 2453: 2398: 2378: 2329: 2267: 2240: 2144: 2037: 1820: 1781: 1716: 1587: 1548: 1502: 1393: 1364: 1222: 1140: 1029:from the partial sums 1002: 936: 792: 763: 737: 707: 676: 421: 230: 181: 37: 5903:Numerische Mathematik 5313: 5131: 4983: 4776: 4586: 4469: 4194: 3947: 3918: 3885: 3845: 3738: 3736:{\displaystyle n_{j}} 3711: 3682: 3602: 3573: 3544: 3483: 3451: 3425: 3396: 3336: 3230: 3194: 3168: 3071: 3035: 3006: 2959: 2920: 2851:a critical point and 2836: 2752:Riemann zeta function 2727: 2663: 2604: 2555: 2490: 2433: 2399: 2358: 2330: 2282:Then the polynomials 2268: 2266:{\displaystyle v_{k}} 2241: 2145: 2038: 1821: 1782: 1717: 1588: 1549: 1503: 1394: 1365: 1223: 1141: 1003: 937: 793: 764: 738: 708: 677: 422: 210: 161: 33: 5958:, Oleksandr Pavlyk, 5513:Computers in Physics 5507:Adler, Joan (1994). 5358:Approximation theory 5156: 5002: 4804: 4608: 4488: 4213: 4039: 3988:improve this section 3945:{\displaystyle f(x)} 3927: 3894: 3856: 3747: 3720: 3709:{\displaystyle f(x)} 3691: 3619: 3600:{\displaystyle f(x)} 3582: 3553: 3495: 3460: 3434: 3423:{\displaystyle F(x)} 3405: 3347: 3239: 3203: 3177: 3080: 3044: 3033:{\displaystyle f(x)} 3015: 2989: 2929: 2873: 2787: 2601: 2499: 2408: 2355: 2286: 2250: 2156: 2047: 1830: 1791: 1732: 1608: 1558: 1516: 1403: 1392:{\displaystyle K(x)} 1374: 1256: 1160: 1033: 959: 802: 791:{\displaystyle f(x)} 773: 747: 721: 706:{\displaystyle R(x)} 688: 442: 140: 6002:Continued fractions 5644:1975CoPhC..10..234G 5566:2012SchpJ...7.9756B 5525:1994ComPh...8..287A 5509:"Series expansions" 5416:1966SJNA....3...91W 3004:{\displaystyle x=0} 2585:zeta regularization 1235:formal power series 762:{\displaystyle m+n} 736:{\displaystyle m+n} 93:Borel–Padé analysis 81:auxiliary functions 60:, but goes back to 6012:Rational functions 6007:Numerical analysis 5968:, Rudolf K. 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Index

Padé approximation

Henri Padé
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