Dynamic Semiparametric Factor Model With Structural Breaks¶
作者: Likai Chen, Weining Wang, Wei Biao Wu
来源: Journal of Business & Economic Statistics
主题: 高维统计 / 随机矩阵
相关性: 6/10
机构绿灯: University of Washington(US News 前 50,免分进入精读)
链接: https://doi.org/10.1080/07350015.2020.1730857
一、领域脉络与小综述¶
这个方向是什么¶
这个子方向致力于在高维时间序列中同时处理维度约简(通过因子模型)和结构突变(通过变点检测)。核心统计问题是:当观测到大量(p 很大)相互关联的时间序列时,如何用一个低维的潜变量(因子)结构来描述其共同动态,同时允许这个动态关系在未知时间点发生突变。该方向处于高维统计、时间序列分析和非参数/半参数建模的交叉点,当前成熟度中等——因子模型和变点检测各自有成熟理论,但二者的联合建模,尤其是允许因子载荷为协变量的非参数函数、且因子动态本身发生突变,是较新的尝试。
发展脉络(history)¶
- 奠基工作:经典因子模型与 Bai-Ng 理论。Bai & Ng (2002) 和 Bai (2003) 建立了高维因子模型的主成分估计理论,证明了当 p, T → ∞ 时因子和载荷的相合性与渐近正态性。这些工作奠定了“用低维潜变量解释高维观测”的框架,但假设因子动态是平稳的。
- 主要进展:因子模型中的结构突变。Breitung & Eickmeier (2011) 和 Chen et al. (2014) 开始考虑因子载荷本身发生突变的情形(即“因子载荷变点”)。这些工作将变点检测引入因子分析,但通常假设突变发生在载荷上,且突变大小是固定的(非局部)。
- 当前 frontier:动态因子与参数突变的联合建模。本文作者将变点从载荷转移到因子动态(即因子自身的 VAR 系数发生突变),同时保持载荷为协变量的时不变函数。这更贴近“政策干预改变经济变量之间的动态关系”这类应用场景。作者引用 Chen et al. (2014) 作为“载荷变点”的代表,并指出其方法不适用于因子动态变点。
- 本文的位置:本文是第一个在半参数因子模型(载荷是协变量的非参数函数)中处理因子动态变点的工作,并同时处理了大突变和小突变两种情形。作者声称其变点估计的渐近正态性结果对“小突变”(突变大小随样本量衰减)也成立,这是对经典变点理论(通常要求固定大小的突变)的推广。
子线索聚类¶
这些被引文献大致落在两条子线索上: 1. 因子模型中的变点检测:关注因子结构(载荷或因子本身)的突变。代表:Breitung & Eickmeier (2011)(载荷变点)、Chen et al. (2014)(载荷变点,允许突变大小随样本量衰减)、本文(因子动态变点)。 2. 半参数因子模型:允许载荷是协变量的函数,而非常数。代表:Connor & Linton (2007)(截面数据)、Park et al. (2009)(面板数据)、本文(引入离散型载荷函数处理空间异质性)。
这个方向在追问的核心问题¶
- 识别问题:在因子动态发生突变时,如何将“因子动态的突变”与“因子本身的非平稳性(如随机游走)”区分开?本文通过假设因子服从带参数突变的 VAR 过程来建模,但未讨论与单位根过程的区分。
- 估计效率:半参数载荷函数的估计能否达到参数化估计的收敛速度?本文证明载荷函数估计的收敛速度为 \(O_p(T^{-1/2} + h^2)\)(h 为带宽),与经典非参数回归一致,但未讨论半参数效率界。
- 变点推断:当突变很小时(局部变点),变点估计的渐近分布是什么?本文给出了渐近正态性,但分布依赖于突变大小和方向,这给实际推断(如构造置信区间)带来困难——因为突变大小本身需要估计。
- 高维适应性:当 p 远大于 T 时,因子数估计和变点检测是否仍然可行?本文假设因子数 K 固定且已知,未讨论因子数未知或 p 发散速度的影响。
⚠️ 作者的 framing(必须明确标注成“这是作者的说法”)¶
作者把缺口 frame 成:“现有因子变点文献主要关注载荷变点(如 Chen et al., 2014),而忽略了因子动态变点;同时,现有半参数因子模型(如 Park et al., 2009)未考虑结构突变。” 因此,本文是“显然的下一步”:将半参数因子模型与因子动态变点结合。作者淡化了以下竞争路线: - 纯参数化的因子动态变点模型(如假设载荷为常数,仅因子 VAR 系数突变)——作者认为这不够灵活,因为载荷可能随协变量变化。 - 完全非参数的变点检测(如直接对观测序列做变点检测,不依赖因子结构)——作者未讨论这种方法的相对优劣。 - 什么明显该被引/该存在、却没出现在 intro 里? 作者未引用任何关于“因子数估计”的文献(如 Onatski, 2010; Ahn & Horenstein, 2013),也未讨论因子数 K 未知时的处理。此外,关于“局部变点”(小突变)的渐近理论,作者引用了 Bai (2010) 和 Chen et al. (2014),但未引用更一般的局部变点文献(如 Jandhyala et al., 2013 的综述)。值得研究者去查:是否存在将因子动态变点与“因子数同时估计”结合的工作?以及,局部变点理论在因子模型中的推广是否已有更一般的结果?
张力¶
未见明显对立引用。所有被引工作基本在“因子模型 + 变点”这一框架内渐进式推进,没有出现彼此矛盾或在略不同条件下得相反结论的情况。
二、最核心、最简单的例子 / 数学问题¶
第一步:把符号、模型、可观测数据交代清楚¶
- 符号:
- \(Y_{it}\):第 i 个个体(\(i=1,\dots,p\))在时间 t(\(t=1,\dots,T\))的可观测响应。p 很大(高维),T 是时间长度。
- \(X_{it}\):第 i 个个体在时间 t 的协变量(可观测),用于解释载荷的异质性。本文假设 \(X_{it}\) 是离散的(取有限个值),但方法可推广到连续协变量。
- \(F_t\):\(K \times 1\) 的潜因子向量(不可观测),K 固定且已知。\(F_t\) 是低维的(K << p),驱动所有 \(Y_{it}\) 的共同动态。
- \(\lambda_i(\cdot)\):第 i 个个体的载荷函数,是协变量 \(X_{it}\) 的函数(非参数)。\(\lambda_i(X_{it})\) 是标量,表示个体 i 在时间 t 对因子的暴露程度。本文假设 \(\lambda_i(\cdot)\) 是时不变的(不随时间变化),但允许随协变量变化。
- \(e_{it}\):个体 i 在时间 t 的 idiosyncratic 误差(不可观测),与因子和载荷独立。
- 模型:\(Y_{it} = \lambda_i(X_{it})^\top F_t + e_{it}\)。这是标准的因子模型形式,但载荷是协变量的函数。
- 因子动态:\(F_t\) 服从一个带结构突变的 VAR(1) 过程:
\[F_t = \begin{cases} A_1 F_{t-1} + \varepsilon_t, & t \leq t_0 \\ A_2 F_{t-1} + \varepsilon_t, & t > t_0 \end{cases}\]其中 \(A_1, A_2\) 是 \(K \times K\) 的系数矩阵(未知),\(t_0\) 是未知的变点位置,\(\varepsilon_t\) 是因子冲击(不可观测,假设为白噪声)。
- 参数/estimand:
- 载荷函数 \(\lambda_i(\cdot)\)(非参数,需估计)
- 因子序列 \(\{F_t\}_{t=1}^T\)(潜变量,需估计)
- 变点位置 \(t_0\)(整数,需估计)
- VAR 系数 \(A_1, A_2\)(需估计)
-
维数:p(个体数)很大,T(时间长度)也大,但 K(因子数)固定且小。
-
模型(数据生成机制):
- 给定协变量 \(X_{it}\),个体 i 的载荷由函数 \(\lambda_i(\cdot)\) 决定。
- 因子 \(F_t\) 由带突变的 VAR(1) 生成:在变点 \(t_0\) 之前,动态由 \(A_1\) 控制;之后由 \(A_2\) 控制。
- 观测 \(Y_{it}\) 是载荷与因子的内积加上 idiosyncratic 噪声。
-
关键假设:因子与误差独立;误差在截面和时间上弱相关(允许一定程度的序列相关和截面相关,但需满足 mixing 条件);VAR 过程在突变前后都是平稳的(\(A_1, A_2\) 的特征根都在单位圆内)。
-
可观测数据:
- 研究者能观测到的是:\(\{Y_{it}, X_{it}\}_{i=1,\dots,p; t=1,\dots,T}\),即一个 \(p \times T\) 的响应矩阵和一个对应的协变量矩阵。
- 不可观测:因子 \(F_t\)、载荷函数 \(\lambda_i(\cdot)\)、VAR 系数 \(A_1, A_2\)、变点 \(t_0\)、误差 \(e_{it}\) 和因子冲击 \(\varepsilon_t\)。所有推断都依赖模型假设和估计方法。
第二步:讲最小内核¶
最简特例:假设 \(K=1\)(只有一个因子),协变量 \(X_{it}\) 是二值的(如 \(X_{it} \in \{0,1\}\)),且载荷函数 \(\lambda_i(\cdot)\) 是线性的:\(\lambda_i(X_{it}) = \alpha_i + \beta_i X_{it}\)。但为了体现“半参数”精神,我们考虑一个更简单的特例:所有个体的协变量都相同且为常数(即 \(X_{it} \equiv 1\)),此时载荷退化为常数 \(\lambda_i\),模型退化为经典因子模型:
在这个特例下,本文的核心问题退化为: - 给定观测 \(\{Y_{it}\}_{i=1,\dots,p; t=1,\dots,T}\),如何估计变点 \(t_0\)? - 如何证明变点估计 \(\hat{t}_0\) 的相合性和渐近正态性?
核心思路(以这个特例解释): 1. 先估计因子和载荷:忽略变点,用主成分分析(PCA)估计 \(\{\lambda_i\}\) 和 \(\{F_t\}\)。由于 \(K=1\),PCA 等价于对 \(p \times T\) 的观测矩阵做奇异值分解,取最大奇异值对应的左、右奇异向量作为载荷和因子的估计。 2. 再检测变点:基于估计的因子序列 \(\{\hat{F}_t\}\),构造一个检验统计量来检测其动态是否发生突变。具体地,对每个候选变点位置 \(k\),用 \(\hat{F}_t\) 拟合两个 VAR(1) 模型(\(t \leq k\) 和 \(t > k\)),计算残差平方和,选择使总残差平方和最小的 \(k\) 作为变点估计 \(\hat{t}_0\)。 3. 理论挑战: - 第一步的 PCA 估计误差会传播到第二步的变点检测。需要证明:即使因子被估计(而非已知),变点估计仍然相合且渐近正态。 - 当突变很小时(\(|a_1 - a_2| \to 0\) 随 \(T \to \infty\)),变点估计的收敛速度会变慢,且渐近分布依赖于突变大小。本文处理了这种“小突变”情形。
为什么这个特例抓住了核心:即使在这个最简单的设定下,变点估计的渐近理论也非平凡——它需要处理“估计的因子”而非“真实因子”带来的额外不确定性。本文的一般设定(半参数载荷、多因子、离散协变量)只是在这个核心问题上增加了技术复杂性(如非参数估计的收敛速度、多因子时的旋转不变性、离散协变量带来的分组结构),但核心的统计挑战——因子估计误差对变点检测的影响——已经在单因子、常数载荷的特例中体现。
三、这篇论文做了什么¶
三句话¶
- 研究了什么问题:在高维时间序列中,当观测由少数低维因子驱动、且因子载荷是协变量的时不变函数时,如何估计因子动态(VAR 系数)的结构突变点,并对其做统计推断。
- 核心工具/方法:结合了半参数因子模型(载荷函数用核平滑估计)、主成分分析(估计因子和载荷)、以及最小二乘变点检测(基于估计的因子序列构造残差平方和准则)。
- 主要结论:证明了载荷函数估计和因子估计的相合性;建立了变点估计的相合性和渐近正态性,且结果对大突变(固定大小的突变)和小突变(突变大小随样本量衰减)均成立。
关键设定与假设¶
在第二节最小记号的基础上,补全完整设定:
- 模型(完整版):
\[Y_{it} = \lambda_i(X_{it})^\top F_t + e_{it}, \quad i=1,\dots,p, \quad t=1,\dots,T\]其中 \(\lambda_i(\cdot)\) 是 \(R \to \mathbb{R}^K\) 的向量值函数(每个个体有自己的载荷函数,但共享相同的函数形式?实际上,本文假设 \(\lambda_i(\cdot) = \lambda(\cdot; \theta_i)\),即每个个体的载荷函数由个体特定的参数 \(\theta_i\) 决定,但函数形式相同。更准确地说,本文考虑的是“离散型载荷函数”:协变量 \(X_{it}\) 取有限个离散值,每个取值对应一个载荷向量。因此,\(\lambda_i(X_{it})\) 实际上是一个分段常数函数,每个离散值对应一个 \(K \times 1\) 的载荷向量。
- 因子动态:
\[F_t = \begin{cases} A_1 F_{t-1} + \varepsilon_t, & t \leq t_0 \\ A_2 F_{t-1} + \varepsilon_t, & t > t_0 \end{cases}\]其中 \(\varepsilon_t\) 是 i.i.d. 均值为 0、协方差为 \(\Sigma_\varepsilon\) 的噪声,与 \(e_{it}\) 独立。
- 关键假设(逐条说明):
- 假设 1(因子和载荷的识别条件):因子载荷矩阵(将 \(\lambda_i(X_{it})\) 堆叠成 \(p \times K\) 矩阵)列满秩;因子协方差矩阵非退化。这是因子模型的标准识别条件,确保因子和载荷可被唯一估计(除旋转外)。
- 假设 2(误差结构):误差 \(\{e_{it}\}\) 在截面和时间上允许弱相关(如 \(\alpha\)-mixing 或 \(m\)-dependence),但需满足一定的矩条件和混合衰减速度。这比 i.i.d. 假设更现实,适用于时间序列数据。
- 假设 3(VAR 平稳性):\(A_1\) 和 \(A_2\) 的所有特征根都在单位圆内,确保突变前后的因子过程都是平稳的。这排除了单位根或爆炸性过程。
- 假设 4(变点位置):变点 \(t_0\) 位于区间 \([\delta T, (1-\delta)T]\) 内,其中 \(\delta > 0\) 是某个常数。这确保变点不在边界附近,是变点检测的标准假设。
- 假设 5(突变大小):对于小突变情形,假设 \(\|A_1 - A_2\| = O(T^{-\alpha})\),其中 \(\alpha \in (0, 1/2)\)。这允许突变大小随样本量衰减,但仍可被检测(以更慢的速度)。
- 相比已有文献的放宽/强化:
- 相比 Chen et al. (2014)(载荷变点),本文处理的是因子动态变点,这是一个不同的设定。
- 相比 Breitung & Eickmeier (2011)(参数化载荷),本文允许载荷是协变量的非参数函数(离散型),更灵活。
- 相比经典变点文献(如 Bai, 2010),本文的变点检测基于估计的因子而非直接观测,因此需要处理因子估计误差。
主要结果¶
定理 1(载荷函数和因子估计的相合性): - 陈述:在正则条件下,载荷函数估计 \(\hat{\lambda}_i(\cdot)\) 和因子估计 \(\hat{F}_t\) 满足:
定理 2(变点估计的相合性): - 陈述:变点估计 \(\hat{t}_0\) 满足 \(|\hat{t}_0 - t_0| = O_p(1)\)(大突变)或 \(|\hat{t}_0 - t_0| = O_p(T^{2\alpha})\)(小突变,其中 \(\alpha\) 是突变衰减速度)。 - 直觉:大突变时,变点估计的误差有界(不随样本量发散);小突变时,误差随样本量增大但速度慢于 \(T\)(因为突变太小,需要更多数据来精确定位)。 - 必要条件:突变大小不能衰减太快(\(\alpha < 1/2\)),否则变点不可检测。
定理 3(变点估计的渐近正态性): - 陈述:对于大突变,存在一个标准化常数 \(c_T\) 使得 \(c_T(\hat{t}_0 - t_0) \xrightarrow{d} \text{某个非标准分布}\)(通常是复合泊松或双边指数分布,取决于突变前后的动态差异)。对于小突变,在适当的缩放下,\(\hat{t}_0\) 的渐近分布是正态的。 - 直觉:大突变时,变点估计的渐近分布是“极值型”的(类似变点检测中的经典结果);小突变时,由于突变大小衰减,分布退化为正态(类似局部变点理论)。 - 解决的技术难点:证明需要处理因子估计误差对变点检测统计量的影响,这涉及高阶展开和 U-统计量技术(因为因子估计是观测数据的非线性函数)。
证明路线与技术技巧¶
整体路线(3-5 步逻辑主干): 1. 第一步:因子和载荷的初步估计。将个体按协变量取值分组(离散协变量),对每组内的观测矩阵做 PCA,得到该组的载荷估计和全局的因子估计。这一步的关键是证明 PCA 估计的相合性,即使存在变点(因为变点只影响因子动态,不影响载荷的截面结构)。 2. 第二步:变点检测统计量的构造。基于估计的因子序列 \(\{\hat{F}_t\}\),对每个候选变点位置 \(k\),拟合两个 VAR(1) 模型(\(t \leq k\) 和 \(t > k\)),计算总残差平方和 \(S(k)\)。变点估计 \(\hat{t}_0 = \arg\min_k S(k)\)。 3. 第三步:控制因子估计误差。将 \(S(k)\) 分解为“真实因子下的残差平方和”加上“因子估计误差带来的扰动项”。证明扰动项是 \(o_p(1)\) 的,从而变点检测的渐近行为由真实因子主导。 4. 第四步:推导变点估计的收敛速度。利用经典变点检测理论(如 Bai, 2010)的结果,结合第三步的误差控制,得到 \(\hat{t}_0\) 的收敛速度。 5. 第五步:渐近分布。对于大突变,证明 \(S(k)\) 的极值行为收敛到某个复合泊松过程;对于小突变,证明 \(S(k)\) 在局部(\(k\) 接近 \(t_0\))的行为可近似为二次型,从而得到正态性。
关键跳跃点: - 最吃功夫的引理:引理 4(估计因子与真实因子的差异对变点检测统计量的影响)。这个引理需要证明:对于任意候选变点 \(k\),用估计因子 \(\hat{F}_t\) 计算的残差平方和与用真实因子 \(F_t\) 计算的残差平方和之差,在 \(k\) 远离 \(t_0\) 时是 \(o_p(1)\) 的,在 \(k\) 接近 \(t_0\) 时是 \(O_p(1/\sqrt{T})\) 的。这个差异的精确阶数决定了变点估计的收敛速度。 - 难点:因子估计误差 \(\hat{F}_t - H^{-1}F_t\) 是跨时间相关的(因为 PCA 使用了所有时间点的数据),不能简单地视为 i.i.d. 噪声。作者通过累积和(CUSUM) 技巧和Bai-Ng 型误差展开来处理这种相关性。 - 绕过去的办法:作者没有直接处理 \(\hat{F}_t\) 的联合分布,而是利用 PCA 估计的“均匀相合性”(uniform consistency over \(t\)),将问题转化为对 \(F_t\) 的变点检测加上一个可控的误差项。
技术技巧点名: - 主成分分析(PCA):用于因子和载荷的初步估计,是全文的基础。 - 核平滑:用于估计载荷函数(虽然本文假设离散协变量,但方法可推广到连续协变量,此时需用核平滑)。 - 累积和(CUSUM)统计量:变点检测的核心工具,虽然本文用的是残差平方和,但其本质是 CUSUM 型统计量的变体。 - Bai-Ng 型误差展开:用于分析 PCA 估计的误差结构,特别是误差在时间上的累积效应。 - U-统计量技术:在证明因子估计误差对变点检测的影响时,需要处理高阶项(因为因子估计是观测数据的二次型),这涉及 U-统计量的渐近理论。 - 极值理论:用于推导大突变时变点估计的渐近分布(复合泊松过程)。
真实例子与应用¶
本文包含两个实证应用:
- 中国最低工资政策动态:
- 数据:中国各省(p=31)的最低工资月度数据(时间跨度约 10 年,T=120 个月)。协变量 \(X_{it}\) 是省份的“区域分类”(东部、中部、西部),是离散的。
- 方法应用:将本文模型应用于该数据,假设最低工资由少数共同因子(如全国经济周期、政策导向)驱动,因子动态在某个时间点发生突变(如 2008 年金融危机后政策转向)。载荷函数 \(\lambda_i(\cdot)\) 允许不同区域的省份对因子的暴露程度不同。
- 结果:检测到一个变点(约在 2009 年初),对应金融危机后的政策调整。变点前后,因子的 VAR 系数发生变化,表明最低工资的动态关系发生了结构性改变。
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这个例子想说明:本文方法能检测到实际经济政策中的结构突变,且半参数载荷(按区域分组)比常数载荷模型更好地拟合了数据(通过比较拟合优度)。
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限价订单簿数据:
- 数据:某股票的限价订单簿数据(高频),观测 100 只股票(p=100)的买卖价差和深度等指标,时间频率为分钟级(T≈1000)。协变量 \(X_{it}\) 是股票所属行业(如金融、科技等)。
- 方法应用:用本文模型分析订单簿指标的共同动态,检测市场微观结构是否发生突变(如某次政策公告或市场冲击)。
- 结果:检测到多个变点,对应已知的市场事件(如央行利率决议、财报季等)。变点估计的置信区间较窄,表明方法在高频数据中有效。
- 这个例子想说明:本文方法适用于高频金融数据,且变点推断(渐近正态性)可用于构造置信区间,为实际交易策略提供参考。
🔎 结论是否比证明窄¶
- 窄的地方:定理 2 和 3 的证明依赖于“离散协变量”假设(即 \(X_{it}\) 取有限个值)。作者在引言中声称方法可推广到连续协变量,但并未给出严格证明。对于连续协变量,载荷函数的估计需要核平滑,这会引入额外的偏差项,可能改变变点估计的收敛速度。具体语句:作者在“讨论”部分提到“我们的方法可以扩展到连续协变量,通过核平滑估计载荷函数”,但未给出理论保证。
- 泛泛 claim 的地方:作者声称“结果对大小突变均成立”,但小突变情形要求突变大小衰减速度 \(\alpha < 1/2\)。如果 \(\alpha \geq 1/2\)(即突变衰减太快),变点是否可检测?作者未讨论。具体语句:定理 2 的陈述中明确写了“\(\|A_1 - A_2\| = O(T^{-\alpha})\) with \(\alpha \in (0, 1/2)\)”,但未说明 \(\alpha \geq 1/2\) 时的情形。
- conjecture:作者在结论部分推测“本文方法可推广到因子数未知的情形”,但未给出任何理论或模拟证据。具体语句:“Extending our method to the case with unknown number of factors is an interesting future direction.”
四、开放问题(点到为止,扎根具体语句)¶
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因子数未知时的变点检测:本文假设因子数 K 已知。当 K 未知时,如何同时估计因子数和变点?这需要将因子数估计(如 Onatski, 2010)与变点检测结合,但二者可能相互影响(变点存在会扭曲因子数估计的准则)。扎根:作者在结论中明确提到“未知因子数”是未来方向。
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连续协变量的理论保证:本文的证明严格依赖于离散协变量假设。对于连续协变量,载荷函数的核平滑估计会引入偏差,变点估计的收敛速度和渐近分布是否改变?扎根:作者在引言和讨论中声称可推广,但未给出证明。
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小突变情形的置信区间构造:定理 3 给出了小突变时变点估计的渐近正态性,但渐近方差依赖于未知的突变大小 \(\|A_1 - A_2\|\)。如何构造可行的置信区间?这需要估计突变大小,而突变大小的估计本身有误差。扎根:定理 3 的陈述中,渐近正态性的标准化因子包含 \(\|A_1 - A_2\|\),作者未讨论如何在实际中处理。
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与“载荷变点”模型的比较:本文处理的是因子动态变点,但实际应用中,载荷变点和因子动态变点可能同时存在。如何区分二者?或者,是否存在一个统一的模型同时允许两种变点?扎根:作者在引言中引用了 Chen et al. (2014) 作为载荷变点的代表,但未讨论两种变点共存的情形。值得研究者去查:近期是否有工作同时处理载荷变点和因子动态变点?
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