8.2.10 Area between 2 curves
Integration: Further Area
Area Between Two Curves
Find the area of the shaded region A A A .
Area between the uppermost curve and the x x x -axis, take the area between the lowermost curve and the x x x -axis.
A 1 = โซ 0 1 x 2 โ d x = [ 1 3 x 3 ] 0 1 = ( 1 3 ( 1 ) 3 โ 1 3 ( 0 ) 3 ) = 1 3 A_1 = \int_0^1 x^2 \, dx = \left[ \frac{1}{3}x^3 \right]_0^1 = \left( \frac{1}{3}(1)^3 - \frac{1}{3}(0)^3 \right) = \frac{1}{3} A 1 โ = โซ 0 1 โ x 2 d x = [ 3 1 โ x 3 ] 0 1 โ = ( 3 1 โ ( 1 ) 3 โ 3 1 โ ( 0 ) 3 ) = 3 1 โ
A 2 = โซ 0 1 x 3 โ d x = [ 1 4 x 4 ] 0 1 = ( 1 4 ( 1 ) 4 โ 1 4 ( 0 ) 4 ) = 1 4 A_2 = \int_0^1 x^3 \, dx = \left[ \frac{1}{4}x^4 \right]_0^1 = \left( \frac{1}{4}(1)^4 - \frac{1}{4}(0)^4 \right) = \frac{1}{4} A 2 โ = โซ 0 1 โ x 3 d x = [ 4 1 โ x 4 ] 0 1 โ = ( 4 1 โ ( 1 ) 4 โ 4 1 โ ( 0 ) 4 ) = 4 1 โ
Therefore:
A = 1 3 โ 1 4 = : h i g h l i g h t [ 1 12 ] A = \frac{1}{3} - \frac{1}{4} = :highlight[\frac{1}{12}] A = 3 1 โ โ 4 1 โ =: hi g h l i g h t [ 12 1 โ ]
Alternative Method
โซ 0 1 x 2 โ x 3 โ d x = [ 1 3 x 3 โ 1 4 x 4 ] 0 1 = ( 1 3 ( 1 ) 3 โ 1 4 ( 1 ) 4 ) โ ( 1 3 ( 0 ) 3 โ 1 4 ( 0 ) 4 ) = : h i g h l i g h t [ 1 12 ] \int_0^1 x^2 - x^3 \, dx = \left[ \frac{1}{3}x^3 - \frac{1}{4}x^4 \right]_0^1 = \left( \frac{1}{3}(1)^3 - \frac{1}{4}(1)^4 \right) - \left( \frac{1}{3}(0)^3 - \frac{1}{4}(0)^4 \right) = :highlight[\frac{1}{12}] โซ 0 1 โ x 2 โ x 3 d x = [ 3 1 โ x 3 โ 4 1 โ x 4 ] 0 1 โ = ( 3 1 โ ( 1 ) 3 โ 4 1 โ ( 1 ) 4 ) โ ( 3 1 โ ( 0 ) 3 โ 4 1 โ ( 0 ) 4 ) =: hi g h l i g h t [ 12 1 โ ]
Area Between a Curve and the y y y -Axis
The formula for the area under a curve (i.e., between the curve and the x x x -axis) is:
โซ x 1 x 2 y โ d x \int_{x_1}^{x_2} y \, dx โซ x 1 โ x 2 โ โ y d x
The formula for the area between a curve and the y y y -axis is:
: h i g h l i g h t [ โซ y 1 y 2 x โ d y ] :highlight[\int_{y_1}^{y_2} x \, dy] : hi g h l i g h t [ โซ y 1 โ y 2 โ โ x d y ]
Find the area between the "upper curve" (red) and the x-axis:
โซ 1 3 ( 11 โ 9 x 2 ) d x = โซ 1 3 11 โ 9 x โ 2 d x \int_1^3 \left( 11 - \frac{9}{x^2} \right) dx = \int_1^3 11 - 9x^{-2} dx โซ 1 3 โ ( 11 โ x 2 9 โ ) d x = โซ 1 3 โ 11 โ 9 x โ 2 d x
= [ 11 x + 9 x โ 1 ] 1 3 = \left[ 11x + 9{x^{-1}} \right]_1^3 = [ 11 x + 9 x โ 1 ] 1 3 โ
= ( 11 ( 3 ) + 9 ( 3 ) โ 1 ) โ ( 11 ( 1 ) + 9 ( 1 ) โ 1 ) = 16 = (11(3) + 9(3)^{-1}) - (11(1) + 9(1)^{-1}) = 16 = ( 11 ( 3 ) + 9 ( 3 ) โ 1 ) โ ( 11 ( 1 ) + 9 ( 1 ) โ 1 ) = 16
Find the area between the "lower curve" (blue) and the x x x -axis:
โซ 1 3 ( x 2 + 1 ) d x = [ x 3 3 + x ] 1 3 = ( 3 3 3 + 3 ) โ ( 1 3 3 + 1 ) = 32 3 \int_1^3 \left( x^2 + 1 \right) dx = \left[ \frac{x^3}{3} + x \right]_1^3 = \left( \frac{3^3}{3} + 3 \right) - \left( \frac{1^3}{3} + 1 \right) = \frac{32}{3} โซ 1 3 โ ( x 2 + 1 ) d x = [ 3 x 3 โ + x ] 1 3 โ = ( 3 3 3 โ + 3 ) โ ( 3 1 3 โ + 1 ) = 3 32 โ
Subtract:
A = 16 โ 32 3 = : h i g h l i g h t [ 16 3 ] A = 16 - \frac{32}{3} = :highlight[\frac{16}{3}] A = 16 โ 3 32 โ =: hi g h l i g h t [ 3 16 โ ]
Alternative Method: Subtract Before Evaluating Limits
โซ 1 3 11 โ 9 x โ 2 โ ( x 2 + 1 ) ย d x = โซ 1 3 10 โ 9 x โ 2 โ x 2 ย d x \int_1^3 11 - 9{x^{-2}} - (x^2 + 1)\ dx = \int_1^3 10 - 9{x^{-2}} - x^2 \ dx โซ 1 3 โ 11 โ 9 x โ 2 โ ( x 2 + 1 ) ย d x = โซ 1 3 โ 10 โ 9 x โ 2 โ x 2 ย d x
= [ 10 x + 9 x โ 1 โ x 3 3 ] 1 3 = \left[ 10x + 9{x^{-1}} - \frac{x^3}{3} \right]_1^3 = [ 10 x + 9 x โ 1 โ 3 x 3 โ ] 1 3 โ
= ( 10 ( 3 ) + 9 ( 3 ) โ 1 โ 3 3 3 ) โ ( 10 ( 1 ) + 9 ( 1 ) โ 1 โ 1 3 3 ) = : h i g h l i g h t [ 16 3 ] = \left( 10(3) + 9(3)^{-1} - \frac{3^3}{3} \right) - \left( 10(1) + 9(1)^{-1} - \frac{1^3}{3} \right) = :highlight[\frac{16}{3}] = ( 10 ( 3 ) + 9 ( 3 ) โ 1 โ 3 3 3 โ ) โ ( 10 ( 1 ) + 9 ( 1 ) โ 1 โ 3 1 3 โ ) =: hi g h l i g h t [ 3 16 โ ]
The diagram shows the curve y = 6 x 3 2 y = 6x^{\frac{3}{2}} y = 6 x 2 3 โ and part of the curve y = 8 x 2 โ 2 y = \frac{8}{x^2} - 2 y = x 2 8 โ โ 2 , which intersect at the point (1, 6) . Use integration to find the area of the shaded region enclosed by the two curves and the x-axis.
Region (A)
โซ 0 1 6 x 3 2 โ d x = [ 2 5 ร 6 x 5 2 ] 0 1 = [ 12 5 x 5 2 ] 0 1 = ( 12 5 ( 1 ) ) โ ( 12 5 ( 0 ) ) \int_0^1 6x^{\frac{3}{2}} \, dx = \left[ \frac{2}{5} \times 6x^{\frac{5}{2}} \right]_0^1 = \left[ \frac{12}{5} x^{\frac{5}{2}} \right]_0^1 = \left( \frac{12}{5}(1)\right) - \left( \frac{12}{5}(0) \right) โซ 0 1 โ 6 x 2 3 โ d x = [ 5 2 โ ร 6 x 2 5 โ ] 0 1 โ = [ 5 12 โ x 2 5 โ ] 0 1 โ = ( 5 12 โ ( 1 ) ) โ ( 5 12 โ ( 0 ) )
= 12 5 = \frac{12}{5} = 5 12 โ
Region (B)
Root of y = 8 x 2 โ 2 y = \frac{8}{x^2} - 2 y = x 2 8 โ โ 2 :
Letย y = 0 โ 0 = 8 x 2 โ 2 โ 0 = 8 โ 2 x 2 โ 8 = 2 x 2 = 8 โ x 2 = 4 \text{Let } y = 0 \Rightarrow 0 = \frac{8}{x^2} - 2 \Rightarrow 0 = 8 - 2x^2 \Rightarrow 8 = 2x^2 =8 \Rightarrow x^2 = 4 Letย y = 0 โ 0 = x 2 8 โ โ 2 โ 0 = 8 โ 2 x 2 โ 8 = 2 x 2 = 8 โ x 2 = 4
โ x = 2 ย orย x = โ 2 โ ( notย validย sinceย x > 0 ) \Rightarrow x = 2 \text{ or } x = -2 \, (\text{not valid since } x > 0) โ x = 2 ย orย x = โ 2 ( notย validย sinceย x > 0 )
โด โซ 1 2 8 x โ 2 โ 2 ย d x = [ โ 8 x โ 1 โ 2 x ] 1 2 = ( โ 8 ( 2 ) โ 2 โ 2 ( 2 ) ) โ ( โ 8 ( 1 ) โ 1 โ 2 ( 1 ) ) \therefore \int_1^2 8{x^{-2}} - 2 \ dx = \left[- 8x^{-1}- 2x \right]_1^2 = \left( -8(2)^{-2} - 2(2) \right) - \left( -8(1)^{-1} - 2(1) \right) โด โซ 1 2 โ 8 x โ 2 โ 2 ย d x = [ โ 8 x โ 1 โ 2 x ] 1 2 โ = ( โ 8 ( 2 ) โ 2 โ 2 ( 2 ) ) โ ( โ 8 ( 1 ) โ 1 โ 2 ( 1 ) )
= 2 = 2 = 2
Total Area:
Area = ( A ) + ( B ) = 12 5 + 2 = : h i g h l i g h t [ 22 5 ] \text{Area} = (A) + (B) = \frac{12}{5} + 2 = :highlight[\frac{22}{5}] Area = ( A ) + ( B ) = 5 12 โ + 2 =: hi g h l i g h t [ 5 22 โ ]
Integration: Area Between a Curve and the y y y -Axis
To find the area between a curve and the x x x -axis, we calculate:
โซ x 1 x 2 y โ d x \int_{x_1}^{x_2} y \, dx โซ x 1 โ x 2 โ โ y d x
To find the area between a curve and the y y y -axis, we calculate:
: h i g h l i g h t [ โซ y 1 y 2 x โ d y ] (usingย y-limits,ย notย x-limits) :highlight[\int_{y_1}^{y_2} x \, dy] \quad \text{(using y-limits, not x-limits)} : hi g h l i g h t [ โซ y 1 โ y 2 โ โ x d y ] (usingย y-limits,ย notย x-limits)
Solution
(i) Start with the equation of the curve:
y = 3 + x + 2 y = 3 + \sqrt{x+2} y = 3 + x + 2 โ
Rearrange to solve for x x x :
y โ 3 = x + 2 โ ( y โ 3 ) 2 = x + 2 โ x = ( y โ 3 ) 2 โ 2 y - 3 = \sqrt{x+2} \Rightarrow (y-3)^2 = x+2 \Rightarrow x = (y-3)^2 - 2 y โ 3 = x + 2 โ โ ( y โ 3 ) 2 = x + 2 โ x = ( y โ 3 ) 2 โ 2
= y 2 โ 6 y + 9 โ 2 = y 2 โ 6 y + 7 =y^2-6y+9-2 = y^2-6y+7 = y 2 โ 6 y + 9 โ 2 = y 2 โ 6 y + 7
When x = 2 โ y = 3 + 2 + 2 = 5 x = 2 \Rightarrow y =3+\sqrt {2+2} = 5 x = 2 โ y = 3 + 2 + 2 โ = 5
When x = 14 โ y = 3 + 14 + 2 = 7 x = 14 \Rightarrow y = 3 + \sqrt {14+2} = 7 x = 14 โ y = 3 + 14 + 2 โ = 7
Therefore Area
โซ 5 7 y 2 โ 6 y + 7 โ d y \int_5^7 y^2 - 6y + 7 \, dy โซ 5 7 โ y 2 โ 6 y + 7 d y
(ii) Calculate the area using the integral:
โซ 5 7 ( y 2 โ 6 y + 7 ) โ d y = [ y 3 3 โ 3 y 2 + 7 y ] 5 7 \int_5^7 (y^2 - 6y + 7) \, dy = \left[\frac{y^3}{3} - 3y^2 + 7y\right]_5^7 โซ 5 7 โ ( y 2 โ 6 y + 7 ) d y = [ 3 y 3 โ โ 3 y 2 + 7 y ] 5 7 โ
Substitute the limits 5 5 5 and 7 7 7 :
= ( 7 3 3 โ 3 ( 7 2 ) + 7 ( 7 ) ) โ ( 5 3 3 โ 3 ( 5 2 ) + 7 ( 5 ) ) = \left(\frac{7^3}{3} - 3(7^2) + 7(7)\right) - \left(\frac{5^3}{3} - 3(5^2) + 7(5)\right) = ( 3 7 3 โ โ 3 ( 7 2 ) + 7 ( 7 ) ) โ ( 3 5 3 โ โ 3 ( 5 2 ) + 7 ( 5 ) )
= : h i g h l i g h t [ 44 3 ] = :highlight[\frac{44}{3}] =: hi g h l i g h t [ 3 44 โ ]