Cylindrical particle T-matrix notes.
Former-commit-id: c670cd97009e4035059f78f252c2f86ac9c37da6
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\begin_layout Title
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|
T-matrix of an axially symmetric particle
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\end_layout
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\begin_layout Standard
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|
So we have
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\begin_inset CommandInset citation
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LatexCommand cite
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after "(9.12)"
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key "kristensson_scattering_2016"
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literal "false"
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\end_inset
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|
:
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|
\begin_inset Formula
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\begin{align*}
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||||||
|
R_{nn'} & =ik^{2}\iint_{S_{s}}\left(\frac{\eta}{\eta_{1}}\wfkcreg_{n}\left(k\vect r\right)\times\wfkcreg_{\overline{n'}}\left(k\vect r\right)+\wfkcreg_{\overline{n'}}\left(k\vect r\right)\times\wfkcreg_{n}\left(k\vect r\right)\right)\cdot\uvec{\nu}\,\ud S,\\
|
||||||
|
Q_{nn'} & =ik^{2}\iint_{S_{s}}\left(\frac{\eta}{\eta_{1}}\wfkcout_{n}\left(k\vect r\right)\times\wfkcreg_{\overline{n'}}\left(k\vect r\right)+\wfkcout_{\overline{n'}}\left(k\vect r\right)\times\wfkcreg_{n}\left(k\vect r\right)\right)\cdot\uvec{\nu}\,\ud S,
|
||||||
|
\end{align*}
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_inset
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||||||
|
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||||||
|
where
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||||||
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\begin_inset Formula $S_{s}$
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|
\end_inset
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||||||
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is the scatterer surface and
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\begin_inset Formula $\uvec{\nu}$
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\end_inset
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is the outwards pointing unit normal to it; then
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||||||
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\begin_inset Formula
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\[
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T_{nn'}=-\sum_{n''}R_{nn''}Q_{n''n}^{-1}.
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|
\]
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||||||
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|
\end_inset
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||||||
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||||||
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\end_layout
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\begin_layout Standard
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Let us consider the case with full rotational symmetry around the
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\begin_inset Formula $z$
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|
\end_inset
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axis and parametrise the integral in terms of polar angle
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\begin_inset Formula $\theta$
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|
\end_inset
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.
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||||||
|
Let
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\begin_inset Formula $\beta$
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\end_inset
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be the angle between the surface normal
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\begin_inset Formula $\uvec{\nu}$
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|
\end_inset
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||||||
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and the coordinate radial direction
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\begin_inset Formula $\uvec r$
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||||||
|
\end_inset
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||||||
|
.
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||||||
|
The infinitesimal surface area element is then
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||||||
|
\begin_inset Formula
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||||||
|
\[
|
||||||
|
\ud S\left(\theta\right)=\frac{\left(r\left(\theta\right)\right)^{2}\sin\theta}{\cos\beta\left(\theta\right)}\ud\theta\,\ud\phi
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||||||
|
\]
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
and the surface normal in local coordinates
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||||||
|
\begin_inset Formula
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||||||
|
\[
|
||||||
|
\uvec{\nu}\left(\theta\right)=\uvec r\cos\beta\left(\theta\right)+\uvec{\theta}\sin\beta\left(\theta\right),
|
||||||
|
\]
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_inset
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||||||
|
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||||||
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which also sets a convention for the sign of
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\begin_inset Formula $\beta$
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\end_inset
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|
.
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|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Standard
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|
For fully axially symmetric particles the integrals vanish for
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\begin_inset Formula $m\ne-m'$
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||||||
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\end_inset
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due to the
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\begin_inset Formula $e^{i\left(m+m'\right)}$
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\end_inset
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|
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|
asimuthal factor in the integrand.
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\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Standard
|
||||||
|
\begin_inset Float figure
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placement document
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alignment document
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wide false
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sideways false
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status open
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\begin_layout Plain Layout
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\align center
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\begin_inset Graphics
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filename cylinder.png
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lyxscale 30
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\end_inset
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\end_layout
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\begin_layout Plain Layout
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\begin_inset Caption Standard
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\begin_layout Plain Layout
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|
Parametrisation of cylindrical particle surface.
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\end_layout
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\end_inset
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\end_layout
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|
\begin_layout Plain Layout
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\end_layout
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\end_inset
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|
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\end_layout
|
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|
\begin_layout Standard
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|
For cylindrical particle of radius
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\begin_inset Formula $R$
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\end_inset
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||||||
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and height
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\begin_inset Formula $h$
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\end_inset
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, we can divide the parametrisation into three intervals
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|
\begin_inset Formula $\left(0,\theta_{1}\right),\left(\theta_{1},\theta_{2}\right),\left(\theta_{2},\pi\right)$
|
||||||
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\end_inset
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||||||
|
|
||||||
|
where
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||||||
|
\begin_inset Formula $\theta_{1}=\tan^{-1}\left(2R/h\right),\theta_{2}=\pi-\tan^{-1}\left(2R/h\right)$
|
||||||
|
\end_inset
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||||||
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|
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|
:
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\end_layout
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||||||
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||||||
|
\begin_layout Enumerate
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In the first section,
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\begin_inset Formula $0<\theta<\theta_{1}$
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\end_inset
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,
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\begin_inset Formula
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\begin{align*}
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||||||
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r & =\frac{h}{2\cos\theta},\\
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|
\beta & =-\theta.
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\end{align*}
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\end_inset
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||||||
|
|
||||||
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\end_layout
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|
|
||||||
|
\begin_layout Enumerate
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||||||
|
In the second section,
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\begin_inset Formula $\theta_{1}<\theta<\theta_{2}$
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|
\end_inset
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|
|
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|
,
|
||||||
|
\begin_inset Formula
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|
\begin{align*}
|
||||||
|
r & =\frac{R}{\cos\left(\theta-\pi/2\right)}=\frac{R}{\sin\theta},\\
|
||||||
|
\beta & =-\theta+\pi/2.
|
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|
\end{align*}
|
||||||
|
|
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|
\end_inset
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|
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||||||
|
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Enumerate
|
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|
In the third section,
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|
\begin_inset Formula $\theta_{2}<\theta<\pi$
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
,
|
||||||
|
\begin_inset Formula
|
||||||
|
\begin{align*}
|
||||||
|
r & =\frac{h}{2\cos\left(\theta-\pi\right)}=-\frac{h}{2\cos\theta},\\
|
||||||
|
\beta & =-\theta+\pi.
|
||||||
|
\end{align*}
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Standard
|
||||||
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\begin_inset CommandInset bibtex
|
||||||
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LatexCommand bibtex
|
||||||
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btprint "btPrintCited"
|
||||||
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bibfiles "Electrodynamics"
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options "plain"
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encoding "default"
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||||||
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|
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\end_inset
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|
||||||
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||||||
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\end_layout
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\begin_layout Standard
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\begin_inset FormulaMacro
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\end_inset
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||||||
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\begin_inset FormulaMacro
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\newcommand{\abs}[1]{\left|#1\right|}
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\end_inset
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|
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|
||||||
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\begin_inset FormulaMacro
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\newcommand{\vect}[1]{\mathbf{#1}}
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\end_inset
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||||||
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\begin_inset FormulaMacro
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\newcommand{\uvec}[1]{\hat{\mathbf{#1}}}
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\end_inset
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||||||
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\end_layout
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|
||||||
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\begin_layout Standard
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\begin_inset FormulaMacro
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||||||
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\newcommand{\vsh}{\vect A}
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||||||
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\end_inset
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||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
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\begin_inset FormulaMacro
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||||||
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\newcommand{\vshD}{\vect{A'}}
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\end_inset
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|
||||||
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|
||||||
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\begin_inset FormulaMacro
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||||||
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\newcommand{\wfkc}{\vect y}
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||||||
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\end_inset
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||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
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\begin_inset FormulaMacro
|
||||||
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\newcommand{\wfkcout}{\vect u}
|
||||||
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\end_inset
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||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
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\begin_inset FormulaMacro
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\newcommand{\wfkcreg}{\vect v}
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||||||
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\end_inset
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||||||
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|
||||||
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|
||||||
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\begin_inset FormulaMacro
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\newcommand{\wckcreg}{a}
|
||||||
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\end_inset
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||||||
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\begin_inset FormulaMacro
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\newcommand{\wckcout}{f}
|
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\end_inset
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||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
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\end_layout
|
||||||
|
|
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