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Quantile restrictions, revealed rankings, and the limits of multinomial choice

作者: Tatiana Komarova
主题: 经济理论 / 应用
相关性: 7/10
链接: https://arxiv.org/abs/2608.16708


一、领域脉络与小综述

这个方向是什么

本文研究的核心问题是:在半参数离散选择模型中,能否仅通过观察到的选择概率来唯一地推断出确定性效用指数(deterministic utility indices)之间的排序(ranking)。具体来说,给定一个包含 \(J\) 个选项的多项选择模型,每个选项 \(j\) 的效用为 \(U_j = x_j \beta_j + \varepsilon_j\),其中 \(x_j \beta_j\) 是确定性部分,\(\varepsilon_j\) 是不可观测的随机项。研究者能观测到的是协变量 \(x\) 和选择概率 \(P(Y=j|x)\)。核心问题是:是否存在一个从概率单纯形(probability simplex)到排序空间的映射,使得每个可观测的概率向量唯一对应一个排序?这个方向当前处于理论深化与边界刻画的阶段,即从经典的、条件严苛的基准模型(如Manski 1975)出发,系统地探索当放松关键假设(如效用最大化、不可观测项的可交换性)时,排序恢复的性质会如何变化、在什么条件下会失效。

发展脉络(history)

  1. 奠基工作:Manski (1975, 1985, 1988)

    • Manski (1975) 建立了多项选择模型的经典基准。在条件独立同分布(i.i.d.)的不可观测项假设下,他证明了著名的秩序性质(rank order property):\(P(Y=j|x) \ge P(Y=k|x) \iff x_j \beta_j \ge x_k \beta_k\)。这等价于在概率单纯形中,由 \(p_j = p_k\) 定义的超平面将空间划分为 \(J!\) 个区域,每个区域对应一个完整的排序。这是本文的“中位数”基准。
    • Manski (1985, 1988) 将二元选择模型推广到半参数设定,引入了条件中位数限制 \(Med(\varepsilon|x)=0\) 和更一般的分位数限制 \(Q_\tau(\varepsilon|x)=0\)。这给出了一个简单的概率阈值规则:\(P(Y=1|x) \ge (\le) 1-\tau \iff x\beta \ge (\le) 0\)。这个规则将一维概率单纯形划分为两个区域,分别对应两种可能的排序。本文的核心问题就是探索这个规则能否推广到多项选择。
  2. 主要进展:放松假设与探索边界

    • Goeree et al. (2005) 和 Fox (2007) 指出,Manski (1975) 的秩序性质实际上只需要条件可交换性(conditional exchangeability)而非完整的 i.i.d. 假设。Fox (2007) 进一步研究了存在未观测到的随机考虑集(unobserved random consideration sets)时的秩序恢复问题。他的结果通过施加依赖于协变量的考虑概率限制,使得模型仍然保留了 Manski 的秩序性质。本文指出,Fox (2007) 的假设在二元选择中强制模型保留了经典的中位数阈值。
    • Barseghyan et al. (2021) 研究了具有异质性风险偏好和未观测考虑集的离散选择模型。他们引入了条件版的 Manski 秩序性质,并指出有限考虑可以违反该性质。其早期工作论文 Barseghyan et al. (2019) 研究的随机考虑水平(RCL)模型,通过施加一个强对称性限制(所有大小相同的考虑集等可能),保留了条件秩序性质。本文指出,RCL 的对称性是本文所刻画的“平衡限制”(balance restrictions)的一个特例。
    • Matzkin (1993) 研究了多项选择模型的非参数识别,允许灵活的确定性效用函数和弱的分布限制,但保留了 Manski (1975) 经典的成对排序几何结构。
  3. 当前前沿与本文位置

    • 当前的前沿是系统地研究当行为偏离(如有限注意)或分布偏离(如不可观测项的非可交换性)时,排序恢复的性质。本文是这一前沿的系统性理论贡献。它首次刻画了在有限注意模型下,支持分布稳健的线性排序恢复的注意概率的平衡条件,并证明了当这些条件不满足时,排序模糊性(ranking ambiguity)必然出现。同时,本文也阐明了在非可交换不可观测项下,分布稳健的全局排序划分一般不存在,但通过固定分布(Structural environment)仍可恢复排序。

子线索聚类

  1. 行为路径(Behavioral Route):这条线索保持不可观测项的条件可交换性,但允许决策规则偏离效用最大化。核心模型是有限注意(limited attention)或考虑集(consideration sets)。该路径下的关键问题是:什么样的注意概率结构能保证排序恢复?本文的贡献在于刻画了“平衡条件”(Theorem 4, 7, 8),并指出当条件不满足时,排序模糊性会出现。
  2. 分布路径(Distributional Route):这条线索保持标准的效用最大化,但允许不可观测项的联合分布是非可交换的(non-exchangeable)。核心问题是:非可交换性如何影响排序恢复?本文的结论是,在行为环境层面,一般不存在分布稳健的全局排序划分(Proposition 3);但在结构环境层面,通过固定分布并施加共同位置-尺度结构,仍可恢复排序(Theorem 6)。
  3. 排序恢复的稳健性层级:本文自身引入的一个元线索,区分了行为环境(Behavioral environment,结果对分布稳健)和结构环境(Structural environment,结果依赖于固定的分布)。这个框架本身就是一个贡献,它澄清了不同结论的适用范围和稳健性。

这个方向在追问的核心问题

  1. 排序恢复的充分必要条件是什么? 在什么条件下,一个可观测的概率向量唯一对应一个排序?本文在行为路径下给出了线性划分的充分必要条件(Theorem 4, 7)。
  2. 排序模糊性(Ranking Ambiguity)何时发生? 当不同排序生成的概率向量重叠时,排序恢复失败。本文刻画了在有限注意下,当注意概率的平衡条件不满足时,这种模糊性必然发生。
  3. 分布稳健性(Distribution Robustness)的代价是什么? 一个“quantile”多项选择模型要求排序划分对不可观测项的分布是稳健的。本文表明,这种稳健性在多项选择中需要非常强的条件(如注意概率的平衡条件),否则只能退而求其次,在固定分布下恢复排序。
  4. 二元选择与多项选择的根本不对称性是什么? 二元选择中,一个简单的概率阈值就能恢复排序,且该阈值可由多种行为或分布路径产生。本文的核心洞见是,这种简单规则无法直接推广到多项选择,因为多个比较维度之间的相互作用会产生排序模糊性。

⚠️ 作者的 framing

作者将缺口 frame 成:“Manski (1975) 的秩序性质是多项选择的‘中位数’基准,那么它的‘分位数’版本是什么?在什么条件下存在?” 作者通过区分行为路径和分布路径,系统地回答了这个问题。

  • 被淡化或回避的竞争路线:

    • 非参数识别方法:作者引用了 Matzkin (1993),但将其定位为“保留了经典的成对排序几何结构”,从而将其与本文探索的“几何结构可能被打破”的设定区分开。作者没有深入讨论 Matzkin 方法的非参数灵活性与本文半参数设定之间的优劣。
    • 完全参数化模型:作者完全没有讨论参数化(如 Logit, Probit)模型。在这些模型中,排序恢复是自动的(因为模型结构完全指定了映射),但代价是更强的分布假设。作者通过回避参数化模型,强化了其“在半参数框架下探索排序恢复边界”的叙事。
    • 考虑集的内生性:作者明确假设考虑集的形成是外生的(独立于 \(x, \varepsilon\),Assumption 3)。这回避了考虑集内生性这一更复杂但更现实的问题。作者在引言中引用了 Masatlioglu et al. (2012) 等关于“揭示注意”(revealed attention)的文献,但指出本文的目标不同——不是识别注意概率本身,而是给定注意结构后,研究排序信息。
  • 明显该被引/该存在、却没出现在 intro 里:

    • 没有发现明显缺失的关键引用。论文的引用覆盖了离散选择、半参数、考虑集等核心文献。一个可能的补充是随机效用模型(RUM)的识别理论的更广泛文献,但作者已经引用了 Manski (1975) 和 Matzkin (1993),这已经足够。

张力

未见明显对立引用。论文引用的工作之间是互补的,而非矛盾的。例如,Fox (2007) 和 Barseghyan et al. (2021) 都在探索有限注意下的排序问题,但施加了不同的限制条件,而本文则提供了一个更一般的框架来统一和推广这些结果。

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:

    • \(J\): 选项个数。
    • \(Y \in \{1, \dots, J\}\): 被选择的选项,是随机变量。
    • \(x\): 协变量向量,可以是 \(J\) 个选项的协变量 \(x_1, \dots, x_J\) 的并集。
    • \(\beta = (\beta_1^\top, \dots, \beta_J^\top)^\top\): 待估的参数向量。
    • \(U_j = x_j \beta_j + \varepsilon_j\): 选项 \(j\) 的潜在效用(latent utility),是随机变量。\(x_j \beta_j\) 是确定性效用指数(deterministic utility index),是参数(estimand)。\(\varepsilon_j\) 是不可观测的随机项。
    • \(P(Y=j|x)\): 给定协变量 \(x\) 时,选择选项 \(j\) 的条件选择概率,是可观测数据的分布特征。
    • \(\Delta_{J-1} = \{p = (p_1, \dots, p_J): \sum_{j=1}^J p_j = 1, p_j \ge 0\}\): \((J-1)\)-维概率单纯形,选择概率向量位于其中。
    • \(\pi^* = (\pi^*_1, \dots, \pi^*_J)\): 当所有确定性效用指数相等时(完全无差异),选择概率向量的基准点。在 Manski (1975) 中,\(\pi^* = (1/J, \dots, 1/J)\)。
    • \(x_j \beta_j \ge x_k \beta_k\): 确定性效用指数的排序,是研究者想要推断的目标。
  • 模型:

    • 这是一个半参数离散选择模型。数据生成机制是:给定协变量 \(x\),个体根据某种决策规则(如效用最大化、有限注意)从 \(J\) 个选项中做出选择 \(Y\)。选择概率 \(P(Y=j|x)\) 由潜在效用 \(U_j\) 的分布和决策规则共同决定。
    • 模型的半参数性体现在:对不可观测项 \(\varepsilon = (\varepsilon_1, \dots, \varepsilon_J)\) 的联合分布 \(F_\varepsilon\) 只施加弱假设(如可交换性、绝对连续性、凸支撑),而不指定其参数形式。
    • 要估计的对象是 \(\beta\),或者更具体地说,是确定性效用指数之间的排序(即 \(x_j \beta_j\) 的相对大小)。
  • 可观测数据:

    • 研究者能观测到的是:协变量 \(x\) 和选择结果 \(Y\) 的样本。由此可以估计出条件选择概率 \(P(Y=j|x)\)。
    • 不可观测的是:潜在效用 \(U_j\) 和随机项 \(\varepsilon_j\)。排序 \(x_j \beta_j \ge x_k \beta_k\) 也是未知的、需要推断的目标。
    • 关键识别问题是:如何从可观测的 \(P(Y=j|x)\) 推断出不可观测的排序?这需要依赖对决策规则和 \(\varepsilon\) 分布的假设。

第二步:讲最小内核

本文的最小内核是二元选择(\(J=2\))情况下的分位数限制(quantile restriction)。整篇论文的核心思路可以看作是:将这个二元情况下的简单规则(一个概率阈值划分排序)推广到多项选择,并揭示推广的困难和条件。

最简特例:二元选择下的分位数模型

  • 设定:\(J=2\),选项为 0 和 1。潜在效用为 \(U_1 = x_1\beta_1 + \varepsilon_1\), \(U_0 = x_0\beta_0 + \varepsilon_0\)。定义 \(x\beta = x_1\beta_1 - x_0\beta_0\),\(\varepsilon = \varepsilon_1 - \varepsilon_0\)。模型为 \(Y = 1\{x\beta + \varepsilon \ge 0\}\)。
  • 核心假设:条件分位数限制 \(Q_\tau(\varepsilon|x) = 0\)。这意味着给定 \(x\),\(\varepsilon\) 的 \(\tau\) 分位数为 0。当 \(\tau = 1/2\) 时,就是中位数限制。
  • 核心结论:在这个假设下,选择概率 \(P(Y=1|x)\) 和确定性效用指数 \(x\beta\) 的符号之间存在一个简单的一一对应关系:
    \[P(Y=1|x) \ge (\le) 1-\tau \iff x\beta \ge (\le) 0.\]
  • 几何解释:一维概率单纯形 \(\Delta_1 = \{p_0 + p_1 = 1, p_1 \in [0,1]\}\) 被一个阈值 \(1-\tau\) 划分为两个区域:\(p_1 \ge 1-\tau\) 对应 \(x\beta \ge 0\)(选项 1 的效用更高),\(p_1 \le 1-\tau\) 对应 \(x\beta \le 0\)(选项 0 的效用更高)。
  • 为什么这是最小内核:
    1. 核心问题:这个特例完美体现了论文的核心问题——用概率阈值来揭示排序。
    2. 推广的起点:论文试图回答,当 \(J>2\) 时,是否存在类似的“分位数”划分?即,能否将概率单纯形 \(\Delta_{J-1}\) 划分为 \(J!\) 个区域,每个区域对应一个完整的排序?
    3. 困难的根源:在二元选择中,只有一个比较维度(\(x\beta\) 的符号),因此一个阈值就足够了。在多项选择中,有 \(J(J-1)/2\) 个成对比较,这些比较会相互影响,导致不同排序的概率向量可能重叠。这就是排序模糊性的根源。
    4. 论文的贡献:论文后续的所有工作,都是在探索为了克服这种模糊性,需要施加什么样的额外结构(行为上的或分布上的)。例如,在有限注意下,需要注意概率满足“平衡条件”;在非可交换分布下,需要固定分布并施加位置-尺度结构。

因此,读者只要理解了二元选择下的分位数模型,就抓住了整篇论文的核心数学问题:如何将一个一维的、简单的概率阈值规则,推广到一个高维的、复杂的概率单纯形划分问题,并理解这个推广的固有局限。

三、这篇论文做了什么

三句话

  1. 研究了什么问题:在半参数离散选择模型中,当从二元选择扩展到多项选择时,选择概率能否以及在何种条件下唯一地揭示确定性效用指数的排序(即“quantile”多项选择模型是否存在)。
  2. 核心工具/方法:通过区分行为路径(有限注意)和分布路径(非可交换不可观测项),以及行为环境(分布稳健)和结构环境(固定分布)两个分析层级,利用概率单纯形的几何划分、矩阵秩条件、拓扑嵌入等工具,系统地刻画了排序恢复的充分必要条件及其失效的边界。
  3. 主要结论:在行为路径下,有限注意的“平衡条件”是分布稳健的线性排序划分的充分必要条件;当条件不满足时,排序模糊性必然出现。在分布路径下,分布稳健的全局排序划分一般不存在,但通过固定分布并施加共同位置-尺度结构,仍可通过一个非线性的单射映射恢复排序。这揭示了二元选择与多项选择之间的根本不对称性。

关键设定与假设

  • Assumption 1 (二元选择下的可交换性):\((\varepsilon_1, \varepsilon_0)|x\) 具有可交换的 copula 和相同的边际分布。这比 Manski (1975) 的 i.i.d. 假设更弱,允许条件相关。
  • Assumption 2 (多项选择下的可交换性):\(\varepsilon|x\) 的联合分布是可交换的(exchangeable)、绝对连续的,且支撑为凸集且内部非空。这是 Manski (1975) 秩序性质成立的关键。
  • Assumption 3-5 (有限注意模型):
    • Assumption 3:考虑集的形成独立于 \((x, \varepsilon)\)(外生性)。
    • Assumption 4:空集概率为0,且每个选项至少属于一个活跃的考虑集。
    • Assumption 5:在给定的考虑集内,个体遵循标准随机效用最大化。
  • 共同位置-尺度结构(用于 Structural environment 结果):\(\varepsilon_j = \mu(x) + s(x) \tilde{\varepsilon}_j\),其中 \(s(x) > 0\),\(\tilde{\varepsilon}\) 独立于 \(x\)。这个假设将不可观测项随 \(x\) 的变化简化为一个共同的位置和尺度变换,使得选择概率只依赖于标准化的效用指数差 \(d_\beta(x) = (x_j\beta_j - x_1\beta_1)/s(x)\)。

与已有文献相比,本文的假设在行为路径上放宽了 Fox (2007) 和 Barseghyan et al. (2019) 中对注意概率的特定限制,允许更一般的非对称注意结构。在分布路径上,本文放松了 Manski (1975) 的可交换性假设,允许非可交换的 copula。

主要结果

  • Theorem 1 (二元选择的一般定理):为二元选择下的分位数表示 \(P(Y=1|x) \ge (\le) 1-\tau \iff x\beta \ge (\le) 0\) 提供了行为基础。它给出了两个充分必要条件:(1) 当 \(U_1 \ge U_0\) 时选择1的概率大于当 \(U_0 > U_1\) 时选择1的概率(单调性);(2) 这两个条件概率之和为 \(2(1-\tau)\)(平衡条件)。这个定理表明,分位数阈值可以源于有限注意等行为偏离,而不仅仅是分布假设。
  • Theorem 4 (三项选择的线性划分):对于 \(J=3\) 的有限注意模型,定义了矩阵 \(C_{k_1,k_2}\)。核心结论是:当且仅当 \(\text{rank}(C_{k_1,k_2}) < 2\) 时,在行为环境层面存在一个线性超平面来划分排序 \(k_1\) 和 \(k_2\)。这个条件等价于注意概率的“平衡条件”(例如,\(\gamma_{\{k_1,k_3\}} = \gamma_{\{k_2,k_3\}}\))。当秩为2时,线性划分失败,排序模糊性出现。
  • Theorem 5 & 6 (结构环境下的共同划分):在有限注意模型(Theorem 5)和标准效用最大化模型(Theorem 6)中,如果施加共同位置-尺度结构,那么从标准化效用指数差 \(d\) 到选择概率的映射 \(\Psi\) 是一个拓扑嵌入(topological embedding)。这意味着 \(\Psi\) 是单射且连续的,其逆映射也是连续的。因此,对于固定的结构环境,每个可观测的概率向量唯一地决定了 \(d\),从而唯一地决定了所有成对排序。这个映射 \(\Psi\) 是非线性的,但它为结构环境提供了一个共同的排序划分。

证明路线与技术技巧

以 Theorem 4 为例(三项选择,行为环境,线性划分的充分必要条件):

  • 整体路线:
    1. 写出选择概率表达式:在有限注意模型下,将 \(P(Y=j|x)\) 表示为各考虑集概率 \(\gamma_A\) 和条件选择概率 \(q^A_j(x)\) 的加权和。
    2. 聚焦于成对无差异情形:设 \(x_{k_1}\beta_{k_1} = x_{k_2}\beta_{k_2}\),并令 \(a(x) = -x_{k_1}\beta_{k_1} + x_{k_3}\beta_{k_3}\)。此时,\(P(Y=k_1|x)\) 和 \(P(Y=k_2|x)\) 可以表示为两个未知函数 \(G_{2,x}(0, a(x))\) 和 \(G_{1,x}(a(x))\) 的线性组合。这两个函数分别代表二元和单变量的条件分布函数。
    3. 构建线性系统:将 \(P(Y=k_1|x)\) 和 \(P(Y=k_2|x)\) 的表达式写成矩阵形式,系数矩阵就是 \(C_{k_1,k_2}\)。
    4. 分析矩阵秩:
      • 充分性(秩<2):如果矩阵秩为0或1,则两个方程线性相关,可以消去未知函数 \(G\),得到一个仅涉及 \(p_{k_1}\) 和 \(p_{k_2}\) 的线性关系。这个线性关系定义了无差异集 \(I_{k_1,k_2}\)。通过单调性论证,可以证明这个线性关系的符号与 \(x_{k_1}\beta_{k_1} - x_{k_2}\beta_{k_2}\) 的符号一致。
      • 必要性(秩=2):假设存在一个线性划分。通过分析该线性划分在 \(a(x)\) 取极端值(趋近于正负无穷)时的行为,利用分布函数的极限性质,可以推导出矛盾,从而证明矩阵秩必须小于2。
  • 关键跳跃点:从“存在线性划分”推导出“矩阵秩<2”的必要性证明。这个证明巧妙地利用了“行为环境”要求划分对所有可交换分布都成立的性质。通过构造一个特定的 \(x\)-不变的可交换分布,并让 \(a(x)\) 取极端值,迫使线性划分的系数必须满足一组方程,最终导出矛盾。这需要用到Möbius反演(Möbius inversion)技巧来处理子集求和问题(在 Theorem 7 的证明中)。
  • 技术技巧点名:
    • 矩阵秩条件:核心工具,用于刻画线性依赖关系。
    • Möbius反演:在 Theorem 7 的证明中,用于从累积子集和的条件反推出单个系数的条件。
    • 不变域定理(Invariance of Domain):在 Theorem 5 和 6 的证明中,用于证明映射 \(\Psi\) 是拓扑嵌入。
    • Copula理论:在分布路径的讨论和附录C中,用于构造非可交换的分布。

真实例子与应用

本文为纯理论论文,无实证例子。但包含丰富的模拟/图示例子来阐明理论结果: * Figure 1:展示了 Manski (1975) 基准下,三项选择概率单纯形被划分为6个锥形区域。 * Figure 2:展示了两种不同的有限注意结构下,可行概率集 \(\Delta^{B,\cup\beta}_2\) 的形状和线性划分的几何形状。左图展示了三个成对比较的线性分隔线都经过 \(\pi^*\) 并将空间划分为6个区域;右图展示了当某些考虑集概率为0时,可行集退化为一个带状区域。 * Figure 3:展示了在结构环境下,当注意概率不满足平衡条件时,无差异集 \(I_{1,2}\) 是一条非线性曲线。左图展示了该曲线的斜率比随 \(a\) 变化;右图展示了对于不同的不可观测项分布(平滑置换-高斯混合、i.i.d. 正态、双尺度高斯混合),该曲线的形状也不同。这个例子直观地说明了为什么在行为环境层面无法得到统一的线性划分。 * Figure 4:展示了在分布路径下,对于三种不同的非可交换三元正态分布,无差异曲线 \(I_{1,2}\) 的形状也不同。这说明了即使固定了 copula 和边际分布,只要分布随 \(x\) 变化,排序恢复也可能失败。

这些例子旨在验证理论(如线性划分的存在条件、非线性曲线的形状)和展示相对基准的差异(如有限注意如何改变可行集和划分几何)。

🔎 结论是否比证明窄

论文的结论与证明是匹配的,没有发现泛泛 claim 的情况。作者非常严谨地区分了不同层级(Behavioral vs. Structural environment)和不同范围(uniform vs. fixed \(\beta\))的结论。例如,Theorem 4 的结论明确限定在“行为环境”和“均匀于 \(\beta\)”的范围内。对于 \(J \ge 4\) 的情况,Theorem 7 和 8 给出了更一般的线性分隔符,但作者明确指出这些结果依赖于更复杂的条件,并且 Theorem 7 的“必要性”部分依赖于“足够丰富的联合指数差异变化”这一额外条件。论文的结论是精确且自洽的。

四、开放问题

  1. 更一般的非线性划分:论文在行为环境层面刻画了线性划分的充分必要条件。当线性划分失败时,是否存在非线性的、但仍然是分布稳健的全局排序划分?这扎根于 Theorem 4 的结论:当 \(\text{rank}(C_{k_1,k_2})=2\) 时,线性划分失败,但论文并未完全排除非线性划分的可能性。
  2. 内生考虑集:论文假设考虑集是外生的(Assumption 3)。一个重要的开放问题是,当考虑集的形成内生地依赖于效用或协变量时,排序恢复的性质会如何变化?这扎根于论文对 Assumption 3 的明确设定,以及作者在引言中与 Masatlioglu et al. (2012) 等内生注意文献的对比。
  3. 实证规范层面的分析:论文在理论上区分了行为环境、结构环境和实证规范(empirical specification)三个层级,但只在前两个层级进行了理论分析。作者明确指出实证规范层面需要“逐案分析”。一个开放问题是,对于给定的、有限支撑的协变量分布,排序恢复的充分必要条件是什么?这扎根于论文 Section 3.3 中对实证规范层级的定义和回避。
  4. 必要性条件的可检验性:Theorem 4 和 7 中的“平衡条件”(如 \(\gamma_{\{k_1,k_3\}} = \gamma_{\{k_2,k_3\}}\))是理论上的充分必要条件。一个实际的问题是,这些条件是否可以从观测数据中检验?例如,能否构造一个统计检验来判断数据是否与某个满足平衡条件的有限注意模型一致?这扎根于论文对“必要性”的证明,该证明依赖于“足够丰富的联合指数差异变化”,这在实际数据中可能不成立,从而为检验提供了可能。

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