Asignatura: Matemática IV.
SAIA “D”.
Profesora: Marleny Carrero de Parra Alumno: Valentino Raffaele Crocetta. C:I: 10.144.294. Julio de 2013.
Índice Índice………………………………………………………………..……………..2. Introducción…………………………………… Introducción……………… …………………………………..………… ……………..…………………3. ………3. Descripción del Proyecto de Aplicación…………………………….4. Objetivo General………………………………………… General…………………………………………………………… …………………...4. ...4. Objetivos Específicos………………… Específicos………………………………………… ……………………………………..4. ……………..4. Antecedentes…………………….……………………………..……………...5 . Definición de Series de Fourier………………………..………………. Fourier………………………..……………….9. Teorema de Dirichlet…………………… Dirichlet………………………………. …………..……………………..10 .
Forma compacta de la serie de Fourier……….……..…………..1 1. Forma exponencial de la serie de Fourier…………...………….1 1. Formulación moderna de serie de Fourier……..……….………12. Definición de Transformada de Fourier………..………… Fourier………..…………...……13. Propiedades básicas de d e Fourier…………..………………….……...14. Interpretación geométrica de Fourier…………….………….…..17. Transformada de Laplace…………………………………. Laplace…………………………………..…………..17. Propiedades de la transformada de Laplace……….…..……..18.
Tabla de las transformadas de Laplace más comunes......19. Anexos……………………….….……………………………… .……….…..….21.
Conclusiones……………….……………………………… .….…..…….……25. Bibliografía……………………….…………………….….….………..……. .29. 2
Introducción El presente proyecto de aplicación ha sido realizado con la finalidad de demostrar nuestros conocimientos de acuerdo al aprendizaje adquirido en la asignatura de Matemática IV, en lo referente a la aplicación e importancia de La transformada de Laplace y Series de Fourier en la Ingeniería de Telecomunicaciones. También sirve de aporte como material de apoyo para otros estudiantes o material de consulta para quien lo requiera. Los números complejos son una herramienta básica de cálculo. Son especialmente útiles para trabajar con funciones sinusoidales, y por eso se hace uso constante de ellos siempre que representamos una señal electromagnética por medio de dichas funciones, y no hay que olvidar que ese es el propósito básico de los Métodos de Fourier. La Transformada de Fourier Discreta, es una herramienta fundamental en el tratamiento digital de señales, ésta toma valores complejos. Las transformadas de Fourier y de Laplace son funciones complejas. La transformada z, al igual que otras transformadas de uso frecuente, se definen como una serie de números complejos. La funció n exponencial compleja desempeña un papel fundamental en el estudio de los sistemas LTI (sistemas lineales invariantes en el tiempo) y también en la teoría de las ecuaciones diferenciales lineales. La meta de todo esto, es aprender acerca del diseño de sistemas de Telecomunicaciones, donde todos los métodos son concernientes a encontrar la salida de un sistema para una entrada determinada. La convolución puede ser pensada como un método de fuerza bruta para lograr esto, mientras que los otros métodos convierten la señal desde el dominio del tiempo, al dominio de la frecuencia, donde calcular la salida es mucho más fácil.
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Descripción del Proyecto de Aplicación: Este proyecto nos permite permite implementar implementar un sistema de gestión de señales señales destinado a ofrecer un control de calidad eficaz, de manera que, de una entrada de señales a un circuito determinado, se obtenga la salida requerida con la calidad determinada.
Objetivo General: El objetivo general de este proyecto, es demostrar la aplicación de y la importancia de La transformada de Laplace y Series de Fourier en el campo de la Ingeniería en Telecomunicaciones.
Objetivos Específicos: Estudiar y comprender el tema de la Transformada de Laplace y las series de Fourier como herramienta esencial en el control y manejo de señales, especialmente en el control de calidad de los procesos procesos que comprenden el campo de la Ingeniería de las Telecomunicaciones. Demostrar el por qué se hace necesario controlar los sistemas de Telecomunicaciones y por qué es tan importante el control de calidad del funcionamiento de dicho sistema. Ilustrar las diversas aplicaciones de acuerdo a los casos o tipos de sistemas de Telecomunicaciones en los cuales se requiere calcular las características de las señales requeridas para que el funcionamiento de dicho sistema cumpla con los objetivos y la calidad que se desea.
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Antecedentes: Pierre Simon Laplace, nació el 28 de marzo de 1749 en París, falleció el 5 de marzo de 1827; Fue un astrónomo, físico y matemático francés que inventó y desarrolló la transformada de Laplace y la ecuación de Laplace. Expuso una teoría sobre la formación del Sol y del sistema solar a partir de una nebulosa o remolino de polvo y gas. Esta "Hipótesis nebular" permanece en nuestros días como el fundamento básico de toda la teoría de la formación estelar. La transformada de Laplace recibe su nombre en honor del matemático francés Pierre Simon Laplace, que la presentó dentro de su teoría de la probabilidad. En 1744, Leonhard Euler había investigado un conjunto de integrales de la forma:
Como soluciones de ecuaciones diferenciales, pero no profundizó en ellas y pronto abandonó su investigación. Joseph Louis Lagrange, admirador de Euler, también investigó ese tipo de integrales, y las ligó a la teoría de la probabilidad en un trabajo sobre funciones de densidad de probabilidad de la forma:
Que algunos historiadores interpretan como auténticas transformadas de Laplace. Este tipo de integrales atrajeron la atención de Laplace cuando, en 1782, y siguiendo la idea de Euler, trató de emplear estas integrales como soluciones de Ecuaciones diferenciales. Parece ser que en 1785 dio un paso más allá, y reenfocó el problema para en vez de usar las integrales como soluciones, aplicarlas a las ecuaciones 5
dando lugar a las transformadas de Laplace tal y como hoy en día se entienden. Usó una integral de la forma:
Análoga a la transformada de Mellin, con la que transformó una ecuación diferencial en una ecuación algebraica, de la que buscó su solución. Planteó alguna de las principales propiedades de su transformada, y de alguna forma reconoció que el método de Joseph Fourier para resolver por medio de series de Fourier la ecuación de difusión podría relacionarse con su transformada integral para un espacio finito con soluciones periódicas. Pese al logro, las transformadas de Laplace, pronto cayeron en un relativo olvido, al haber sido presentadas en el campo de la probabilidad, y ser tratadas sobre todo como objetos matemáticos meramente teóricos. La moderna aplicación de las transformadas de Laplace y toda su teoría subyacente surge en realidad en la segunda mitad del siglo XIX. Al tratar de resolver ecuaciones diferenciales relacionadas con la teoría de vibraciones, el ingeniero inglés Oliver Heaviside (1850-1925) descubrió que los operadores diferenciales podían tratarse analíticamente como variables algebraicas. De acuerdo con el "cálculo operacional", si se tiene una ecuación diferencial de la forma:
Donde D es el operador diferencial, esto es, dicha ecuación es de la forma:
entonces la solución general a
Heaviside observó que si se trataba al operador D como una variable algebraica, era posible alcanzar igualmente la solución de toda ecuación pareja a la de arriba. En efecto, según la solución general, se cumple que:
Entonces, si se considera una ecuación diferencial de segundo orden como la siguiente:
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Esta puede reescribirse en para resaltar el operador D como:
Heaviside propuso despejar y y tratar a D algebraicamente, en cuyo caso se tendría que:
Sustituyendo las fracciones en D por la expresión integral de las mismas arriba presentada, se llega a la solución de la ecuación diferencial:
Heaviside publicó sus resultados, cuya utilidad a la hora de resolver ecuaciones de la física y la ingeniería hizo que pronto se extendieran. Sin embargo, el trabajo de Heaviside, formal y poco riguroso, atrajo las críticas de algunos matemáticos puristas que los rechazaron, argumentando que los resultados de Heaviside, no podían surgir de tal forma. No obstante, el éxito del método hizo que pronto fuera adoptado por ingenieros y físicos de todo el mundo, de manera que, al final atrajo la atención de cierto número de matemáticos, tratando de justificar el método de manera rigurosa. Tras varias décadas de intentos, se descubrió que la Transformada descubierta por Laplace hacía un siglo no sólo ofrecía un fundamento teórico al método de cálculo operacional de Heaviside, sino que además ofrecía una alternativa mucho más sistemática a tales métodos. En general, la transformada es adecuada para resolver sistemas de ecuaciones diferenciales lineales con condiciones iniciales en el origen. Una de sus ventajas más significativas radica en que la integración y derivación se convierten en multiplicación y división. Esto transforma las ecuaciones diferenciales e integrales en ecuaciones polinómicas, mucho más fáciles de resolver. Hacia principios del siglo XX, la transformada de Laplace se convirtió en una herramienta común de la teoría de vibraciones y de la teoría de circuitos, dos de los campos donde ha sido aplicada con más éxito. De tal manera que, el estudio de la transformada de Laplace, se hace indispensable en el campo de la ingeniería de Telecomunicaciones.
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Jean Baptiste Joseph Fourier, nació el 21 de marzo de 1768 en Auxerre, falleció el 16 de mayo de 1830 en París; Fue un matemático y físico francés conocido por sus trabajos sobre la descomposición de funciones periódicas en series trigonométricas convergentes llamadas Series de Fourier, método con el cual consiguió resolver la ecuación del calor. La transformada de Fourier recibe su nombre en su honor. Fue el primero en dar una explicación científica al efecto invernadero. Se le dedicó un asteroide que lleva su nombre y que fue descubierto en 1992. Una serie de Fourier es una serie infinita que converge puntualmente a una función periódica y continua a trozos (o por partes). Las series de Fourier constituyen la herramienta matemática básica del análisis de Fourier, empleado para analizar funciones periódicas a través de la descomposición de dicha función en una suma infinita de funciones senoidales mucho más simples (como combinación de senos y cosenos con frecuencias enteras). El nombre se debe al matemático francés Jean-Baptiste Joseph Fourier que desarrolló la teoría cuando estudiaba la ecuación del calor. Fue el primero que estudió tales series sistemáticamente, y publicando sus resultados iniciales en 1807 y 1811. Esta área de investigación se llama algunas veces Análisis armónico. Es una aplicación usada en muchas ramas de la ingeniería, además de ser una herramienta sumamente útil en la teoría matemática abstracta. Áreas de aplicación incluyen análisis vibratorio, acústica, óptica, procesamiento de imágenes y señales, y compresión de datos. En ingeniería, para el caso de los sistemas de tele -comunicaciones, y a través del uso de los componentes espectrales de frecuencia de una señal dada, se puede optimizar el diseño de un sistema para la señal portadora del mismo. Refiérase al uso de un analizador de espectros. Las series de Fourier tienen la forma:
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Donde
y
se denominan coeficientes de Fourier de la serie de Fourier de la función
Las primeras cuatro aproximaciones para una función periódica escalonada.
Definición de Series de Fourier: Si asociada a
periódica y su período período es , es una función (o señal) periódica
, la serie de Fourier
, es:
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Donde Donde
,
y
, son los coefic coeficient ientes es de Fourier Fourier que toman toman los valore valores: s:
Por la identidad de Euler, las fórmulas de arriba pueden expresarse también en su forma compleja:
Los coeficientes ahora serían:
Otra forma de definir la serie de Fourier es:
Dónde:
Siendo :
A esta forma de la serie de Fourier se le conoce como la serie trigonométrica de Fourier.
Teorema de Dirichlet: Teorema de Dirichlet o Convergencia a una función periódica: Supongamos que f(x) es una función periódica, continua a trozos y acotada, que en un periodo tiene un número finito de máximos y mínimos locales y un número finito de discontinuidades, de período 2p. Sean:
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Entonces la serie converge a:
En donde:
Forma compacta de la serie de Fourier: En ocasiones es más útil conocer la amplitud y la fase en términos cosenoidales en lugar de amplitudes cosenoidales y senoidal. Otra forma de expresar la compleja forma de la serie de Fourier es:
Donde:
Forma exponencial de la serie de Fourier: Por la identidad de Euler para la exponencial compleja, operando adecuadamente, si:
La serie de Fourier se puede expresar como la suma de dos series:
En forma más compacta: 11
Estas ecuaciones solo son válidas cuando el periodo
con
Otra forma de expresar la forma compleja de la serie de Fourier es:
Donde:
Formulación moderna de serie de Fourier: Realmente el desarrollo en serie de Fourier se hace para funciones de cuadrado integrable, es decir, para funciones que cumplan que:
El conjunto de todas las funciones integrables definidas en el intervalo denota con
se
Este conjunto, tiene definido un producto interno dado por:
que lo dota de estructura de espacio de Hilbert. De este modo, que todas las funciones de funciones exponenciales
puedan desarrollarse en series de Fourier. Así, el conjunto de es una base ortonormal del espacio
El desarrollo de Fourier se puede expresar como: 12
Donde:
son los coeficientes del desarrollo de Fourier.
Por último, la identidad de Parseval dice que dada una función integrable y los coeficientes de Fourier se verifica que:
de cuadrado
En lenguaje técnico, podríamos decir que hay una isometría entre el espacio de funciones de cuadrado integrable y el espacio de sucesiones lineales indexadas en los enteros cuyos términos tienen cuadrados sumables.
Definición de Transformada de Fourier: La Transformada de Fourier es básicamente el espectro de frecuencias de una función. Un buen ejemplo de eso es lo que hace el oído humano, ya que recibe una onda auditiva y la transforma en una descomposición en distintas frecuencias (que es lo que finalmente se escucha). El oído humano va percibiendo p ercibiendo distintas frecuencias a medida que pasa el tiempo, sin embargo, la transformada de Fourier contiene todas las frecuencias contenidas en todos los tiempos en que existió la señal; es decir, en la transformada de Fourier se obtiene un sólo espectro de frecuencias para toda la función. Sea f una función Lebesgue integrable:
La transformada de Fourier de f es la función:
Esta integral tiene sentido, pues el integrando es una función integrable. Una estimativa simple demuestra que la transformada de Fourier F(f) es una función acotada. Además por medio del teorema de convergencia dominada puede demostrarse que F(f) es continua. La transformada de Fourier inversa de una función integrable f está definida por: 13
La única diferencia entre la transformada de Fourier y la transformada de Fourier inversa es el signo negativo en el exponente del integrando. El teorema de inversión de Fourier formulado abajo justifica el nombre de transformada de Fourier inversa dado a esta transformada. El signo negativo en el exponente del integrado indica la traspolación de complementos yuxtapuestos. Estos complementos pueden ser analizados a través de la aplicación de la Varianza para cada función.
Propiedades básicas de Fourier: La transformada de Fourier es una aplicación lineal:
Valen las siguientes propiedades para una función absolutamente integrable f: 1.- Cambio de escala:
2.- Traslación:
3.- Traslación en la l a variable transformada:
4.- Transformada de la derivada: Si f y su derivada son integrables:
5.- Derivada de la transformada: Si f y t → f(t) son integrables, la transformada de Fourier F(f) es diferenciable:
Estas identidades se demuestran por un cambio de variables o integración por partes.
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En lo que sigue, definimos la convolución de dos funciones f, g en la recta se define de la manera siguiente:
Nuevamente la presencia del factor delante de la integral simplifica el enunciado de los resultados como el que sigue: Si f y g son funciones absolutamente integrables, la convolución también es integrable, y vale la igualdad:
También puede enunciarse un teorema análogo para la convolución en la variable transformada:
Pero este exige cierto cuidado con el dominio de definición de la transformada de Fourier. Tabla de transformadas básicas En algunas ocasiones se define la transformada con un factor multiplicativo diferente de siendo frecuente en ingeniería el uso de un factor unidad en la transformada directa y un factor de en la transformada inversa. A continuación se lista una tabla de funciones y sus transformadas de Fourier con un factor unidad. Si se desea utilizar otro factor, sólo debe multiplicar la segunda columna por ese factor.
Función
Transformada
(Función unitaria de Heaviside) Heaviside)
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Interpretación geométrica de Fourier: Definido el producto escalar entre funciones de la siguiente manera:
La transformada de Fourier se puede entender como el producto escalar entre la función x(t) y la exponencial compleja evaluado sobre todo el rango de frecuencias f. Por la interpretación usual del producto escalar, en aquellas frecuencias en las que la transformada tiene un valor mayor, más parecido tiene x(t) con una exponencial compleja.
Transformada de Laplace: La transformada de Laplace de una función f(t) definida (en ecuaciones diferenciales, o en análisis matemático o en análisis funcional) para todos los números positivos t ≥ 0, es la función F(s), definida por:
Siempre y cuando la integral esté definida. Cuando f(t) no es una función, sino una distribución con una singularidad en 0, la definición es:
Cuando se habla de la transformada de Laplace, generalmente se refiere a la versión unilateral. También existe la transformada de Laplace bilateral, que se define como sigue:
La transformada de Laplace F(s) típicamente existe exi ste para todos los números reales s > a, donde a es una constante que depende del comportamiento de crecimiento de f(t). es llamado el operador de la transformada de Laplace.
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Propiedades de la transformada de Laplace: Linealidad:
Derivación:
Integración:
Dualidad:
Desplazamiento de la frecuencia:
Desplazamiento temporal:
Donde:
es la función escalón unitario.
Convolución:
Transformada de Laplace de una función con periodo p: 18
Condiciones de convergencia: (que crece más rápido que que:
) no pueden ser obtenidas por Laplace, ya
es una función de orden exponencial de ángulos.
Teorema del valor inicial: Sea una función
derivable a trozos y que
Entonces :
es el conjunto de funciones continuas a trozos con orden exponencial.
Tabla de las transformadas de Laplace más comunes: La siguiente tabla provee la mayoría de las transformaciones de Laplace para funciones de una sola variable. Debido a que la transformada de Laplace es un operador lineal, la transformada de Laplace de una suma es la suma de la transformada de Laplace de cada término.
Aquí está está una lista de las transformadas más comunes. En ella denota a la llamada función de Heaviside o función escalón, que vale 1 cuando su argumento es positivo y 0 cuando su argumento es negativo. Cuando su argumento vale 0 se le suele asignar el valor 1/2, aunque esto no tiene relevancia práctica.
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Anexos
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La resolución de estos circuitos puede hacerse con generalizaciones de las leyes de Kirchoff, pero requiere usualmente métodos matemáticos avanzados, como el de Transformada de Laplace, para describir los comportamientos transitorios y estacionarios de los mismos.
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Sistemas de Control de Proceso
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Sistemas de Control Satelital
Sistemas de Control en Ingeniería de Telecomunicaciones usados en Aviación, rastreo del enemigo y control de aviones no tripulados.
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Conclusiones En la Ingeniería de Telecomunicaciones, La transformada de Fourier se utiliza para pasar al dominio de la frecuencia una señal para así obtener información que no es evidente en el dominio temporal. Por ejemplo, es más fácil saber sobre qué ancho de banda se concentra la energía de una señal analizándola en el dominio de la frecuencia. También sirve para resolver ecuaciones diferenciales con mayor facilidad y, por consiguiente, se usa para el diseño de controladores clásicos de sistemas realimentados si conocemos la densidad espectral de un sistema y la entrada podemos conocer la densidad espectral de la salida. Esto es muy útil para el diseño de filtros de radio-transistores. La transformada de Fourier también se utiliza en el ámbito del tratamiento digital de imágenes, como por ejemplo para mejorar o definir más ciertas zonas de una imagen fotográfica o tomada con una computadora. El análisis de señales en el dominio de la frecuencia se realiza a través de las series de Fourier, por cuanto es muy común, re emplazar la variable x por ωt, resultando las componentes:
Por lo tanto:
La Serie de Fourier tiene aplicaciones en el campo de la Ingeniería de Telecomunicaciones, tales como: -
-
Generación de formas de onda de corriente o tensión eléctrica por medio de la superposición de senoides generados por osciladores electrónicos de amplitud variable cuyas frecuencias ya están determinadas. Análisis en el comportamiento armónico de una señal. Reforzamiento de señales. Estudio de la respuesta en el tiempo de una variable circuital eléctrica donde la señal de entrada no es senoidal o cosenoidal, mediante el uso de transformadas de Laplace y/o solución en régimen permanente senoidal en el dominio de la frecuencia.
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-
La resolución de algunas ecuaciones diferenciales en derivadas parciales admiten soluciones particulares en forma de series de Fourier fácilmente computables, y que obtener soluciones prácticas, en la teoría de la transmisión del calor, la teoría de placas, etc.
En años recientes, los sistemas de control han asumido un papel cada vez más importante en el desarrollo y avance de la civilización moderna y la tecnología. Los sistemas de control se encuentran en gran cantidad en todos los sectores de la industria: tales como control de calidad de los productos manufacturados, líneas de ensamblaje automático, control de máquinas-herramienta, tecnología espacial y sistemas de armas, control por computadora, sistemas de transporte, sistemas de potencia, robótica y muchos otros. Pero ¿Por qué es necesario controlar un proceso? •Incremento de la productividad •Alto costo de mano de obra •Seguridad •Alto costo de materiales •Mejorar la calidad •Reducción de tiempo de manufactura •Reducción de inventario en proceso •Certificación (mercados internacionales) •Protección del medio ambiente (desarrollo sustentable)
El campo de aplicación de los sistemas de control es muy amplia. Y una herramienta que se utiliza en el diseño de control clásico es precisamente: La transformada de Laplace. ¿Por qué La Transformada de Laplace? En el estudio de los procesos es necesario considerar modelos dinámicos, es decir, modelos de comportamiento variable respecto al tiempo. Esto trae como consecuencia el uso de ecuaciones diferenciales respecto al tiempo para representar matemáticamente el comportamiento de un proceso.
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El comportamiento dinámico de los procesos en la naturaleza puede representarse de manera aproximada por el siguiente modelo general de comportamiento dinámico lineal:
La transformada de Laplace es una herramienta matemática muy útil para el análisis de sistemas dinámicos lineales. De hecho, la transformada de Laplace permite resolver ecuaciones diferenciales lineales mediante la transformación en ecuaciones algebraicas con lo cual se facilita su estudio. Una vez que se ha estudiado el comportamiento de los sistemas dinámicos, se puede proceder a diseñar y analizar los sistemas de control de manera simple:
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Bibliografía http://www.monografias.com/trabajos32/fourier-y-laplac http://www.monografias.c om/trabajos32/fourier-y-laplace/fourier-y-laplace e/fourier-y-laplace.shtml .shtml
http://es.wikipedia.org/wiki/Transfor http://es.wikipedi a.org/wiki/Transformada_de_Laplace mada_de_Laplace
http://es.wikibooks.org/wiki/Introducci%C3%B3n_a_Se%C http://es.wikibooks.org/wiki/Introduc ci%C3%B3n_a_Se%C3%B1ales,_Sistemas_ 3%B1ales,_Sistemas_y_Control#Transfo y_Control#Transfo rmada_de_Laplace
http://portal.iteso.mx/portal/page/portal/Dependencias/Re http://portal.iteso.mx/portal/page/portal/D ependencias/Rectoria/Depende ctoria/Dependencias/Direccion_G ncias/Direccion_Gener ener al_Academica/Dependencias/D al_Academica/D ependencias/Depto_de_estudi epto_de_estudios_sociopoliticos os_sociopoliticos_y_juridicos/Pro _y_juridicos/Programas_academic gramas_academic os/RN/Programa/ProyectodeAplicacionProfesional
http://www.slideshare.net/reyjo/reynaldo-arenas
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