<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.4 20241031//EN" "JATS-journalpublishing1-4.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article" dtd-version="1.4" xml:lang="en">
  <front>
    <journal-meta>
      <journal-id journal-id-type="publisher-id">am</journal-id>
      <journal-title-group>
        <journal-title>Applied Mathematics</journal-title>
      </journal-title-group>
      <issn pub-type="epub">2152-7393</issn>
      <issn pub-type="ppub">2152-7385</issn>
      <publisher>
        <publisher-name>Scientific Research Publishing</publisher-name>
      </publisher>
    </journal-meta>
    <article-meta>
      <article-id pub-id-type="doi">10.4236/am.2026.176021</article-id>
      <article-id pub-id-type="publisher-id">am-151991</article-id>
      <article-categories>
        <subj-group>
          <subject>Article</subject>
        </subj-group>
        <subj-group>
          <subject>Physics</subject>
          <subject>Mathematics</subject>
        </subj-group>
      </article-categories>
      <title-group>
        <article-title>Solving Perturbed Kepler Problem by Quaternion Algebra</article-title>
      </title-group>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author">
          <name name-style="western">
            <surname>Vrbik</surname>
            <given-names>Jan</given-names>
          </name>
          <xref ref-type="aff" rid="aff1">1</xref>
        </contrib>
      </contrib-group>
      <aff id="aff1"><label>1</label> Department of Mathematics, Brock University, St. Catharines, Canada </aff>
      <author-notes>
        <fn fn-type="conflict" id="fn-conflict">
          <p>The author declares no conflicts of interest regarding the publication of this paper.</p>
        </fn>
      </author-notes>
      <pub-date pub-type="epub">
        <day>16</day>
        <month>06</month>
        <year>2026</year>
      </pub-date>
      <pub-date pub-type="collection">
        <month>06</month>
        <year>2026</year>
      </pub-date>
      <volume>17</volume>
      <issue>06</issue>
      <fpage>337</fpage>
      <lpage>353</lpage>
      <history>
        <date date-type="received">
          <day>31</day>
          <month>03</month>
          <year>2026</year>
        </date>
        <date date-type="accepted">
          <day>19</day>
          <month>06</month>
          <year>2026</year>
        </date>
        <date date-type="published">
          <day>22</day>
          <month>06</month>
          <year>2026</year>
        </date>
      </history>
      <permissions>
        <copyright-statement>© 2026 by the authors and Scientific Research Publishing Inc.</copyright-statement>
        <copyright-year>2026</copyright-year>
        <license license-type="open-access">
          <license-p> This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license ( <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/</ext-link> ). </license-p>
        </license>
      </permissions>
      <self-uri content-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.4236/am.2026.176021">https://doi.org/10.4236/am.2026.176021</self-uri>
      <abstract>
        <p>In this article, we use quaternions together with Kustaanheimo-Stiefel transformation to solve the Kepler problem, first its unperturbed version and then when adding a small perturbing force. We assume that the perturbing force is autonomous, which enables us to derive a set of first-order differential equations for the corresponding orbital elements, while keeping them fully autonomous as well. This is achieved without compromising the resulting accuracy; there is no need for averaging out fast oscillations or involving a fast-angle variable. As a consequence, the equations can be solved to arbitrary accuracy by iterative and routine application of the new formulas.</p>
      </abstract>
      <kwd-group kwd-group-type="author-generated" xml:lang="en">
        <kwd>Quaternions</kwd>
        <kwd>Kustaanheimo-Stiefel Transformation</kwd>
        <kwd>Kepler Problem</kwd>
        <kwd>Perturbation Theory</kwd>
        <kwd>Orbital Elements</kwd>
      </kwd-group>
    </article-meta>
  </front>
  <body>
    <sec id="sec1">
      <title>1. Quaternion Algebra</title>
      <p>Quaternions are introduced as an extension of complex numbers where, instead of one imaginary unit <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> i </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> , there are three of them, denoted <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> i </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> , </mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula><inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> j </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> k </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> ; we relate them to <inline-formula><mml:math><mml:mi> x </mml:mi></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mi> y </mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mi> z </mml:mi></mml:math></inline-formula> directions of a three-dimensional space respectively. The square of each of these units equals to −1, while any two of them anti-commute, e.g. <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> i </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> j </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> − </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> j </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> i </mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> etc.; furthermore <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> i </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> j </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> = </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> k </mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the small circle indicating quaternion multiplication (an <italic>associative</italic> operation) [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>]. A quaternion is thus a quantity with four components, namely</p>
      <disp-formula id="FD1">
        <label>(1)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>A</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mn>1</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mi>i</mml:mi>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mi>j</mml:mi>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mn>3</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mi>k</mml:mi>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>A</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mi>a</mml:mi>
            </mml:mstyle>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mi> A </mml:mi></mml:math></inline-formula> is its <italic>scalar</italic> part and <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> a </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> its <italic>vector</italic> part (we use the blackboard type for full quaternions and boldface for vectors). Adding two quaternions is a component-wise operation, while multiplication is carried out (consistently with the previous rules) by</p>
      <disp-formula id="FD2">
        <label>(2)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>A</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                </mml:mstyle>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>∘</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>B</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                  <mml:mi>b</mml:mi>
                </mml:mstyle>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>A</mml:mi>
            <mml:mi>B</mml:mi>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mi>a</mml:mi>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mi>b</mml:mi>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>A</mml:mi>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mi>b</mml:mi>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>B</mml:mi>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mi>a</mml:mi>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mi>a</mml:mi>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>×</mml:mo>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mi>b</mml:mi>
            </mml:mstyle>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mo> ⋅ </mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mo> × </mml:mo></mml:math></inline-formula> denote the dot and vector product, respectively; quaternion multiplication is associative (as stated already) but <italic>not</italic> commutative. The proof of both statements is routine; it is based on the following two identities</p>
      <disp-formula id="FD3">
        <label>(3)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:mo>×</mml:mo>
                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                  <mml:mi>b</mml:mi>
                </mml:mstyle>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mi>c</mml:mi>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mi>a</mml:mi>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                  <mml:mi>b</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:mo>×</mml:mo>
                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                  <mml:mi>c</mml:mi>
                </mml:mstyle>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD4">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:mo>×</mml:mo>
                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                  <mml:mi>b</mml:mi>
                </mml:mstyle>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>×</mml:mo>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mi>c</mml:mi>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mi>a</mml:mi>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>×</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                  <mml:mi>b</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:mo>×</mml:mo>
                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                  <mml:mi>c</mml:mi>
                </mml:mstyle>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Quaternion <italic>conjugation</italic> is defined (and denoted) by</p>
      <disp-formula id="FD5">
        <label>(4)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi>
              <mml:mo>¯</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>A</mml:mi>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mi>a</mml:mi>
            </mml:mstyle>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>implying that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mo> = </mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> a </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mover accent="true"><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula> yields the <italic>length</italic> of vector <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> a </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> . </mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Note that</p>
      <disp-formula id="FD6">
        <label>(5)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mrow>
                <mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mi mathvariant="double-struck">B</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo stretchy="true">¯</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi mathvariant="double-struck">B</mml:mi>
              <mml:mo>¯</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mo>∘</mml:mo>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi>
              <mml:mo>¯</mml:mo>
            </mml:mover>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>and that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck"> A </mml:mi><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="double-struck"> A </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover><mml:mo> = </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="double-struck"> A </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mi mathvariant="double-struck"> A </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> yields the sum of squares of <inline-formula><mml:math><mml:mi mathvariant="double-struck"> A </mml:mi></mml:math></inline-formula> ’s four components (we may then drop the <inline-formula><mml:math><mml:mo> ∘ </mml:mo></mml:math></inline-formula> symbol and use <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck"> A </mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="double-struck"> A </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="double-struck"> A </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="double-struck"> A </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to emphasize that the result is a scalar and the order irrelevant). Using the conjugate, we then build the <italic>inverse</italic> of <inline-formula><mml:math><mml:mi mathvariant="double-struck"> A </mml:mi></mml:math></inline-formula> by</p>
      <disp-formula id="FD7">
        <label>(6)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msup>
              <mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mn>1</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msup>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi>
                <mml:mo>¯</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mrow>
                <mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi>
                  <mml:mo>¯</mml:mo>
                </mml:mover>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>so that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck"> A </mml:mi><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="double-struck"> A </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="double-struck"> A </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mi mathvariant="double-struck"> A </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>Finally <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="double-struck"> A </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , where <inline-formula><mml:math><mml:mi> n </mml:mi></mml:math></inline-formula> is a positive integer, implies <inline-formula><mml:math><mml:mi mathvariant="double-struck"> A </mml:mi></mml:math></inline-formula> multiplied by itself <inline-formula><mml:math><mml:mi> n </mml:mi></mml:math></inline-formula> times (calling the result the <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> n </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> th </mml:mtext></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> power of <inline-formula><mml:math><mml:mi mathvariant="double-struck"> A </mml:mi></mml:math></inline-formula> ); this means that we can now define a <italic>function</italic> of a quaternion, based on its Maclaurin expansion. The most useful of these is</p>
      <disp-formula id="FD8">
        <label>(7)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mtext>exp</mml:mtext>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mtext>exp</mml:mtext>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>A</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mtext>exp</mml:mtext>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                <mml:mi>a</mml:mi>
              </mml:mstyle>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mtext>exp</mml:mtext>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>A</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mtext>exp</mml:mtext>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:mo>^</mml:mo>
                  </mml:mover>
                </mml:mstyle>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mtext>exp</mml:mtext>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>A</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>cos</mml:mi>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:mo>^</mml:mo>
                  </mml:mover>
                </mml:mstyle>
                <mml:mi>sin</mml:mi>
                <mml:mi>a</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mover accent="true"><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ^ </mml:mo></mml:mover></mml:mstyle><mml:mo> : </mml:mo><mml:mo> = </mml:mo><mml:mfrac><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> a </mml:mi></mml:mstyle><mml:mi> a </mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the <italic>unit direction</italic> of <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> a </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> ; note that powers of <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mover accent="true"><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ^ </mml:mo></mml:mover></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> follow the <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mover accent="true"><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ^ </mml:mo></mml:mover></mml:mstyle><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> − </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mover accent="true"><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ^ </mml:mo></mml:mover></mml:mstyle><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mover accent="true"><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ^ </mml:mo></mml:mover></mml:mstyle><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋯ </mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> cycle, due to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> a </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> a </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> − </mml:mo><mml:msup><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <sec id="sec1dot1">
        <title>Rotation</title>
        <p><bold>Fixed rotation:</bold>Let <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℝ </mml:mi></mml:math></inline-formula> be a quaternion of unit magnitude, <italic>i</italic>.<italic>e</italic>. <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mover accent="true"><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ^ </mml:mo></mml:mover></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mo> + </mml:mo><mml:msup><mml:mi> r </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (equivalent to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ). This further implies that <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℝ </mml:mi></mml:math></inline-formula> can be uniquely written as</p>
        <disp-formula id="FD9">
          <label>(8)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>ℝ</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mtext>exp</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                      <mml:mi>w</mml:mi>
                    </mml:mstyle>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:mfrac>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> w </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> is a vector whose direction is <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mover accent="true"><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ^ </mml:mo></mml:mover></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> and whose magnitude meets <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> cos </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi> w </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> sin </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi> w </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . When <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> represents a point in a three-dimensional (3D) space (using an <italic>inertial</italic> frame for its coordinates), it is easy to show that</p>
        <disp-formula id="FD10">
          <label>(9)</label>
          <mml:math>
            <mml:mtable columnalign="left">
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:msub>
                    <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                    </mml:mstyle>
                    <mml:mtext>R</mml:mtext>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>:</mml:mo>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mi>ℝ</mml:mi>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:mstyle>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>ℝ</mml:mi>
                    <mml:mo>¯</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mtext>exp</mml:mtext>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                          <mml:mi>w</mml:mi>
                        </mml:mstyle>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:mstyle>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:mtext>exp</mml:mtext>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                          <mml:mi>w</mml:mi>
                        </mml:mstyle>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mtext>
                     
                  </mml:mtext>
                  <mml:mtext>
                     
                  </mml:mtext>
                  <mml:mtext>
                     
                  </mml:mtext>
                  <mml:mtext>
                     
                  </mml:mtext>
                  <mml:mtext>
                     
                  </mml:mtext>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                    </mml:mstyle>
                    <mml:mo>∥</mml:mo>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>cos</mml:mi>
                      <mml:mi>w</mml:mi>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>w</mml:mi>
                          <mml:mo>^</mml:mo>
                        </mml:mover>
                      </mml:mstyle>
                      <mml:mi>sin</mml:mi>
                      <mml:mi>w</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                    </mml:mstyle>
                    <mml:mo>⊥</mml:mo>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                    </mml:mstyle>
                    <mml:mo>∥</mml:mo>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                    </mml:mstyle>
                    <mml:mo>⊥</mml:mo>
                  </mml:msub>
                  <mml:mi>cos</mml:mi>
                  <mml:mi>w</mml:mi>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:mi>w</mml:mi>
                      <mml:mo>^</mml:mo>
                    </mml:mover>
                  </mml:mstyle>
                  <mml:mo>×</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                    </mml:mstyle>
                    <mml:mo>⊥</mml:mo>
                  </mml:msub>
                  <mml:mi>sin</mml:mi>
                  <mml:mi>w</mml:mi>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
            </mml:mtable>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mtext> R </mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represents <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> rotated by angle <inline-formula><mml:math><mml:mi> w </mml:mi></mml:math></inline-formula> around the axis whose direction is <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mover accent="true"><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> ^ </mml:mo></mml:mover></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> . Here <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ∥ </mml:mo></mml:msub><mml:mo> : </mml:mo><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mover accent="true"><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> ^ </mml:mo></mml:mover></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mover accent="true"><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> ^ </mml:mo></mml:mover></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the component of <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> parallel to <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mover accent="true"><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> ^ </mml:mo></mml:mover></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> , while <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ⊥ </mml:mo></mml:msub><mml:mo> : </mml:mo><mml:mo> = </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> − </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mover accent="true"><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> ^ </mml:mo></mml:mover></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mover accent="true"><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> ^ </mml:mo></mml:mover></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is perpendicular to it. Note that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ∥ </mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> commutes with <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> w </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> (and therefore with <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℝ </mml:mi></mml:math></inline-formula> ) while <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ⊥ </mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> anti-commutes (implying that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ⊥ </mml:mo></mml:msub><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ⊥ </mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ).</p>
        <p>When <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a parametric description of a 3D object (such as an ellipse), the same operation similarly rotates the whole object, without changing its size or shape.</p>
        <p><bold>Uniform rotation:</bold>Changing <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℝ </mml:mi></mml:math></inline-formula> to</p>
        <disp-formula id="FD11">
          <label>(10)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>ℝ</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mtext>exp</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                      <mml:mi>w</mml:mi>
                    </mml:mstyle>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mi>s</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>(where <inline-formula><mml:math><mml:mi> s </mml:mi></mml:math></inline-formula> is interpreted as time) makes the rotation time dependent; <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> w </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> then becomes the corresponding (constant) <italic>angular velocity</italic>.</p>
        <p><bold>Time-dependent rotation:</bold> Assuming that all components of <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℝ </mml:mi></mml:math></inline-formula> are now arbitrary functions of <inline-formula><mml:math><mml:mi> s </mml:mi></mml:math></inline-formula> (yet preserving the <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> property), we now find the corresponding <italic>instantaneous</italic> angular velocity at time <inline-formula><mml:math><mml:mi> s </mml:mi></mml:math></inline-formula> ; it follows from</p>
        <disp-formula id="FD12">
          <label>(11)</label>
          <mml:math>
            <mml:mtable>
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:msub>
                    <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                    </mml:mstyle>
                    <mml:mtext>R</mml:mtext>
                  </mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mi>s</mml:mi>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>ℝ</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:mstyle>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>ℝ</mml:mi>
                    <mml:mo>¯</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mi>ℝ</mml:mi>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:mstyle>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:mi>ℝ</mml:mi>
                      <mml:mo>¯</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>ℝ</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>ℝ</mml:mi>
                    <mml:mo>¯</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                    </mml:mstyle>
                    <mml:mtext>R</mml:mtext>
                  </mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mi>s</mml:mi>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                    </mml:mstyle>
                    <mml:mtext>R</mml:mtext>
                  </mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mi>s</mml:mi>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:mi>ℝ</mml:mi>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:mi>ℝ</mml:mi>
                      <mml:mo>¯</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>ℝ</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>∘</mml:mo>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>ℝ</mml:mi>
                        <mml:mo>¯</mml:mo>
                      </mml:mover>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>×</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                    </mml:mstyle>
                    <mml:mtext>R</mml:mtext>
                  </mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mi>s</mml:mi>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
            </mml:mtable>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> − </mml:mo><mml:msup><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (showing that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a <italic>vector</italic>) and since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> a </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> b </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> − </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> b </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> a </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> a </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> × </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> b </mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; this implies that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:msup><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the resulting velocity.</p>
        <p><bold>Kepler frame:</bold> Letting the original coordinate frame itself rotate with <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℝ </mml:mi></mml:math></inline-formula> , and expressing the vector of the instantaneous angular velocity of the <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℝ </mml:mi></mml:math></inline-formula> rotation in this <italic>new</italic> (no longer inertial, but very convenient) <italic>Kepler</italic> frame, we get</p>
        <disp-formula id="FD13">
          <label>(12)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                <mml:mi>Z</mml:mi>
              </mml:mstyle>
              <mml:mo>:</mml:mo>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>2</mml:mn>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>ℝ</mml:mi>
                <mml:mo>¯</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mo>∘</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>ℝ</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>ℝ</mml:mi>
                    <mml:mo>¯</mml:mo>
                  </mml:mover>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>∘</mml:mo>
              <mml:mi>ℝ</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>2</mml:mn>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>ℝ</mml:mi>
                <mml:mo>¯</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mo>∘</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mi>ℝ</mml:mi>
                <mml:mo>′</mml:mo>
              </mml:msup>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p><bold>Euler angles:</bold>The usual way of parametrizing <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℝ </mml:mi></mml:math></inline-formula> is done [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>] by</p>
        <disp-formula id="FD14">
          <label>(13)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>ℝ</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mtext>exp</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                    <mml:mi>k</mml:mi>
                  </mml:mstyle>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mi>ϕ</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:mfrac>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>∘</mml:mo>
              <mml:mtext>exp</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                  </mml:mstyle>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mi>θ</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:mfrac>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>∘</mml:mo>
              <mml:mtext>exp</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                    <mml:mi>k</mml:mi>
                  </mml:mstyle>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mi>ψ</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:mfrac>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p><italic>i</italic>.<italic>e</italic>. first rotating with respect to the <inline-formula><mml:math><mml:mi> z </mml:mi></mml:math></inline-formula> axis by angle <inline-formula><mml:math><mml:mi> ψ </mml:mi></mml:math></inline-formula> , then rotating with respect to the (original) <inline-formula><mml:math><mml:mi> x </mml:mi></mml:math></inline-formula> axis by angle <inline-formula><mml:math><mml:mi> θ </mml:mi></mml:math></inline-formula> , and finally rotating with respect to the <inline-formula><mml:math><mml:mi> z </mml:mi></mml:math></inline-formula> axis again by angle <inline-formula><mml:math><mml:mi> ϕ </mml:mi></mml:math></inline-formula> ; the three angles are referred to as <italic>Euler angles</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>].</p>
        <p>Using this form of <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℝ </mml:mi></mml:math></inline-formula> and letting each of the three angles be a function of <inline-formula><mml:math><mml:mi> s </mml:mi></mml:math></inline-formula> , the angular velocity (12), <italic>i</italic>.<italic>e</italic>. its Kepler-frame representation, becomes</p>
        <disp-formula id="FD15">
          <label>(14)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                <mml:mi>Z</mml:mi>
              </mml:mstyle>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                <mml:mi>i</mml:mi>
              </mml:mstyle>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>θ</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mi>cos</mml:mi>
                  <mml:mi>ψ</mml:mi>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>ϕ</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mi>sin</mml:mi>
                  <mml:mi>ψ</mml:mi>
                  <mml:mi>sin</mml:mi>
                  <mml:mi>θ</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                <mml:mi>j</mml:mi>
              </mml:mstyle>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>ϕ</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mi>cos</mml:mi>
                  <mml:mi>ψ</mml:mi>
                  <mml:mi>sin</mml:mi>
                  <mml:mi>θ</mml:mi>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>θ</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mi>sin</mml:mi>
                  <mml:mi>ψ</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                <mml:mi>k</mml:mi>
              </mml:mstyle>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>ψ</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>ϕ</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mi>cos</mml:mi>
                  <mml:mi>θ</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>We can then express each of the three time derivatives in terms of components of <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> Z </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> by solving the corresponding three equations, thus getting</p>
        <disp-formula id="FD16">
          <label>(15)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msup>
                <mml:mi>ϕ</mml:mi>
                <mml:mo>′</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>Z</mml:mi>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:msub>
                  <mml:mi>sin</mml:mi>
                  <mml:mi>ψ</mml:mi>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>Z</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msub>
                  <mml:mi>cos</mml:mi>
                  <mml:mi>ψ</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>sin</mml:mi>
                  <mml:mi>θ</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <disp-formula id="FD17">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msup>
                <mml:mi>θ</mml:mi>
                <mml:mo>′</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mi>Z</mml:mi>
                <mml:mn>1</mml:mn>
              </mml:msub>
              <mml:mi>cos</mml:mi>
              <mml:mi>ψ</mml:mi>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mi>Z</mml:mi>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msub>
              <mml:mi>sin</mml:mi>
              <mml:mi>ψ</mml:mi>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <disp-formula id="FD18">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msup>
                <mml:mi>ψ</mml:mi>
                <mml:mo>′</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mi>Z</mml:mi>
                <mml:mn>3</mml:mn>
              </mml:msub>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mi>ϕ</mml:mi>
                <mml:mo>′</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mi>cos</mml:mi>
              <mml:mi>θ</mml:mi>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
      </sec>
    </sec>
    <sec id="sec2">
      <title>2. Kepler Problem</title>
      <p>To find the motion of a satellite (of negligible mass) orbiting a primary of gravitational mass <inline-formula><mml:math><mml:mi> μ </mml:mi></mml:math></inline-formula> requires solving the following differential equation</p>
      <disp-formula id="FD19">
        <label>(16)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>r</mml:mi>
                <mml:mo>¨</mml:mo>
              </mml:mover>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>μ</mml:mi>
            <mml:mfrac>
              <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                <mml:mi>r</mml:mi>
              </mml:mstyle>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                  <mml:mn>3</mml:mn>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>ε</mml:mi>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mi>f</mml:mi>
            </mml:mstyle>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> r </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> is a vector with three components (<inline-formula><mml:math><mml:mi> x </mml:mi></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mi> y </mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mi> z </mml:mi></mml:math></inline-formula> ), each a function of time <inline-formula><mml:math><mml:mi> t </mml:mi></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> is the length of <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> r </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> , the double dot implies taking a second derivative of each of the <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> r </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> components with respect to <inline-formula><mml:math><mml:mi> t </mml:mi></mml:math></inline-formula> , and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> ε </mml:mi><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> f </mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a <italic>perturbing</italic> force per unit mass of the satellite, assumed to be relatively small (<italic>i</italic>.<italic>e</italic>. <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> ε </mml:mi><mml:mo> ≪ </mml:mo><mml:mfrac><mml:mi> μ </mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> r </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ) [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>]; the factor <inline-formula><mml:math><mml:mi> ε </mml:mi></mml:math></inline-formula> then appears in all quantities proportional to <inline-formula><mml:math><mml:mi> ε </mml:mi></mml:math></inline-formula> ; higher powers of ε are thus used to indicate the degree of smallness. When building a solution to (16), it will be important to distinguish between terms of the <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> ε </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> type (solving the equation with no perturbing force), those proportional to <inline-formula><mml:math><mml:mi> ε </mml:mi></mml:math></inline-formula> , and finally terms proportional to second or higher power of <inline-formula><mml:math><mml:mi> ε </mml:mi></mml:math></inline-formula> (ultimately to be ignored, as explained shortly).</p>
      <p>The article considers only <italic>autonomous</italic> perturbing forces, meaning that <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> f </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> is a function of <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> r </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> but <italic>not</italic> explicitly of time.</p>
      <p>To utilize quaternion algebra for solving (16), we introduce a new <italic>dependent</italic> variable <inline-formula><mml:math><mml:mi mathvariant="double-struck"> U </mml:mi></mml:math></inline-formula> (a quaternion) and a new <italic>independent</italic> variable <inline-formula><mml:math><mml:mi> s </mml:mi></mml:math></inline-formula> (a scalar) called <italic>modified</italic> time [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>] and [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>]. These are related to the old variables by</p>
      <disp-formula id="FD20">
        <label>(17a)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mi>r</mml:mi>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
            <mml:mo>∘</mml:mo>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mi>i</mml:mi>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>∘</mml:mo>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
              <mml:mo>¯</mml:mo>
            </mml:mover>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD21">
        <label>(17b)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>d</mml:mtext>
                <mml:mi>t</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>d</mml:mtext>
                <mml:mi>s</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>2</mml:mn>
            <mml:mi>r</mml:mi>
            <mml:msqrt>
              <mml:mrow>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mi>μ</mml:mi>
                </mml:mfrac>
              </mml:mrow>
            </mml:msqrt>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is assumed (by subsequent proof) to be an <italic>arbitrary</italic> scalar function of <inline-formula><mml:math><mml:mi> s </mml:mi></mml:math></inline-formula> , and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mi mathvariant="double-struck"> U </mml:mi><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> i </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="double-struck"> U </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="double-struck"> U </mml:mi><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> i </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="double-struck"> U </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi mathvariant="double-struck"> U </mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="double-struck"> U </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . We also define the following <italic>scalar</italic> function of <inline-formula><mml:math><mml:mi> s </mml:mi></mml:math></inline-formula></p>
      <disp-formula id="FD22">
        <label>(18)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mtext>Γ</mml:mtext>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>∘</mml:mo>
            <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
              <mml:mi>i</mml:mi>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>∘</mml:mo>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
              <mml:mo>¯</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
            <mml:mo>∘</mml:mo>
            <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
              <mml:mi>i</mml:mi>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>∘</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                <mml:mo>¯</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mtext><mml:msup><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mtext></mml:math></inline-formula> indicates differentiating with respect to <inline-formula><mml:math><mml:mi> s </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Note that Γ is thus twice the scalar part of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="double-struck"> U </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> i </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="double-struck"> U </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (as an alternate definition).</p>
      <p>One can then show that, using the new variables, (16) reads</p>
      <disp-formula id="FD23">
        <label>(19)</label>
        <mml:math>
          <mml:mtable columnalign="left">
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mn>2</mml:mn>
                <mml:msup>
                  <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                  <mml:mo>″</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:msup>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                        <mml:mo>¯</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:mn>4</mml:mn>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mi>Γ</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                    <mml:mo>∘</mml:mo>
                    <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                    </mml:mstyle>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                    <mml:mtext>Γ</mml:mtext>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:msup>
                  <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mi>Γ</mml:mi>
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:mstyle>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mn>4</mml:mn>
                <mml:mi>r</mml:mi>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mi>μ</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:mi>ε</mml:mi>
                <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:mstyle>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
          </mml:mtable>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><bold>Proof:</bold></p>
      <disp-formula id="FD24">
        <label>(20)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>r</mml:mi>
                <mml:mo>˙</mml:mo>
              </mml:mover>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
                <mml:msup>
                  <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                  <mml:mo>¯</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mi>Γ</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
                <mml:mi>r</mml:mi>
                <mml:msqrt>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mi>μ</mml:mi>
                    </mml:mfrac>
                  </mml:mrow>
                </mml:msqrt>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
                <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                    <mml:mo>¯</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>Γ</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
                <mml:mi>r</mml:mi>
                <mml:msqrt>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mi>μ</mml:mi>
                    </mml:mfrac>
                  </mml:mrow>
                </mml:msqrt>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>due to (17b). Post-multiplying by <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> μ </mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mi mathvariant="double-struck"> U </mml:mi><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> i </mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> results in</p>
      <disp-formula id="FD25">
        <label>(21)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mn>2</mml:mn>
            <mml:msqrt>
              <mml:mrow>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mi>μ</mml:mi>
                </mml:mfrac>
              </mml:mrow>
            </mml:msqrt>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>r</mml:mi>
                <mml:mo>˙</mml:mo>
              </mml:mover>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>∘</mml:mo>
            <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
            <mml:mo>∘</mml:mo>
            <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
              <mml:mi>i</mml:mi>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mn>2</mml:mn>
            <mml:msup>
              <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mtext>Γ</mml:mtext>
              <mml:mi>r</mml:mi>
            </mml:mfrac>
            <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
            <mml:mo>∘</mml:mo>
            <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
              <mml:mi>i</mml:mi>
            </mml:mstyle>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Differentiating each side with respect to <inline-formula><mml:math><mml:mi> s </mml:mi></mml:math></inline-formula> yields</p>
      <disp-formula id="FD26">
        <label>(22)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mtable columnalign="left">
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mfrac>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:msqrt>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mi>μ</mml:mi>
                    </mml:mfrac>
                  </mml:mrow>
                </mml:msqrt>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>r</mml:mi>
                    <mml:mo>˙</mml:mo>
                  </mml:mover>
                </mml:mstyle>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mn>2</mml:mn>
                <mml:msqrt>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mi>μ</mml:mi>
                    </mml:mfrac>
                  </mml:mrow>
                </mml:msqrt>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>r</mml:mi>
                    <mml:mo>˙</mml:mo>
                  </mml:mover>
                </mml:mstyle>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mn>4</mml:mn>
                <mml:mi>r</mml:mi>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mi>μ</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>ε</mml:mi>
                    <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                      <mml:mi>f</mml:mi>
                    </mml:mstyle>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:mi>μ</mml:mi>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                      </mml:mstyle>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msup>
                          <mml:mi>r</mml:mi>
                          <mml:mn>3</mml:mn>
                        </mml:msup>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:mstyle>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mn>2</mml:mn>
                <mml:msup>
                  <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                  <mml:mo>″</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mi>Γ</mml:mi>
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mi>Γ</mml:mi>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:msup>
                  <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:mstyle>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
          </mml:mtable>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>which can be further simplified (note that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> r </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mi mathvariant="double-struck"> U </mml:mi><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> i </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> = </mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> r </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mi mathvariant="double-struck"> U </mml:mi><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> i </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="double-struck"> U </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mi mathvariant="double-struck"> U </mml:mi></mml:mrow><mml:mi> r </mml:mi></mml:mfrac><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi><mml:mi mathvariant="double-struck"> U </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ) to get</p>
      <disp-formula id="FD27">
        <label>(23)</label>
        <mml:math>
          <mml:mtable columnalign="left">
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mi>Γ</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                    <mml:mo>∘</mml:mo>
                    <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                    </mml:mstyle>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:msup>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                    <mml:mo>¯</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:msup>
                  <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mi>Γ</mml:mi>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:msup>
                  <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mn>4</mml:mn>
                <mml:mi>r</mml:mi>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mi>μ</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:mi>ε</mml:mi>
                <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>4</mml:mn>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mn>2</mml:mn>
                <mml:msup>
                  <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                  <mml:mo>″</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mi>Γ</mml:mi>
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mtext>Γ</mml:mtext>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:msup>
                  <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:mstyle>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
          </mml:mtable>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>which agrees with (19). <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo> ■ </mml:mo></mml:math></inline-formula></p>
      <p>Note that <italic>post</italic>-multiplying <inline-formula><mml:math><mml:mi mathvariant="double-struck"> U </mml:mi></mml:math></inline-formula> by <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> exp </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> i </mml:mi></mml:mstyle><mml:mi> δ </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , where <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> is any scalar function of <inline-formula><mml:math><mml:mi> s </mml:mi></mml:math></inline-formula> , does not change the resulting <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> r </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> ; this implies that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck"> U </mml:mi><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mtext> exp </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> i </mml:mi></mml:mstyle><mml:mi> δ </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> must solve (19) whenever <inline-formula><mml:math><mml:mi mathvariant="double-struck"> U </mml:mi></mml:math></inline-formula> does (as can be explicitly verified). Nevertheless, the new solution does change the value of Γ to</p>
      <disp-formula id="FD28">
        <label>(24)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>Γ</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
            <mml:mo>∘</mml:mo>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mi>i</mml:mi>
            </mml:mstyle>
            <mml:msup>
              <mml:mi>δ</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>∘</mml:mo>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mi>i</mml:mi>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>∘</mml:mo>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
              <mml:mo>¯</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
            <mml:mo>∘</mml:mo>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mi>i</mml:mi>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>∘</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>δ</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>∘</mml:mo>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
              <mml:mo>¯</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>Γ</mml:mi>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mn>2</mml:mn>
            <mml:mi>r</mml:mi>
            <mml:msup>
              <mml:mi>δ</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>This implies that we can always find a solution which meets <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> Γ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at all values of <inline-formula><mml:math><mml:mi> s </mml:mi></mml:math></inline-formula> by a proper choice of <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> (referred to as <italic>gauge</italic>). Having done that, (19) is thus reduced to</p>
      <disp-formula id="FD29">
        <label>(25)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mn>2</mml:mn>
            <mml:msup>
              <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
              <mml:mo>″</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
                <mml:msup>
                  <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:msup>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                    <mml:mo>¯</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mn>4</mml:mn>
                <mml:mi>a</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>r</mml:mi>
            </mml:mfrac>
            <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:msup>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mo>′</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mi>a</mml:mi>
            </mml:mfrac>
            <mml:msup>
              <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mn>4</mml:mn>
            <mml:mi>r</mml:mi>
            <mml:mfrac>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mi>μ</mml:mi>
            </mml:mfrac>
            <mml:mi>ε</mml:mi>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mi>f</mml:mi>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>∘</mml:mo>
            <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
            <mml:mo>∘</mml:mo>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mi>i</mml:mi>
            </mml:mstyle>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>while meeting <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> Γ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Since (25) and the last condition imply that <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> Γ </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> is also identically equal to 0 (just post-multiply each term of (25) by <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> i </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="double-struck"> U </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to show that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:msup><mml:mi mathvariant="double-struck"> U </mml:mi><mml:mo> ″ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> i </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="double-struck"> U </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has zero scalar part), it is then sufficient to make Γ equal to 0 <italic>initially</italic>; solving (25) then assures that Γ remains constant, thus maintaining the <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> Γ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> condition automatically at any future time <inline-formula><mml:math><mml:mi> s </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p><bold>Unperturbed solution:</bold> When <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> f </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we choose <inline-formula><mml:math><mml:mi> a </mml:mi></mml:math></inline-formula> to be a positive <italic>constant</italic> and, assuming the solution to start with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> Γ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the equation to solve is then</p>
      <disp-formula id="FD30">
        <label>(26)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msup>
              <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
              <mml:mo>″</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:msup>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                    <mml:mo>¯</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mn>2</mml:mn>
                <mml:mi>a</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>r</mml:mi>
            </mml:mfrac>
            <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where</p>
      <disp-formula id="FD31">
        <label>(27)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:msup>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                    <mml:mo>¯</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mn>2</mml:mn>
                <mml:mi>a</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>r</mml:mi>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mtext>E</mml:mtext>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
                <mml:mi>a</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>μ</mml:mi>
            </mml:mfrac>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                        <mml:mo>˙</mml:mo>
                      </mml:mover>
                    </mml:mstyle>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                        <mml:mo>˙</mml:mo>
                      </mml:mover>
                    </mml:mstyle>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mi>μ</mml:mi>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mfrac>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>is a constant of motion, proportional to the total (kinetic and gravitational) energy of the satellite [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>].</p>
      <p><bold>Proof:</bold> Differentiating the LHS of (27) yields</p>
      <disp-formula id="FD32">
        <label>(28)</label>
        <mml:math>
          <mml:mtable columnalign="left">
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                      <mml:mo>″</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mo>∘</mml:mo>
                    <mml:msup>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                        <mml:mo>¯</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mo>∘</mml:mo>
                    <mml:msup>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                        <mml:mo>¯</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mo>″</mml:mo>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mtext>E</mml:mtext>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mtext>E</mml:mtext>
                    <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                    <mml:mo>∘</mml:mo>
                    <mml:msup>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                        <mml:mo>¯</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mo>∘</mml:mo>
                    <mml:mtext>E</mml:mtext>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                      <mml:mo>¯</mml:mo>
                    </mml:mover>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mtext>E</mml:mtext>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mo>∘</mml:mo>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                      <mml:mo>¯</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                    <mml:mo>∘</mml:mo>
                    <mml:msup>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                        <mml:mo>¯</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mn>0</mml:mn>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
          </mml:mtable>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>due to (26) and confirming that <inline-formula><mml:math><mml:math xmlns:m="http://schemas.openxmlformats.org/officeDocument/2006/math" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal"> E </mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> ' </mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></mml:math></inline-formula> is identically zero. Furthermore</p>
      <disp-formula id="FD33">
        <label>(29)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>r</mml:mi>
                <mml:mo>˙</mml:mo>
              </mml:mover>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>r</mml:mi>
                <mml:mo>˙</mml:mo>
              </mml:mover>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                  <mml:mo>¯</mml:mo>
                </mml:mover>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>r</mml:mi>
                <mml:msqrt>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mi>μ</mml:mi>
                    </mml:mfrac>
                  </mml:mrow>
                </mml:msqrt>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>∘</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                    <mml:mo>¯</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>r</mml:mi>
                <mml:msqrt>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mi>μ</mml:mi>
                    </mml:mfrac>
                  </mml:mrow>
                </mml:msqrt>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mi>μ</mml:mi>
              <mml:mi>a</mml:mi>
            </mml:mfrac>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:msup>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                    <mml:mo>¯</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>r</mml:mi>
            </mml:mfrac>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>verifies the rest. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo> ■ </mml:mo></mml:math></inline-formula></p>
      <p>Assuming that <inline-formula><mml:math><mml:mtext> E </mml:mtext></mml:math></inline-formula> is negative (to make the satellite <italic>orbit</italic> the primary), we may now choose <inline-formula><mml:math><mml:mi> a </mml:mi></mml:math></inline-formula> so that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> E </mml:mtext><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The equation to solve is then</p>
      <disp-formula id="FD34">
        <label>(30)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msup>
              <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
              <mml:mo>″</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi mathvariant="double-struck">O</mml:mi>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>(<inline-formula><mml:math><mml:mi mathvariant="double-struck"> O </mml:mi></mml:math></inline-formula> denoting a zero quaternion) while</p>
      <disp-formula id="FD35">
        <label>(31)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>a</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:msup>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                    <mml:mo>¯</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>r</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:mfrac>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Since there is no <italic>normal</italic> (perpendicular to the plane defined by the initial <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> r </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mover accent="true"><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ˙ </mml:mo></mml:mover></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> directions) force, it is obvious that the motion, and the corresponding solution to (16), must be <italic>planar</italic>. It is thus sufficient to start with a solution that keeps <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> r </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> in the <italic>x</italic>-<italic>y</italic> plane; this solution then can be transformed (by applying an <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext> exp </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> i </mml:mi></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mtext> exp </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> k </mml:mi></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mi> ϕ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> fixed rotation to it) to any other specific attitude (the transformation preserves the <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> Γ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> condition and the value of <inline-formula><mml:math><mml:mtext> E </mml:mtext></mml:math></inline-formula> ).</p>
      <p>To construct the most general solution to (30) [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>], we use the following notation</p>
      <disp-formula id="FD36">
        <label>(32)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mtext>q</mml:mtext>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mtext>exp</mml:mtext>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>s</mml:mi>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:mi>σ</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>and</p>
      <disp-formula id="FD37">
        <label>(33)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mtext>z</mml:mtext>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mtext>q</mml:mtext>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msup>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mtext>exp</mml:mtext>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>s</mml:mi>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:mi>σ</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mi> σ </mml:mi></mml:math></inline-formula> is a constant. From now on, quantities of this type (<italic>i</italic>.<italic>e</italic>. having only scalar and <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> k </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> components) are called <italic>complex</italic> (with <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> k </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> representing the purely-imaginary unit) and can be multiplied using rules of complex algebra (no need for the <inline-formula><mml:math><mml:mo> ∘ </mml:mo></mml:math></inline-formula> operation, unless one of the factors is a quaternion); their complex nature is emphasized by using a different font.</p>
      <p>The most general form of <inline-formula><mml:math><mml:mi mathvariant="double-struck"> U </mml:mi></mml:math></inline-formula> that keeps (17a) in the <inline-formula><mml:math><mml:mi> x </mml:mi></mml:math></inline-formula> -<inline-formula><mml:math><mml:mi> y </mml:mi></mml:math></inline-formula> plane and meets (30) is then</p>
      <disp-formula id="FD38">
        <label>(34)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mtext>U</mml:mtext>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mtext>exp</mml:mtext>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mi>ψ</mml:mi>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:mfrac>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>A</mml:mi>
                <mml:mtext>q</mml:mtext>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>B</mml:mi>
                <mml:msup>
                  <mml:mtext>q</mml:mtext>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> B </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> σ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mi> ψ </mml:mi></mml:math></inline-formula> being real constants; this implies that</p>
      <disp-formula id="FD39">
        <label>(35)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>r</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>A</mml:mi>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msup>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>B</mml:mi>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msup>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>A</mml:mi>
            <mml:mi>B</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>z</mml:mtext>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mtext>z</mml:mtext>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD40">
        <label>(36)</label>
        <mml:math>
          <!--?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?-->
          <mml:math xmlns:m="http://schemas.openxmlformats.org/officeDocument/2006/math" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
            <mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>'</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msup>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">k</mml:mi>
            <mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
            <mml:mi mathvariant="normal">x</mml:mi>
            <mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
            <mml:mfenced separators="|">
              <mml:mrow>
                <mml:mi mathvariant="bold-italic">k</mml:mi>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>ψ</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
              </mml:mrow>
            </mml:mfenced>
            <mml:mfenced separators="|">
              <mml:mrow>
                <mml:mi>A</mml:mi>
                <mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi>
                <mml:mo>-</mml:mo>
                <mml:mi>B</mml:mi>
                <mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>-</mml:mo>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
            </mml:mfenced>
          </mml:math>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>and</p>
      <disp-formula id="FD41">
        <label>(37)</label>
        <mml:math>
          <!--?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?-->
          <mml:math xmlns:m="http://schemas.openxmlformats.org/officeDocument/2006/math" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
            <mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>'</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msup>
            <mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>̄</mml:mo>
                </mml:mover>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>'</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msup>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>A</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msup>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>B</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msup>
            <mml:mo>-</mml:mo>
            <mml:mi>A</mml:mi>
            <mml:mi>B</mml:mi>
            <mml:mfenced separators="|">
              <mml:mrow>
                <mml:mi mathvariant="normal">z</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi mathvariant="normal">z</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>-</mml:mo>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
            </mml:mfenced>
          </mml:math>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>further implying, due to (31), that</p>
      <disp-formula id="FD42">
        <label>(38)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>a</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>A</mml:mi>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msup>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>B</mml:mi>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msup>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>It is easy to see that <inline-formula><mml:math><mml:math xmlns:m="http://schemas.openxmlformats.org/officeDocument/2006/math" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal"> U </mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> ' </mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic"> i </mml:mi><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mover accent="false"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal"> U </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover></mml:math></mml:math></inline-formula> then has only <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> i </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> j </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> components, implying that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> Γ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and confirming our original assumption.</p>
      <p>The fully general solution is then</p>
      <disp-formula id="FD43">
        <label>(39)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>ℝ</mml:mi>
            <mml:mo>∘</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>A</mml:mi>
                <mml:mtext>q</mml:mtext>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>B</mml:mi>
                <mml:msup>
                  <mml:mtext>q</mml:mtext>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℝ </mml:mi></mml:math></inline-formula> is an arbitrary rotation. This implies that</p>
      <disp-formula id="FD44">
        <label>(40)</label>
        <mml:math>
          <mml:mtable>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mi>ℝ</mml:mi>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>A</mml:mi>
                      <mml:mtext>q</mml:mtext>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mi>B</mml:mi>
                      <mml:msup>
                        <mml:mtext>q</mml:mtext>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>ℝ</mml:mi>
                  <mml:mo>¯</mml:mo>
                </mml:mover>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mi>ℝ</mml:mi>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>A</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msup>
                    <mml:mtext>z</mml:mtext>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>B</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msup>
                    <mml:msup>
                      <mml:mtext>z</mml:mtext>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msup>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                    <mml:mi>A</mml:mi>
                    <mml:mi>B</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>ℝ</mml:mi>
                  <mml:mo>¯</mml:mo>
                </mml:mover>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mi>ℝ</mml:mi>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msup>
                              <mml:mi>A</mml:mi>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:msup>
                            <mml:mo>+</mml:mo>
                            <mml:msup>
                              <mml:mi>B</mml:mi>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:msup>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mtext>cos</mml:mtext>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                            <mml:mi>s</mml:mi>
                            <mml:mo>−</mml:mo>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                            <mml:mi>σ</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>+</mml:mo>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                        <mml:mi>A</mml:mi>
                        <mml:mi>B</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                    </mml:mstyle>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msup>
                          <mml:mi>A</mml:mi>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:msup>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:msup>
                          <mml:mi>B</mml:mi>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:msup>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mtext>sin</mml:mtext>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                        <mml:mi>s</mml:mi>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                        <mml:mi>σ</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mstyle>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>ℝ</mml:mi>
                  <mml:mo>¯</mml:mo>
                </mml:mover>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
          </mml:mtable>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>We already know that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> A </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mo> + </mml:mo><mml:msup><mml:mi> B </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> a </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; introducing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> e </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mo> = </mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mi> A </mml:mi><mml:mi> B </mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> A </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mo> + </mml:mo><mml:msup><mml:mi> B </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the same solution can be written as</p>
      <disp-formula id="FD45">
        <label>(41)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
              <mml:mi>r</mml:mi>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>ℝ</mml:mi>
            <mml:mo>∘</mml:mo>
            <mml:mi>a</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mtext>cos</mml:mtext>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                        <mml:mi>s</mml:mi>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                        <mml:mi>σ</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>e</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msqrt>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>e</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                </mml:msqrt>
                <mml:mi>sin</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                    <mml:mi>s</mml:mi>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                    <mml:mi>σ</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                  <mml:mi>j</mml:mi>
                </mml:mstyle>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>∘</mml:mo>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi>ℝ</mml:mi>
              <mml:mo>¯</mml:mo>
            </mml:mover>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>which is easily recognized as an equation of an ellipse with semi-major axis equal to <inline-formula><mml:math><mml:mi> a </mml:mi></mml:math></inline-formula> and eccentricity equal to <inline-formula><mml:math><mml:mi> e </mml:mi></mml:math></inline-formula> . The remaining parameters (called orbital elements) of the general solution are the three Euler angles of the ellipse’s attitude and <inline-formula><mml:math><mml:mi> σ </mml:mi></mml:math></inline-formula> , the value of <inline-formula><mml:math><mml:mi> s </mml:mi></mml:math></inline-formula> at apocenter (<inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> r </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> with the largest magnitude).</p>
      <p>Finally, since</p>
      <disp-formula id="FD46">
        <label>(42)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>r</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>a</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>1</mml:mn>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>e</mml:mi>
                <mml:mi>cos</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                    <mml:mi>s</mml:mi>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                    <mml:mi>σ</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>we get, based on (17b),</p>
      <disp-formula id="FD47">
        <label>(43)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>t</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>3</mml:mn>
                      <mml:mo>/</mml:mo>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:msqrt>
                  <mml:mi>μ</mml:mi>
                </mml:msqrt>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
                <mml:mi>s</mml:mi>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mn>2</mml:mn>
                <mml:mi>σ</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>e</mml:mi>
                <mml:mi>cos</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                    <mml:mi>s</mml:mi>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                    <mml:mi>σ</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>relating real time <inline-formula><mml:math><mml:mi> t </mml:mi></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mi> s </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mi> σ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; the latter being a modified version (after subtracting <inline-formula><mml:math><mml:mi> π </mml:mi></mml:math></inline-formula> ) of so called <italic>eccentric anomaly</italic>.</p>
    </sec>
    <sec id="sec3">
      <title>3. Perturbed Equation</title>
      <p>When <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> ε </mml:mi><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> f </mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is nonzero, finding a solution becomes substantially more challenging; we can achieve it only to <inline-formula><mml:math><mml:mi> ε </mml:mi></mml:math></inline-formula> accuracy (when terms proportional to higher powers of <inline-formula><mml:math><mml:mi> ε </mml:mi></mml:math></inline-formula> are ignored, as done from now on). Nevertheless, once such first-order solution is found, we can use the same formulas to build a <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> ε </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> -accurate (and higher) solution, by iterating.</p>
      <p>To find <inline-formula><mml:math><mml:mi> ε </mml:mi></mml:math></inline-formula> -accurate solution [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>], we must abandon the <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> Γ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> gauge and return to solving (19) directly; to make the solution unique, a different gauge will offer itself in the process. We must also allow all six orbital elements of the unperturbed solution</p>
      <disp-formula id="FD48">
        <label>(44)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>ℝ</mml:mi>
            <mml:mo>∘</mml:mo>
            <mml:msqrt>
              <mml:mrow>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>β</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
              </mml:mrow>
            </mml:msqrt>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>q</mml:mtext>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>β</mml:mi>
                <mml:msup>
                  <mml:mtext>q</mml:mtext>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>ℝ</mml:mi>
            <mml:mo>∘</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mtext>U</mml:mtext>
              <mml:mn>0</mml:mn>
            </mml:msub>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> β </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mo> = </mml:mo><mml:mfrac><mml:mi> B </mml:mi><mml:mi> A </mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (a more convenient parametrization) to be slowly varying (their <italic>derivatives</italic> proportional to <inline-formula><mml:math><mml:mi> ε </mml:mi></mml:math></inline-formula> ) functions of <inline-formula><mml:math><mml:mi> s </mml:mi></mml:math></inline-formula> (this implies that their <italic>second</italic> derivatives are <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> ε </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> -proportional and therefore ignored). The 0 subscript of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext> U </mml:mtext><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> indicates that (i) the corresponding quantity is in Kepler’s frame and (ii) it is evaluated to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> ε </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<italic>i</italic>.<italic>e</italic>. unperturbed-solution) accuracy. Note that now</p>
      <disp-formula id="FD49">
        <label>(45)</label>
        <mml:math>
          <!--?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?-->
          <mml:math xmlns:m="http://schemas.openxmlformats.org/officeDocument/2006/math" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
            <mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>'</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msup>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">k</mml:mi>
            <mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi>
            <mml:mo>(</mml:mo>
            <mml:mn>1</mml:mn>
            <mml:mo>-</mml:mo>
            <mml:mi>ε</mml:mi>
            <mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>σ</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>'</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msup>
            <mml:mo>)</mml:mo>
          </mml:math>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD50">
        <mml:math>
          <!--?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?-->
          <mml:math xmlns:m="http://schemas.openxmlformats.org/officeDocument/2006/math" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
            <mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mi mathvariant="normal">z</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>'</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msup>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>2</mml:mn>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">k</mml:mi>
            <mml:mi mathvariant="normal">z</mml:mi>
            <mml:mo>(</mml:mo>
            <mml:mn>1</mml:mn>
            <mml:mo>-</mml:mo>
            <mml:mi>ε</mml:mi>
            <mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>σ</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>'</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msup>
            <mml:mo>)</mml:mo>
          </mml:math>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>(recall that <inline-formula><mml:math><mml:mi> ε </mml:mi></mml:math></inline-formula> multiplies all <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> ε </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> -small quantities, while <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> ε </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> -small and higher order terms are discarded).</p>
      <p>Finally, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext> U </mml:mtext><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> itself needs to be extended to (and replaced by)</p>
      <disp-formula id="FD51">
        <label>(46)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
              <mml:mtext>p</mml:mtext>
            </mml:msub>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mtext>U</mml:mtext>
              <mml:mn>0</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>ε</mml:mi>
            <mml:msub>
              <mml:mtext>U</mml:mtext>
              <mml:mtext>D</mml:mtext>
            </mml:msub>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>ε</mml:mi>
            <mml:msub>
              <mml:mtext>U</mml:mtext>
              <mml:mtext>S</mml:mtext>
            </mml:msub>
            <mml:mo>∘</mml:mo>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mi>i</mml:mi>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msqrt>
              <mml:mrow>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>β</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
              </mml:mrow>
            </mml:msqrt>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>q</mml:mtext>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>β</mml:mi>
                <mml:msup>
                  <mml:mtext>q</mml:mtext>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:msup>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mtext>q</mml:mtext>
                <mml:mi>ε</mml:mi>
                <mml:mtext>D</mml:mtext>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mtext>z</mml:mtext>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mtext>q</mml:mtext>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>ε</mml:mi>
                    <mml:mtext>S</mml:mtext>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mtext>z</mml:mtext>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                      <mml:mi>k</mml:mi>
                    </mml:mstyle>
                    <mml:mi>ε</mml:mi>
                    <mml:mi>b</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>β</mml:mi>
                    <mml:mtext>z</mml:mtext>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:mstyle>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> D </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mtext> z </mml:mtext><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a Laurent-series function of <inline-formula><mml:math><mml:mtext> z </mml:mtext></mml:math></inline-formula> [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>], with missing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script"> D </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mtext> z </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script"> D </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mtext> z </mml:mtext><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> terms, <italic>i</italic>.<italic>e</italic>.</p>
      <disp-formula id="FD52">
        <label>(47)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mtext>D</mml:mtext>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mtext>z</mml:mtext>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mo>⋯</mml:mo>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mn>4</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:msup>
              <mml:mtext>z</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mn>4</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msup>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mn>3</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:msup>
              <mml:mtext>z</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mn>3</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msup>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:msup>
              <mml:mtext>z</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msup>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
              <mml:mn>1</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mtext>z</mml:mtext>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:msup>
              <mml:mtext>z</mml:mtext>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msup>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
              <mml:mn>3</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:msup>
              <mml:mtext>z</mml:mtext>
              <mml:mn>3</mml:mn>
            </mml:msup>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
              <mml:mn>4</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:msup>
              <mml:mtext>z</mml:mtext>
              <mml:mn>4</mml:mn>
            </mml:msup>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mo>⋯</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where the <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script"> D </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> coefficients are (yet to be solved for) complex quantities.</p>
      <p>Similarly, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> S </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mtext> z </mml:mtext><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is another such complex function which must furthermore meet the <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> S </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mtext> z </mml:mtext><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> − </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mtext> S </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mtext> z </mml:mtext><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true"> ¯ </mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> condition (our new gauge), and is missing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script"> S </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mtext> z </mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (consequently <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script"> S </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mtext> z </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ) and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script"> S </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> terms. The latter one is actually needed to complete our solution<italic>,</italic> but is kept separate from <inline-formula><mml:math><mml:mtext> S </mml:mtext></mml:math></inline-formula> (we have denoted it <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> k </mml:mi></mml:mstyle><mml:mi> b </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , where <inline-formula><mml:math><mml:mi> b </mml:mi></mml:math></inline-formula> is real). Note that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext> U </mml:mtext><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext> U </mml:mtext><mml:mtext> D </mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext> U </mml:mtext><mml:mtext> S </mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are thus complex quantities as well. The solution we hope to construct should then results in <italic>unique</italic> formulas for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script"> D </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script"> S </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mi> b </mml:mi></mml:math></inline-formula> and for the <inline-formula><mml:math><mml:mi> s </mml:mi></mml:math></inline-formula> derivatives of six orbital elements; we now proceed to find these by substituting the proposed solution (namely <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="double-struck"> U </mml:mi><mml:mtext> p </mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ) into (19), and matching its two sides.</p>
      <p>Once done, (17a) would then convert the solution to <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> r </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> (as a function of <inline-formula><mml:math><mml:mi> s </mml:mi></mml:math></inline-formula> ), while (17b) then relates <inline-formula><mml:math><mml:mi> s </mml:mi></mml:math></inline-formula> to real time <inline-formula><mml:math><mml:mi> t </mml:mi></mml:math></inline-formula> ; this is a routine final step of the procedure.</p>
      <sec id="sec3dot1">
        <title>3.1. Further Simplification</title>
        <p>We start by simplifying the solution’s first two <inline-formula><mml:math><mml:mi> s </mml:mi></mml:math></inline-formula> derivatives, getting</p>
        <disp-formula id="FD53">
          <label>(48)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>ℝ</mml:mi>
                      <mml:mo>∘</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                        <mml:mtext>p</mml:mtext>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>′</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>ℝ</mml:mi>
              <mml:mo>∘</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:msup>
                  <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mtext>p</mml:mtext>
              </mml:msub>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mi>ℝ</mml:mi>
                <mml:mo>′</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mo>∘</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                <mml:mtext>p</mml:mtext>
              </mml:msub>
              <mml:mo>
              </mml:mo>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>ℝ</mml:mi>
              <mml:mo>∘</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mtext>p</mml:mtext>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>ε</mml:mi>
                      <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                        <mml:mi>Z</mml:mi>
                      </mml:mstyle>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mtext>U</mml:mtext>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>and</p>
        <disp-formula id="FD54">
          <label>(49)</label>
          <mml:math>
            <!--?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?-->
            <mml:math xmlns:m="http://schemas.openxmlformats.org/officeDocument/2006/math" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
              <mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mfenced separators="|">
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
                      <mml:mo>∘</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfenced>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>'</mml:mi>
                  <mml:mi>'</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
              <mml:mo>∘</mml:mo>
              <mml:mfenced separators="|">
                <mml:mrow>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>'</mml:mi>
                      <mml:mi>'</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mi>ε</mml:mi>
                  <mml:mi mathvariant="bold-italic">Z</mml:mi>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>'</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msubsup>
                </mml:mrow>
              </mml:mfenced>
            </mml:math>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>We then simplify the resulting <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> Γ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:msup><mml:mi mathvariant="double-struck"> U </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mtext> p </mml:mtext></mml:msub><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"><mml:mi> i </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="double-struck"> U </mml:mi><mml:mtext> p </mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="true"> ¯ </mml:mo></mml:mover><mml:mo> − </mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="double-struck"> U </mml:mi><mml:mtext> p </mml:mtext></mml:msub><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"><mml:mi> i </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msub><mml:msup><mml:mi mathvariant="double-struck"> U </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mtext> p </mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="true"> ¯ </mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which turns out to be nonzero and <inline-formula><mml:math><mml:mi> ε </mml:mi></mml:math></inline-formula> -small. More specifically</p>
        <disp-formula id="FD55">
          <label>(50)</label>
          <mml:math>
            <mml:mtable>
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mi>Γ</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mtext>p</mml:mtext>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                  </mml:mstyle>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                        <mml:mtext>p</mml:mtext>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo stretchy="true">¯</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                    <mml:mtext>p</mml:mtext>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                  </mml:mstyle>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:msup>
                          <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                          <mml:mo>′</mml:mo>
                        </mml:msup>
                        <mml:mtext>p</mml:mtext>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo stretchy="true">¯</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mi>ε</mml:mi>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                        <mml:mi>Z</mml:mi>
                      </mml:mstyle>
                      <mml:mo>∘</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                          <mml:mi>r</mml:mi>
                        </mml:mstyle>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                          <mml:mi>r</mml:mi>
                        </mml:mstyle>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>∘</mml:mo>
                      <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                        <mml:mi>Z</mml:mi>
                      </mml:mstyle>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:mfrac>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mi>ε</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:msup>
                          <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                          <mml:mo>′</mml:mo>
                        </mml:msup>
                        <mml:mtext>0</mml:mtext>
                      </mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mtext>U</mml:mtext>
                            <mml:mtext>S</mml:mtext>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo stretchy="true">¯</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mtext>U</mml:mtext>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:msup>
                              <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                              <mml:mo>′</mml:mo>
                            </mml:msup>
                            <mml:mtext>S</mml:mtext>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo stretchy="true">¯</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:msup>
                          <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                          <mml:mo>′</mml:mo>
                        </mml:msup>
                        <mml:mtext>S</mml:mtext>
                      </mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mtext>U</mml:mtext>
                            <mml:mn>0</mml:mn>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo stretchy="true">¯</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mtext>U</mml:mtext>
                        <mml:mtext>S</mml:mtext>
                      </mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:msup>
                              <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                              <mml:mo>′</mml:mo>
                            </mml:msup>
                            <mml:mtext>0</mml:mtext>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo stretchy="true">¯</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>Z</mml:mi>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                          </mml:msub>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                            <mml:mi>k</mml:mi>
                          </mml:mstyle>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>Z</mml:mi>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                      <mml:msup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mover accent="true">
                            <mml:mrow>
                              <mml:msub>
                                <mml:mtext>U</mml:mtext>
                                <mml:mn>0</mml:mn>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo stretchy="true">¯</mml:mo>
                          </mml:mover>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>Z</mml:mi>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                          </mml:msub>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                            <mml:mi>k</mml:mi>
                          </mml:mstyle>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>Z</mml:mi>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mtext>U</mml:mtext>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
            </mml:mtable>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"><mml:mi> r </mml:mi></mml:mstyle><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> : </mml:mo><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mtext> U </mml:mtext><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"><mml:mi> i </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext> U </mml:mtext><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="true"> ¯ </mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and a bar now implies <italic>complex</italic> conjugation. Note that contributions from the <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext> U </mml:mtext><mml:mtext> D </mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> part of the solution have cancelled out, the individual terms are complex, but the final Γ is real.</p>
        <p><bold>Proof:</bold></p>
        <disp-formula id="FD56">
          <label>(51)</label>
          <mml:math>
            <mml:mtable>
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:msub>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mtext>p</mml:mtext>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                  </mml:mstyle>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                        <mml:mtext>p</mml:mtext>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo stretchy="true">¯</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:msup>
                          <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                          <mml:mo>′</mml:mo>
                        </mml:msup>
                        <mml:mtext>0</mml:mtext>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mi>ε</mml:mi>
                      <mml:msub>
                        <mml:msup>
                          <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                          <mml:mo>′</mml:mo>
                        </mml:msup>
                        <mml:mtext>D</mml:mtext>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mi>ε</mml:mi>
                      <mml:msub>
                        <mml:msup>
                          <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                          <mml:mo>′</mml:mo>
                        </mml:msup>
                        <mml:mtext>S</mml:mtext>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>∘</mml:mo>
                      <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                      </mml:mstyle>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                  </mml:mstyle>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mtext>U</mml:mtext>
                            <mml:mn>0</mml:mn>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo stretchy="true">¯</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mi>ε</mml:mi>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mtext>U</mml:mtext>
                            <mml:mtext>D</mml:mtext>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo stretchy="true">¯</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                      </mml:mstyle>
                      <mml:mo>∘</mml:mo>
                      <mml:mi>ε</mml:mi>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mtext>U</mml:mtext>
                            <mml:mtext>S</mml:mtext>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo stretchy="true">¯</mml:mo>
                      </mml:mover>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mtext>0</mml:mtext>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                  </mml:mstyle>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mtext>U</mml:mtext>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo stretchy="true">¯</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mi>ε</mml:mi>
                  <mml:msub>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mtext>0</mml:mtext>
                  </mml:msub>
                  <mml:msub>
                    <mml:mtext>U</mml:mtext>
                    <mml:mtext>D</mml:mtext>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                  </mml:mstyle>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mi>ε</mml:mi>
                  <mml:msub>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mtext>D</mml:mtext>
                  </mml:msub>
                  <mml:msub>
                    <mml:mtext>U</mml:mtext>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                  </mml:mstyle>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mi>ε</mml:mi>
                  <mml:msub>
                    <mml:mtext>U</mml:mtext>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                  </mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mtext>U</mml:mtext>
                        <mml:mtext>S</mml:mtext>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo stretchy="true">¯</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mi>ε</mml:mi>
                  <mml:msub>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mtext>S</mml:mtext>
                  </mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mtext>U</mml:mtext>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo stretchy="true">¯</mml:mo>
                  </mml:mover>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
            </mml:mtable>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Adding the corresponding complex conjugate removes the first three terms, as <inline-formula><mml:math><mml:math xmlns:m="http://schemas.openxmlformats.org/officeDocument/2006/math" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal"> U </mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> ' </mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic"> i </mml:mi><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mover accent="false"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal"> U </mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover></mml:math></mml:math></inline-formula> contributes the unperturbed Γ (which equals to 0). and conjugating the next two term reverses their sign. The last two terms (plus their conjugates) then yield the first four terms of (50). Similarly</p>
        <disp-formula id="FD57">
          <label>(52)</label>
          <mml:math>
            <mml:mtable>
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                    <mml:mi>Z</mml:mi>
                  </mml:mstyle>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                    </mml:mstyle>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>Z</mml:mi>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                          </mml:msub>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                            <mml:mi>k</mml:mi>
                          </mml:mstyle>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>Z</mml:mi>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>∘</mml:mo>
                      <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                      </mml:mstyle>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                        <mml:mi>k</mml:mi>
                      </mml:mstyle>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>Z</mml:mi>
                        <mml:mn>3</mml:mn>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mtext>U</mml:mtext>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                  </mml:mstyle>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mtext>U</mml:mtext>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo stretchy="true">¯</mml:mo>
                  </mml:mover>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>Z</mml:mi>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                        <mml:mi>k</mml:mi>
                      </mml:mstyle>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>Z</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mtext>U</mml:mtext>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo stretchy="true">¯</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                    <mml:mi>j</mml:mi>
                  </mml:mstyle>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>Z</mml:mi>
                    <mml:mn>3</mml:mn>
                  </mml:msub>
                  <mml:msup>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mtext>U</mml:mtext>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo stretchy="true">¯</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
            </mml:mtable>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Adding its conjugate, namely</p>
        <disp-formula id="FD58">
          <label>(53)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>Z</mml:mi>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                    <mml:mi>k</mml:mi>
                  </mml:mstyle>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>Z</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:msubsup>
                <mml:mtext>U</mml:mtext>
                <mml:mn>0</mml:mn>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mi>Z</mml:mi>
                <mml:mn>3</mml:mn>
              </mml:msub>
              <mml:msubsup>
                <mml:mtext>U</mml:mtext>
                <mml:mn>0</mml:mn>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>∘</mml:mo>
              <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                <mml:mi>j</mml:mi>
              </mml:mstyle>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>Z</mml:mi>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                    <mml:mi>k</mml:mi>
                  </mml:mstyle>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>Z</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:msubsup>
                <mml:mtext>U</mml:mtext>
                <mml:mn>0</mml:mn>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                <mml:mi>j</mml:mi>
              </mml:mstyle>
              <mml:mo>∘</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mi>Z</mml:mi>
                <mml:mn>3</mml:mn>
              </mml:msub>
              <mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mtext>U</mml:mtext>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo stretchy="true">¯</mml:mo>
                  </mml:mover>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msup>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>then verifies the remaining terms of (50). <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo> ■ </mml:mo></mml:math></inline-formula></p>
        <p>We are now ready to substitute <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="double-struck"> U </mml:mi><mml:mtext> p </mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into (19); matching the equation’s two sides then yields formulas for the <inline-formula><mml:math><mml:mi> s </mml:mi></mml:math></inline-formula> -derivatives of orbital elements and for the coefficients of <inline-formula><mml:math><mml:mtext> D </mml:mtext></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mtext> S </mml:mtext></mml:math></inline-formula> . The resulting set of first-order differential equations for orbital elements (still truly autonomous, implying no need for averaging, and unaffected by one-orbit oscillations) can then be integrated, yielding invaluable insights into their long-range behaviour. On the other hand, <inline-formula><mml:math><mml:mtext> D </mml:mtext></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mtext> S </mml:mtext></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mi> b </mml:mi></mml:math></inline-formula> components of the solution provide parallel and perpendicular (to Kepler frame) distortions, respectively, of a single orbit. Since no approximation is used to build an <inline-formula><mml:math><mml:mi> ε </mml:mi></mml:math></inline-formula> - accurate solution, the same procedure can be used (iteratively) to construct <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> ε </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> -accurate (and higher-order) solutions, thus achieving arbitrary accuracy. The main advantage over similar techniques such as Lie-Deprit transformation [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>] and Hamiltonian canonical perturbation theory [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>] is in relative simplicity of our (yet to be derived) formulas. Admittedly, this derivation is rather involved (as seen shortly), but once found, the same formulas can be routinely applied to any autonomous perturbation and carried out to any order of <inline-formula><mml:math><mml:mi> ε </mml:mi></mml:math></inline-formula> accuracy. The only mathematical tool needed is already mentioned Laurent-series expansion of complex functions.</p>
        <p>To find explicit formulas for all unknowns of the proposed solution, we first pre-multiply each term of (19) by <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> ; this means that all quantities are transformed into the orbit’s Kepler frame, correspondingly simplifying the <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="double-struck"> U </mml:mi><mml:mtext> p </mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> solution and its two <inline-formula><mml:math><mml:mi> s </mml:mi></mml:math></inline-formula> derivatives (48) and (49), while the RHS becomes</p>
        <disp-formula id="FD59">
          <label>(54)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mn>4</mml:mn>
              <mml:msub>
                <mml:mi>r</mml:mi>
                <mml:mn>0</mml:mn>
              </mml:msub>
              <mml:mfrac>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mi>μ</mml:mi>
              </mml:mfrac>
              <mml:mi>ε</mml:mi>
              <mml:msub>
                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:mn>0</mml:mn>
              </mml:msub>
              <mml:mo>∘</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mtext>U</mml:mtext>
                <mml:mn>0</mml:mn>
              </mml:msub>
              <mml:mo>∘</mml:mo>
              <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                <mml:mi>i</mml:mi>
              </mml:mstyle>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> r </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> f </mml:mi></mml:mstyle><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> : </mml:mo><mml:mo> = </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> f </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mi> ℝ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are evaluated using the <italic>unperturbed</italic> solution <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext> U </mml:mtext><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . We now proceed to de-couple the resulting equation by converting it into two <italic>complex</italic> equations (easier to deal with, as multiplication becomes <italic>commutative</italic>).</p>
      </sec>
      <sec id="sec3dot2">
        <title>3.2. Building a Solution</title>
        <p>To derive first of these equations, we start with the LHS of the Kepler-frame version of (19), namely (expressed to the <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> ε </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> accuracy, and utilizing the fact that Γ, <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> Γ </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> are <inline-formula><mml:math><mml:mi> ε </mml:mi></mml:math></inline-formula> small)</p>
        <disp-formula id="FD60">
          <mml:math>
            <!--?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?-->
            <mml:math xmlns:m="http://schemas.openxmlformats.org/officeDocument/2006/math" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
              <mml:mn>2</mml:mn>
              <mml:mfenced separators="|">
                <mml:mrow>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>'</mml:mi>
                      <mml:mi>'</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mi>ε</mml:mi>
                  <mml:mi mathvariant="bold-italic">Z</mml:mi>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>'</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msubsup>
                </mml:mrow>
              </mml:mfenced>
              <mml:mo>-</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                  <mml:mfenced separators="|">
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>'</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>ε</mml:mi>
                          <mml:mi mathvariant="bold-italic">Z</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mfrac>
                      <mml:mo>∘</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfenced>
                  <mml:mo>∘</mml:mo>
                  <mml:mfenced separators="|">
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mover accent="false">
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>¯</mml:mo>
                          </mml:mover>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>'</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>-</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mover accent="false">
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>¯</mml:mo>
                          </mml:mover>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>∘</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>ε</mml:mi>
                          <mml:mi mathvariant="bold-italic">Z</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfenced>
                  <mml:mo>-</mml:mo>
                  <mml:mn>4</mml:mn>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
            </mml:math>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <disp-formula id="FD61">
          <label>(55)</label>
          <mml:math>
            <!--?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?-->
            <mml:math xmlns:m="http://schemas.openxmlformats.org/officeDocument/2006/math" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
              <mml:mi>
              </mml:mi>
              <mml:mo>-</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>ε</mml:mi>
                  <mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>'</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:msubsup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>'</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                  <mml:mi>ε</mml:mi>
                  <mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:msubsup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>'</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>∘</mml:mo>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">i</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mfenced separators="|">
                    <mml:mrow>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>ε</mml:mi>
                          <mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>r</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mn>0</mml:mn>
                            </mml:mrow>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfenced>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>'</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msup>
              <mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi mathvariant="double-struck">U</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>∘</mml:mo>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">i</mml:mi>
            </mml:math>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Post-multiplying by <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="double-struck"> U </mml:mi><mml:mtext> p </mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="true"> ¯ </mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and keeping complex components of each term only, we get (to the same <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> ε </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> accuracy)</p>
        <disp-formula id="FD62">
          <label>(56)</label>
          <mml:math>
            <!--?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?-->
            <mml:math xmlns:m="http://schemas.openxmlformats.org/officeDocument/2006/math" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
              <mml:mn>2</mml:mn>
              <mml:mfenced separators="|">
                <mml:mrow>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>'</mml:mi>
                      <mml:mi>'</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mi mathvariant="bold-italic">k</mml:mi>
                  <mml:mi>ε</mml:mi>
                  <mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>Z</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>3</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>'</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msubsup>
                </mml:mrow>
              </mml:mfenced>
              <mml:mover accent="false">
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>¯</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mo>-</mml:mo>
              <mml:mn>2</mml:mn>
              <mml:mfenced separators="|">
                <mml:mrow>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>'</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mi mathvariant="bold-italic">k</mml:mi>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>ε</mml:mi>
                      <mml:msub>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>Z</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mn>3</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
              </mml:mfenced>
              <mml:mfenced separators="|">
                <mml:mrow>
                  <mml:mover accent="false">
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>'</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>¯</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mo>-</mml:mo>
                  <mml:mi mathvariant="bold-italic">k</mml:mi>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>ε</mml:mi>
                      <mml:msub>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>Z</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mn>3</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mover accent="false">
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>¯</mml:mo>
                  </mml:mover>
                </mml:mrow>
              </mml:mfenced>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mn>4</mml:mn>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mo>-</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>ε</mml:mi>
                  <mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>'</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:msubsup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>'</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msubsup>
              <mml:mover accent="false">
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>¯</mml:mo>
              </mml:mover>
            </mml:math>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>(where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext> U </mml:mtext><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> : </mml:mo><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mtext> U </mml:mtext><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> ε </mml:mi><mml:msub><mml:mtext> U </mml:mtext><mml:mtext> D </mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ), while the RHS becomes</p>
        <disp-formula id="FD63">
          <label>(57)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mn>4</mml:mn>
              <mml:msub>
                <mml:mi>r</mml:mi>
                <mml:mn>0</mml:mn>
              </mml:msub>
              <mml:mfrac>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mi>μ</mml:mi>
              </mml:mfrac>
              <mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>ε</mml:mi>
                      <mml:msub>
                        <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                          <mml:mi>f</mml:mi>
                        </mml:mstyle>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>∘</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                          <mml:mi>r</mml:mi>
                        </mml:mstyle>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>cx</mml:mtext>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>:</mml:mo>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mn>4</mml:mn>
              <mml:mi>ε</mml:mi>
              <mml:msub>
                <mml:mi>r</mml:mi>
                <mml:mn>0</mml:mn>
              </mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mi>β</mml:mi>
                  <mml:mtext>z</mml:mtext>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mtext>Q</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mtext>z</mml:mtext>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>(the cx subscript implies keeping only scalar and <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> k </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> components), and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Q </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mtext> z </mml:mtext><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is correspondingly defined Laurent series. The Mathematica program of <xref ref-type="fig" rid="fig1">Figure 1</xref> completes the task of converting the LHS (short of the <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> + </mml:mo><mml:msup><mml:mi> β </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula> factor) into a function of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> D </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mtext> z </mml:mtext><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and of <inline-formula><mml:math><mml:mi> s </mml:mi></mml:math></inline-formula> derivatives of four orbital elements (highlighted); note that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> ε </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> terms have cancelled out, as expected. The code is reasonably self-explanatory, even to people not familiar with Mathematica.</p>
        <p>Explicit formulas for the corresponding unknowns of the perturbed solution are then found (see <xref ref-type="fig" rid="fig2">Figure 2</xref>) by matching coefficients of all powers of <inline-formula><mml:math><mml:mtext> z </mml:mtext></mml:math></inline-formula> in (57). The program first solves for the <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script"> D </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> coefficient of the <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> D </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mtext> z </mml:mtext><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> expansion while ignoring the <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> β </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> σ </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Z </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> terms (contributing to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext> z </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext> z </mml:mtext><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext> z </mml:mtext><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> powers only). This requires <italic>simultaneously</italic> solving for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script"> D </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script"> D </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and their complex conjugates, while considering them to be algebraically independent (they must and do turn out to be consistent with each other). To build the first of these four equations, we collect (the first line of code) coefficients of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext> z </mml:mtext><mml:mi> n </mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> which <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> D </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mtext> z </mml:mtext><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> contributes to the LHS of <xref ref-type="fig" rid="fig1">Figure 1</xref>, e.g. <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mtext> D </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mtext> z </mml:mtext><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true"> ¯ </mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> contributes <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script"> D </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:math xmlns:m="http://schemas.openxmlformats.org/officeDocument/2006/math" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal"> z </mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> β </mml:mi><mml:mi mathvariant="normal"> z </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal"> D </mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> ' </mml:mi><mml:mi> ' </mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi mathvariant="normal"> z </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:math></mml:math></inline-formula> contributes <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mi> n </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script"> D </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mi> β </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script"> D </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , etc., and subtract the coefficient of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext> z </mml:mtext><mml:mi> n </mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> after expanding the RHS of (57); the second equation is just the <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mo> − </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> counterpart of the first one, further including complex conjugates of both. The four equations are then expanded in powers of <inline-formula><mml:math><mml:mi> β </mml:mi></mml:math></inline-formula> and solved in an iterative manner; a careful choice of the expression multiplying <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Q </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mtext> z </mml:mtext><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on the RHS of (57) has made the iterative solution terminate upon reaching <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> β </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> -proportional terms (see the first part of the program, ending with a highlighted <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script"> D </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> solution). Note that the formula does not solve for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script"> D </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script"> D </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , implying that</p>
        <disp-formula id="FD64">
          <label>(58)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mtext>D</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mtext>z</mml:mtext>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>:</mml:mo>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:munderover>
                <mml:mstyle mathsize="140%" displaystyle="true">
                  <mml:mo>∑</mml:mo>
                </mml:mstyle>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mi>∞</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:munderover>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:msub>
                <mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
                <mml:mi>n</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:msup>
                <mml:mtext>z</mml:mtext>
                <mml:mi>n</mml:mi>
              </mml:msup>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:munderover>
                <mml:mstyle mathsize="140%" displaystyle="true">
                  <mml:mo>∑</mml:mo>
                </mml:mstyle>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mi>∞</mml:mi>
              </mml:munderover>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:msub>
                <mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
                <mml:mi>n</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:msup>
                <mml:mtext>z</mml:mtext>
                <mml:mi>n</mml:mi>
              </mml:msup>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <fig id="fig1">
          <label>Figure 1</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/7405582-rId657.jpeg?20260623044730" />
        </fig>
        <p><bold>Figure 1</bold><bold>.</bold> (56) further simplified.</p>
        <fig id="fig2">
          <label>Figure 2</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/7405582-rId658.jpeg?20260623044730" />
        </fig>
        <p><bold>Figure 2</bold><bold>.</bold> Solving (56)=(57).</p>
        <p>This makes <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> D </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mtext> z </mml:mtext><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> match coefficients of all powers of <inline-formula><mml:math><mml:mtext> z </mml:mtext></mml:math></inline-formula> , with the <italic>exception</italic> of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext> z </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext> z </mml:mtext><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext> z </mml:mtext><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; these are then used to solve for <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> β </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> σ </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Z </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; this is further simplified by solving, separately (yet another helpful de-coupling) the real (yielding <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Z </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> σ </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> ) and purely imaginary (yielding <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> β </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> ) parts of the corresponding three equations. Note that in both cases the equations are linearly dependent, thus allowing for a unique solution of each pair of unknowns (highlighted at the end of <xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3</xref>).</p>
        <p>To find <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> S </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mtext> z </mml:mtext><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Z </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Z </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mi> b </mml:mi></mml:math></inline-formula> , we now keep only the <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> i </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> j </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> terms of (55), thus getting</p>
        <disp-formula id="FD65">
          <mml:math>
            <!--?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?-->
            <mml:math xmlns:m="http://schemas.openxmlformats.org/officeDocument/2006/math" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
              <mml:mn>2</mml:mn>
              <mml:msubsup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>'</mml:mi>
                  <mml:mi>'</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>∘</mml:mo>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">i</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>ε</mml:mi>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>Z</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">i</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>Z</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">j</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
              <mml:mo>∘</mml:mo>
              <mml:msubsup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>'</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mn>2</mml:mn>
              <mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>∘</mml:mo>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">i</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                  <mml:mi>ε</mml:mi>
                  <mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:msubsup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>'</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>∘</mml:mo>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">i</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mfenced separators="|">
                    <mml:mrow>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>ε</mml:mi>
                          <mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>r</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mn>0</mml:mn>
                            </mml:mrow>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfenced>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>'</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msup>
              <mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>∘</mml:mo>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">i</mml:mi>
            </mml:math>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Post-multiplying by <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"><mml:mi> i </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext> U </mml:mtext><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="true"> ¯ </mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> results in</p>
        <fig id="fig3">
          <label>Figure 3</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/7405582-rId699.jpeg?20260623044730" />
        </fig>
        <p><bold>Figure 3</bold><bold>.</bold> LHS of (59).</p>
        <disp-formula id="FD66">
          <mml:math>
            <!--?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?-->
            <mml:math xmlns:m="http://schemas.openxmlformats.org/officeDocument/2006/math" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
              <mml:mi>
              </mml:mi>
              <mml:mi>
              </mml:mi>
              <mml:mi>
              </mml:mi>
              <mml:mi>
              </mml:mi>
              <mml:mi>
              </mml:mi>
              <mml:mi>
              </mml:mi>
              <mml:mi>
              </mml:mi>
              <mml:mi>
              </mml:mi>
              <mml:mi>
              </mml:mi>
              <mml:mi>
              </mml:mi>
              <mml:mi>
              </mml:mi>
              <mml:mi>
              </mml:mi>
              <mml:mi>
              </mml:mi>
              <mml:mi>
              </mml:mi>
              <mml:mi>
              </mml:mi>
              <mml:mi>
              </mml:mi>
              <mml:mi>
              </mml:mi>
              <mml:mi>
              </mml:mi>
              <mml:mi>
              </mml:mi>
              <mml:mi>
              </mml:mi>
              <mml:mi>
              </mml:mi>
              <mml:mi>
              </mml:mi>
              <mml:mi>
              </mml:mi>
              <mml:mi>
              </mml:mi>
              <mml:mi>
              </mml:mi>
              <mml:mi>
              </mml:mi>
              <mml:mi>
              </mml:mi>
              <mml:mo>-</mml:mo>
              <mml:mn>2</mml:mn>
              <mml:mi>ε</mml:mi>
              <mml:mfenced separators="|">
                <mml:mrow>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>'</mml:mi>
                      <mml:mi>'</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
              </mml:mfenced>
              <mml:mover accent="false">
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>¯</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mo>-</mml:mo>
              <mml:mn>2</mml:mn>
              <mml:mi>ε</mml:mi>
              <mml:mfenced separators="|">
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>Z</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mi mathvariant="bold-italic">k</mml:mi>
                  <mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>Z</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
              </mml:mfenced>
              <mml:mover accent="false">
                <mml:mrow>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>'</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>¯</mml:mo>
              </mml:mover>
            </mml:math>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <disp-formula id="FD67">
          <label>(59)</label>
          <mml:math>
            <!--?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?-->
            <mml:math xmlns:m="http://schemas.openxmlformats.org/officeDocument/2006/math" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
              <mml:mo>-</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                  <mml:mi>ε</mml:mi>
                  <mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:msubsup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>'</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msubsup>
              <mml:mover accent="false">
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>¯</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mo>-</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mfenced separators="|">
                    <mml:mrow>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>ε</mml:mi>
                          <mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>r</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mn>0</mml:mn>
                            </mml:mrow>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfenced>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>'</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msup>
              <mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>4</mml:mn>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">k</mml:mi>
              <mml:msubsup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:msubsup>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>μ</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>ε</mml:mi>
              <mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>3</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>:</mml:mo>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>4</mml:mn>
              <mml:mi>ε</mml:mi>
              <mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi mathvariant="normal">z</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:math>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mtext> W </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mtext> z </mml:mtext><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true"> ¯ </mml:mo></mml:mover><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> − </mml:mo><mml:mtext> W </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mtext> z </mml:mtext><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (note that each term of the equation has this property). We then proceed to simplify the LHS (short of a <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mfrac><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> + </mml:mo><mml:msup><mml:mi> β </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula> factor) of (59) by Mathematica program of <xref ref-type="fig" rid="fig4">Figure 4</xref>.</p>
        <p>And then to find <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script"> S </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (now much easier, as only one equation needs to be solved), followed by deriving formulas for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Z </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Z </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mi> b </mml:mi></mml:math></inline-formula> (by matching coefficients of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext> z </mml:mtext><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext> z </mml:mtext><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ); this is done in <xref ref-type="fig" rid="fig5">Figure 5</xref>.</p>
        <p>We now have a complete set of formulas needed to find (based on the perturbing force) all ingredients of our solution. Using this (<inline-formula><mml:math><mml:mi> ε </mml:mi></mml:math></inline-formula> -accurate) solution, we can then evaluate both sides of (19) to the <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> ε </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> accuracy and use the same formulas to construct <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> ε </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> -accurate solution, and so on. Post-multiplying the final solution by <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> exp </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> i </mml:mi></mml:mstyle><mml:mi> δ </mml:mi><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mi> s </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , where <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> is a properly chosen <italic>constant</italic>, we can then impose the <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> Γ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> gauge, if desired.</p>
      </sec>
      <sec id="sec3dot3">
        <title>3.3. Oblateness Example</title>
        <p>To illustrate how to apply these formulas, we consider the perturbing force experienced by an artificial satellites due to Earth’s oblateness, given by (using Kepler’s frame)</p>
        <fig id="fig4">
          <label>Figure 4</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/7405582-rId728.jpeg?20260623044730" />
        </fig>
        <p><bold>Figure 4</bold><bold>.</bold> Solving (59).</p>
        <fig id="fig5">
          <label>Figure 5</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/7405582-rId729.jpeg?20260623044730" />
        </fig>
        <p><bold>Figure 5</bold><bold>.</bold> Orbital-element derivatives under oblateness perturbations (Part 1).</p>
        <disp-formula id="FD68">
          <label>(60)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:mn>0</mml:mn>
              </mml:msub>
              <mml:mo>:</mml:mo>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>ε</mml:mi>
                  <mml:mi>μ</mml:mi>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>R</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mi>r</mml:mi>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                    <mml:mn>5</mml:mn>
                  </mml:msubsup>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mn>3</mml:mn>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:msub>
                    <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                    </mml:mstyle>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>15</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msub>
                                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                                  <mml:mi>r</mml:mi>
                                </mml:mstyle>
                                <mml:mn>0</mml:mn>
                              </mml:msub>
                              <mml:mo>⋅</mml:mo>
                              <mml:msub>
                                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                                  <mml:mi>u</mml:mi>
                                </mml:mstyle>
                                <mml:mn>0</mml:mn>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                      <mml:msub>
                        <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                          <mml:mi>r</mml:mi>
                        </mml:mstyle>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mn>3</mml:mn>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                          <mml:mi>r</mml:mi>
                        </mml:mstyle>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>⋅</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                        </mml:mstyle>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                    </mml:mstyle>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mi> ε </mml:mi></mml:math></inline-formula> is the second zonal-harmonic coefficient, <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> is the Earth’s equatorial radius, and <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> u </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> (equal to <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> k </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> , by our choice of coordinates) is the unit direction of the Earth’s axis. To convert <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> u </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> to Kepler’s frame, we post-multiply it by <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℝ </mml:mi></mml:math></inline-formula> of (13) and pre-multiply by <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> , thus getting</p>
        <disp-formula id="FD69">
          <label>(61)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:mn>0</mml:mn>
              </mml:msub>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                <mml:mi>i</mml:mi>
              </mml:mstyle>
              <mml:mi>sin</mml:mi>
              <mml:mi>θ</mml:mi>
              <mml:mi>sin</mml:mi>
              <mml:mi>ψ</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                <mml:mi>j</mml:mi>
              </mml:mstyle>
              <mml:mi>sin</mml:mi>
              <mml:mi>θ</mml:mi>
              <mml:mi>cos</mml:mi>
              <mml:mi>ψ</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                <mml:mi>k</mml:mi>
              </mml:mstyle>
              <mml:mi>cos</mml:mi>
              <mml:mi>θ</mml:mi>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>The key quantities needed to build the corresponding perturbed solution are</p>
        <disp-formula id="FD70">
          <label>(62)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mtext>Q</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mtext>z</mml:mtext>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>ε</mml:mi>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>R</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mi>r</mml:mi>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                    <mml:mn>5</mml:mn>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mi>β</mml:mi>
                      <mml:mtext>z</mml:mtext>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mn>3</mml:mn>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mi>r</mml:mi>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mn>9</mml:mn>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                              <mml:mi>r</mml:mi>
                            </mml:mstyle>
                            <mml:mn>0</mml:mn>
                          </mml:msub>
                          <mml:mo>⋅</mml:mo>
                          <mml:msub>
                            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                              <mml:mi>u</mml:mi>
                            </mml:mstyle>
                            <mml:mn>0</mml:mn>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mn>3</mml:mn>
                  <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                    <mml:mi>k</mml:mi>
                  </mml:mstyle>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                          <mml:mi>r</mml:mi>
                        </mml:mstyle>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>⋅</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                        </mml:mstyle>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                              <mml:mi>u</mml:mi>
                            </mml:mstyle>
                            <mml:mn>0</mml:mn>
                          </mml:msub>
                          <mml:mo>×</mml:mo>
                          <mml:msub>
                            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                              <mml:mi>r</mml:mi>
                            </mml:mstyle>
                            <mml:mn>0</mml:mn>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>3</mml:mn>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>and</p>
        <disp-formula id="FD71">
          <label>(63)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mtext>W</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mtext>z</mml:mtext>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>ε</mml:mi>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>R</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mi>r</mml:mi>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                    <mml:mn>6</mml:mn>
                  </mml:msubsup>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mn>3</mml:mn>
              <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                <mml:mi>k</mml:mi>
              </mml:mstyle>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                    </mml:mstyle>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>⋅</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                    </mml:mstyle>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>cos</mml:mi>
              <mml:mi>θ</mml:mi>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Converting these into derivatives of the orbital elements is done by Mathematical programs of <xref ref-type="fig" rid="fig5">Figure 5</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig6">Figure 6</xref>; while both <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> β </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> turn out to be equal to zero, further application of (15) results in the following classical formulas</p>
        <disp-formula id="FD72">
          <label>(64)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msup>
                <mml:mi>ϕ</mml:mi>
                <mml:mo>′</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                  <mml:mi>ε</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:msup>
                            <mml:mi>β</mml:mi>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msup>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>4</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:msup>
                            <mml:mi>β</mml:mi>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msup>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>4</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mi>cos</mml:mi>
              <mml:mi>θ</mml:mi>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <disp-formula id="FD73">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msup>
                <mml:mi>θ</mml:mi>
                <mml:mo>′</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>0</mml:mn>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <disp-formula id="FD74">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msup>
                <mml:mi>ψ</mml:mi>
                <mml:mo>′</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mi>ε</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:msup>
                            <mml:mi>β</mml:mi>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msup>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>4</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:msup>
                            <mml:mi>β</mml:mi>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msup>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>4</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>5</mml:mn>
                  <mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>cos</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:mi>θ</mml:mi>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <fig id="fig6">
          <label>Figure 6</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/7405582-rId762.jpeg?20260623044731" />
        </fig>
        <p><bold>Figure 6</bold><bold>.</bold> Orbital-element derivatives under oblateness perturbation (Part 2).</p>
        <p>which translate into a slow, uniform precession of the orbital plane around the Earth’s axis (with angular speed of <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> ϕ </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> ) and a similar rotation of the orbit’s perigee within the orbital plane with angular speed of <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> ψ </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> , while keeping the inclination angle fixed. Note that the perigee rotation ceases when <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext> arcsin </mml:mtext><mml:mfrac><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mn> 5 </mml:mn></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , called the <italic>critical angle</italic>; the <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> ε </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> -accurate solutions reveals that, instead of fully stopping, the rotation turns into a libration around the critical angle [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>] and [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>], but pursuing this goes beyond the scope of this article (consult the two references for further details). The first of these also derives expressions for resulting distortions of the Kepler’s frame <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> r </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> ; we do not quote them here due to their complexity.</p>
      </sec>
    </sec>
    <sec id="sec4">
      <title>4. Conclusions</title>
      <p>In this final section we want to mention a few potential extensions of the new technique (excluded from our basic presentation). Firstly, the technique is easily capable of dealing with more than one autonomous force at a time and (at the same time) reaching an arbitrarily accurate solution by iterating; this simply requires attaching a<italic>different</italic> small parameter (<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ε </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> ε </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋯ </mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ) to each individual perturbing force and applying existing formulas to individual terms of the corresponding expansion. A more difficult task (even in a single-force situation) is to establish the largest value of <inline-formula><mml:math><mml:mi> ε </mml:mi></mml:math></inline-formula> which forces the iteration process to converge; this remains an open question. But luckily, in typical applications, perturbing forces are small enough to guarantee fast convergence.</p>
      <p>The most obvious modification of our formulas is clearly needed when the perturbing force is no longer autonomous; this has been done in [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>]. The solution can no longer avoid introducing fast (<italic>i</italic>.<italic>e</italic>. one orbit) oscillations into the resulting differential equations for orbital elements, thus making it more difficult to maintain high accuracy when exploring their long-term (millions of years) behavior. Nevertheless, in these cases, getting the correct qualitative picture is often the main goal, amply met by the extended formulas.</p>
      <p>When all parameters of the perturbing force are numerical, it becomes beneficial (when constructing higher-order solution) to modify the iteration process not just to find the next-order solution, but also to <italic>update</italic> the existing one (till no changes are observed); this has been demonstrated in [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>] and offers a way of properly dealing with <italic>small divisors</italic>.</p>
      <p>The final challenge to solving a perturbed Kepler problem is due to so called <italic>resonances</italic>, happening when a ratio of the satellite’s (used in a generic sense) orbital period to the period of a (cyclic) perturbing force becomes a simple fraction (such as 2:1, 3:2 etc.); the new technique is well equipped to elucidate main features of the corresponding solution, as corroborated by [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>] and several related articles.</p>
      <p>The new technique has thus a large range of applications (well beyond what we could cover in this article) due to its ability to resolve several potential issues adversely affecting many traditional methods of solution. Yet, further advancement is still possible, but requires a solid background in the technique’s fundamentals; it is hoped that our article has provided it.</p>
    </sec>
  </body>
  <back>
    <ref-list>
      <title>References</title>
      <ref id="B1">
        <label>1.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Serre, J.P. (1973) A Course in Arithmetic, Graduate Texts in Mathematics. Springer.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Serre, J.P.</string-name>
              <string-name>Arithmetic, G</string-name>
            </person-group>
            <year>1973</year>
            <article-title>A Course in Arithmetic, Graduate Texts in Mathematics</article-title>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B2">
        <label>2.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Chelnokov, Y.N. (2022) Quaternion Methods and Models of Regular Celestial Mechanics and Astrodynamics. <italic>Applied</italic><italic>Mathematics</italic><italic>and</italic><italic>Mechanics</italic>, 43, 21-80. https://doi.org/10.1007/s10483-021-2797-9 <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10483-021-2797-9</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1007/s10483-021-2797-9">https://doi.org/10.1007/s10483-021-2797-9</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Chelnokov, Y.N.</string-name>
            </person-group>
            <year>2022</year>
            <article-title>Quaternion Methods and Models of Regular Celestial Mechanics and Astrodynamics</article-title>
            <source>Applied Mathematics and Mechanics</source>
            <volume>43</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10483-021-2797-9</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B3">
        <label>3.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="book">Goldstein, H. (1980) Classical Mechanics. 2nd Edition, Addison-Wesley.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="book">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Goldstein, H.</string-name>
              <string-name>Edition, A</string-name>
            </person-group>
            <year>1980</year>
            <article-title>Classical Mechanics</article-title>
            <source>2nd Edition</source>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B4">
        <label>4.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Kustaanheimo, P., Schinzel, A., Davenport, H. and Stiefel, E. (1965) Perturbation Theory of Kepler Motion Based on Spinor Regularization. <italic>Journal für die</italic><italic>reine</italic><italic>und</italic><italic>angewandte</italic><italic>Mathematik</italic>, 1965, 204-219. https://doi.org/10.1515/crll.1965.218.204 <pub-id pub-id-type="doi">10.1515/crll.1965.218.204</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1515/crll.1965.218.204">https://doi.org/10.1515/crll.1965.218.204</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Kustaanheimo, P.</string-name>
              <string-name>Schinzel, A.</string-name>
              <string-name>Davenport, H.</string-name>
              <string-name>Stiefel, E.</string-name>
            </person-group>
            <year>1965</year>
            <article-title>Perturbation Theory of Kepler Motion Based on Spinor Regularization</article-title>
            <source>Journal für die reine und angewandte Mathematik</source>
            <volume>1965</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1515/crll.1965.218.204</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B5">
        <label>5.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Stiefel, E.L. and Scheifele, G. (1971) Linear and Regular Celestial Mechanics. Springer-Verlag.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Stiefel, E.L.</string-name>
              <string-name>Scheifele, G.</string-name>
            </person-group>
            <year>1971</year>
            <article-title>Linear and Regular Celestial Mechanics</article-title>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B6">
        <label>6.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Vrbik, J. (2023) New Methods of Celestial Mechanics. Bantham Science Publishers.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Vrbik, J.</string-name>
            </person-group>
            <year>2023</year>
            <article-title>New Methods of Celestial Mechanics</article-title>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B7">
        <label>7.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="book">Rudin, W. (1987) Real and Complex Analysis. 3rd Edition, McGraw-Hill.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="book">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Rudin, W.</string-name>
              <string-name>Edition, M</string-name>
            </person-group>
            <year>1987</year>
            <article-title>Real and Complex Analysis</article-title>
            <source>3rd Edition</source>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B8">
        <label>8.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Cary, J.R. (1981) Lie Transform Perturbation Theory for Hamiltonian Systems. <italic>Physics</italic><italic>Reports</italic>, 79, 129-159. https://doi.org/10.1016/0370-1573(81)90175-7 <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0370-1573(81)90175-7</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1016/0370-1573(81)90175-7">https://doi.org/10.1016/0370-1573(81)90175-7</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Cary, J.R.</string-name>
            </person-group>
            <year>1981</year>
            <article-title>Lie Transform Perturbation Theory for Hamiltonian Systems</article-title>
            <source>Physics Reports</source>
            <volume>1573</volume>
            <issue>81</issue>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0370-1573(81)90175-7</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B9">
        <label>9.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Boccaletti, D. and Pucacco, G. (1999) Theory of Orbits. Volume 2: Perturbative and Geometrical Methods. Springer-Verlag.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Boccaletti, D.</string-name>
              <string-name>Pucacco, G.</string-name>
            </person-group>
            <year>1999</year>
            <article-title>Theory of Orbits</article-title>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B10">
        <label>10.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Vrbik, J. (1997) Oblateness Perturbations to Fourth Order. <italic>Monthly Notices of the Royal Astronomical Society</italic>, 291, 65-70. https://doi.org/10.1093/mnras/291.1.65 <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/mnras/291.1.65</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1093/mnras/291.1.65">https://doi.org/10.1093/mnras/291.1.65</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Vrbik, J.</string-name>
            </person-group>
            <year>1997</year>
            <article-title>Oblateness Perturbations to Fourth Order</article-title>
            <source>Monthly Notices of the Royal Astronomical Society</source>
            <volume>291</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/mnras/291.1.65</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B11">
        <label>11.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Vrbik, J. (2009) Second Erratum: Oblateness Perturbations to Fourth Order. <italic>Monthly Notices of the Royal Astronomical Society</italic>, 399, 1088. https://doi.org/10.1111/j.1365-2966.2009.15412.x <pub-id pub-id-type="doi">10.1111/j.1365-2966.2009.15412.x</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1111/j.1365-2966.2009.15412.x">https://doi.org/10.1111/j.1365-2966.2009.15412.x</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Vrbik, J.</string-name>
            </person-group>
            <year>2009</year>
            <article-title>Second Erratum: Oblateness Perturbations to Fourth Order</article-title>
            <source>Monthly Notices of the Royal Astronomical Society</source>
            <volume>399</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1111/j.1365-2966.2009.15412.x</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B12">
        <label>12.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Vrbik, J. (1995) Perturbed Kepler Problem in Quaternionic Form. <italic>Journal of Physics A</italic>: <italic>Mathematical and General</italic>, 28, 6245-6252. https://doi.org/10.1088/0305-4470/28/21/027 <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0305-4470/28/21/027</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1088/0305-4470/28/21/027">https://doi.org/10.1088/0305-4470/28/21/027</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Vrbik, J.</string-name>
            </person-group>
            <year>1995</year>
            <article-title>Perturbed Kepler Problem in Quaternionic Form</article-title>
            <source>Journal of Physics A: Mathematical and General</source>
            <volume>28</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0305-4470/28/21/027</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B13">
        <label>13.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Vrbik, J. (2001) Quaternionic Processor. <italic>Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy</italic>, 80, 111-118. https://doi.org/10.1023/a:1011979701759 <pub-id pub-id-type="doi">10.1023/a:1011979701759</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1023/a:1011979701759">https://doi.org/10.1023/a:1011979701759</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Vrbik, J.</string-name>
            </person-group>
            <year>2001</year>
            <article-title>Quaternionic Processor</article-title>
            <source>Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy</source>
            <volume>80</volume>
            <fpage>101197</fpage>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1023/a:1011979701759</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B14">
        <label>14.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Vrbik, J. (1996) Resonance Formation of Kirkwood Gaps and Asteroid Clusters. <italic>Journal of Physics A</italic>: <italic>Mathematical and General</italic>, 29, 3311-3316. https://doi.org/10.1088/0305-4470/29/12/033 <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0305-4470/29/12/033</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1088/0305-4470/29/12/033">https://doi.org/10.1088/0305-4470/29/12/033</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Vrbik, J.</string-name>
            </person-group>
            <year>1996</year>
            <article-title>Resonance Formation of Kirkwood Gaps and Asteroid Clusters</article-title>
            <source>Journal of Physics A: Mathematical and General</source>
            <volume>29</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0305-4470/29/12/033</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
    </ref-list>
  </back>
</article>