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<!DOCTYPE html PUBLIC "-//W3C//DTD XHTML 1.1 plus MathML 2.0//EN" 
               "http://www.w3.org/TR/MathML2/dtd/xhtml-math11-f.dtd" [
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<title> Hard Sphere Collision </title>
</head>

<body>


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  </a>
  <br/>
  Created 2006-09-04 &nbsp; Modified 
<!--UPDATE_DATE_MODIFIED-->
<!--UPDATE_DATE_BEGIN-->
2007-01-01
<br/>
<a href="mailto:chelton.evans@yahoo.com">Chelton Evans</a>
<!--UPDATE_DATE_END-->
</div>


<h1> 
<a href="geom.html"> <img alt="proj" src="../../../comsci/images/compgeom.png" /></a>
Hard Sphere Collision 
<a href="../../../../index.html">
<img alt="home" src="../../../comsci/images/Frame.gif" /> </a>
</h1> 

<p>
<a href="#d1collision"> 1D Collision </a> <br/>
<a href="#d2collision"> 2D Collision </a> <br/>
See C++ implementation 
<a href="../../../misc/proj/nbody/doc.xml">
 nbody </a> .

</p>


<div class="float25">

<a id="d1collision"> </a>
<h2> 1D Collision </h2>

<p> Momentum and kinetic energy conserved. </p>

<p class="equ">
<math xmlns="&mathml;">
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1</mi></mrow>
  </msub>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1i</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>+</mo>
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msub>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2i</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>=</mo>
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1</mi></mrow>
  </msub>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1f</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>+</mo>
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msub>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2f</mi></mrow>
  </msub>
</math>


<br/>


<math xmlns="&mathml;">
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>(</mo>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1i</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>-</mo>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1f</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>)</mo>
  <mo>=</mo>
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>(</mo>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2f</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>-</mo>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2i</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>)</mo>
</math>

</p>

<p class="equ">

<math xmlns="&mathml;">
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1</mi></mrow>
  </msub>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1i</mi></mrow>
  </msub>
  <msup>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msup>
  <mo>+</mo>
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msub>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2i</mi></mrow>
  </msub>
  <msup>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msup>
  <mo>=</mo>
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1</mi></mrow>
  </msub>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1f</mi></mrow>
  </msub>
  <msup>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msup>
  <mo>+</mo>
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msub>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2f</mi></mrow>
  </msub>
  <msup>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msup>
</math>

<br/>
<math xmlns="&mathml;">
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>(</mo>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1i</mi></mrow>
  </msub>
  <msup>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msup>
  <mo>-</mo>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1f</mi></mrow>
  </msub>
  <msup>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msup>
  <mo>)</mo>
  <mo>=</mo>
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>(</mo>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2f</mi></mrow>
  </msub>
  <msup>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msup>
  <mo>-</mo>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2i</mi></mrow>
  </msub>
  <msup>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msup>
  <mo>)</mo>
</math>


<br/>


<math xmlns="&mathml;">
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>(</mo>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1i</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>-</mo>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1f</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>)</mo>
  <mo>(</mo>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1i</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>+</mo>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1f</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>)</mo>
  <mo>=</mo>
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>(</mo>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2f</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>-</mo>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2i</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>)</mo>
  <mo>(</mo>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2f</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>+</mo>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2i</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>)</mo>
</math>




</p>

<p>
Solving for  &nbsp; 
<math xmlns="&mathml;">
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1f</mi></mrow>
  </msub>
</math> &nbsp; 

 and 
 
<math xmlns="&mathml;">
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2f</mi></mrow>
  </msub>
</math>.
 
 There is a trick : express in terms of
 differences and divide one equation by the 
 other. This gives two linear equations to solve,
 avoiding the quadratic.

</p>

</div>

<div class="float25">

<p class="equ">
<math xmlns="&mathml;">
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1</mi></mrow>
  </msub>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1i</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>+</mo>
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msub>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2i</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>=</mo>
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1</mi></mrow>
  </msub>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1f</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>+</mo>
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msub>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2f</mi></mrow>
  </msub>
</math>


<br/>


<math xmlns="&mathml;">
  <mo>(</mo>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1i</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>+</mo>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1f</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>)</mo>
  <mo>=</mo>
  <mo>(</mo>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2f</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>+</mo>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2i</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>)</mo>
</math>

</p>


<p> Solve for  &nbsp;
 
<math xmlns="&mathml;">
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1f</mi></mrow>
  </msub>
</math> &nbsp; 

.</p>


<p class="equ">
<math xmlns="&mathml;">
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1</mi></mrow>
  </msub>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1i</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>+</mo>
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msub>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2i</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>=</mo>
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1</mi></mrow>
  </msub>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1f</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>+</mo>
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msub>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2f</mi></mrow>
  </msub>
</math>


<br/>


<math xmlns="&mathml;">
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msub>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1i</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>+</mo>
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msub>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1f</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>=</mo>
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msub>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2f</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>+</mo>
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msub>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2i</mi></mrow>
  </msub>
</math>

<br/> 
Subtract. <br/>
</p>






<p class="equ">
solution <br/>

<math xmlns="&mathml;">
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1f</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>(</mo>
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>+</mo>
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>)</mo>
  <mo>=</mo>
  <mi>2</mi>
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msub> 
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2i</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>+</mo>
  <mo>(</mo>
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>-</mo>
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>)</mo>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1i</mi></mrow>
  </msub>
</math>



<br/>


<math xmlns="&mathml;">
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2f</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>(</mo>
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>+</mo>
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>)</mo>
  <mo>=</mo>
  <mi>2</mi>
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1</mi></mrow>
  </msub> 
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1i</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>+</mo>
  <mo>(</mo>
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>-</mo>
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>)</mo>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2i</mi></mrow>
  </msub>
</math>




</p>

</div>

<div class="spacer" />


<div class="float25">


<a id="d2collision"> </a>
<h2> 2D Collision </h2>

<p>
Poor mans collision detection was implemented. 
 This name is negative and refers to the fact that
 collision is detected after the event as opposed to 
 before.  If two particles(circles or spheres) are 
 intersecting then a collision has occurred.
</p>

<p>
One response is to go back in time and recalculate
 collision when an intersection occurs. 
 Another is to continue iterating the system forward.
</p>

<p>
The major sticking point of the model was when two
 or more particles are trapped and cling together.
 eg particles are somehow already intersecting reversing
 back in time and going forward leaves some still together
 in an endless binding or loop.
</p>

<p>
The resolution of this was to force the particles apart
 and in the face of uncertainty keep the system
 incrementing.  See <code>

  void d2particle::collisionPoint
  ( 
    d2particle &amp; p, 
    double const h 
  )
</code> routine.

</p>

<h3> Maths of Exact Collision </h3>

<p>
Geometry has been used to determine the collision exactly.
 The conservation of momentum and kinetic energy are
 not enough to solve the problem. Perfect spheres
 geometry is used for simplicity.
</p>

<p>
<math xmlns="&mathml;">
  <mi>&Delta;t</mi>
</math>
 &nbsp; step simulation.  Increment two particles.
 If their centers are too close then a collision has
 occurred and solve the collision exactly.
</p>

<p>
Since we can solve the intersection exactly this is not the most general but is
 easily visualized and may result in reduced evaluation of the quadratic 
 equation when solving for line intersection. 
</p>


<p> Vectors are used for simplicity.
</p>

<p class="equ">
<math xmlns="&mathml;">
  <mi>x</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>(</mo>
  <mi>t</mi>
  <mo>)</mo>
  <mo>=</mo>
  <mi>x</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1i</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>+</mo>
  <mi>t</mi>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1</mi></mrow>
  </msub>
</math>

<br/>

<math xmlns="&mathml;">
  <mi>x</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>(</mo>
  <mi>t</mi>
  <mo>)</mo>
  <mo>=</mo>
  <mi>x</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2i</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>+</mo>
  <mi>t</mi>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msub>
</math>


</p>


<p class="equ">
<math xmlns="&mathml;">
  <mo>(</mo>
  <mi>x</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1i0</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>+</mo>
  <mi>t</mi>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>10</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>,</mo>
  <mi>x</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1i1</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>+</mo>
  <mi>t</mi>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>11</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>)</mo>
</math>

<br/>

<math xmlns="&mathml;">
  <mo>(</mo>
  <mi>x</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2i0</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>+</mo>
  <mi>t</mi>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>20</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>,</mo>
  <mi>x</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2i1</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>+</mo>
  <mi>t</mi>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>21</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>)</mo>
</math>

</p>

<p> Their centers are the sum of their radius es apart
 at the point of collision.
</p>

<p class="equ">
<math xmlns="&mathml;">
  <mo>(</mo>
  <mi>x</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1i0</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>+</mo>
  <mi>t</mi>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>10</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>-</mo>
  <mo>(</mo>
  <mi>x</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2i0</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>+</mo>
  <mi>t</mi>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>20</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>)</mo>
  <mo>)</mo>
  <msup>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msup>
  <mo>+</mo>

  <mo>(</mo>
  <mi>x</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1i1</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>+</mo>
  <mi>t</mi>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>11</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>-</mo>
  <mo>(</mo>
  <mi>x</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
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  <mi>t</mi>
  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
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  </msub>
  <mo>)</mo>
  <mo>)</mo>
  <msup>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msup>

  <mo>=</mo>
  <mo>(</mo>
  <mi>r</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
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  </msub>
  <mo>+</mo>
  <mi>r</mi>
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    <mi></mi>
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  </msub>
  <mo>)</mo>
  <msup>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msup>
</math>

</p>

</div>

<div class="float25">

<img src="diagg01801.png" alt="diagg01801.png" />

<p class="equ">
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  <mi>x</mi>
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  <mo>)</mo>
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  </msub>
    </mrow>
    <mrow>
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  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1</mi></mrow>
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  <mo>+</mo>
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  <msub>
    <mi></mi>
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  </msub>
    </mrow>
  </mfrac>
</math>
</p>


<p class="equ">

<math xmlns="&mathml;">
  <mi>x</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
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  </msub>
  <mo>(</mo>
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  <msub>
    <mi></mi>
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  </msub>
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  <mo>=</mo>
  <mi>x</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
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  </msub>
  <mo>(</mo>
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  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>2</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>)</mo>
</math>

<br/>

<math xmlns="&mathml;">
  <mi>x</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
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  </msub>
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  <msub>
    <mi></mi>
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  <mi>v</mi>
  <msub>
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  </msub>
</math>

<br/>

<math xmlns="&mathml;">
  <mi>x</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
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  </msub>
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  <mi>x</mi>
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    <mi></mi>
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  <msub>
    <mi></mi>
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  <mi>v</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>11</mi></mrow>
  </msub>
</math>

<br/>

Solve for &nbsp; 
<math xmlns="&mathml;">
  <mi>t</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
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  </msub>
</math>

</p>

<p class="equ">
<math xmlns="&mathml;">
  <mi>z</mi>
  <msub>
    <mi></mi>
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  <mo>=</mo>
  <mi>x</mi>
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  <msub>
    <mi></mi>
    <mrow><mi>1</mi></mrow>
  </msub>
  <mo>)</mo>
</math>

</p>







</div>



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