Answer: Integral of a Max with a Circle
ฯ 3 โ 3 4 \boxed{\dfrac{\pi}{3} - \dfrac{\sqrt{3}}{4}} 3 ฯ โ โ 4 3 โ โ โ
Intuition First
The function y = 1 โ x 2 y = \sqrt{1-x^2} y = 1 โ x 2 โ is the upper unit semicircle . The integrand max โก ( 0 , โ 1 โ x 2 โ 1 2 ) \max(0,\, \sqrt{1-x^2} - \tfrac{1}{2}) max ( 0 , 1 โ x 2 โ โ 2 1 โ ) is zero wherever the circle dips below the horizontal line y = 1 2 y = \tfrac{1}{2} y = 2 1 โ , and equals the height above that line wherever the circle is above it.
So the integral is simply the area of the circular segment of the unit disk that lies above the line y = 1 2 y = \tfrac{1}{2} y = 2 1 โ .
(integral) = (sectorย area) โ (triangleย area) \text{(integral)} = \text{(sector area)} - \text{(triangle area)} (integral) = (sectorย area) โ (triangleย area)
Geometric Solution
Step 1 โ Find where the circle crosses y = 1 2 y = \tfrac{1}{2} y = 2 1 โ .
1 โ x 2 = 1 2 โ
โ โน โ
โ x = ยฑ 3 2 \sqrt{1-x^2} = \frac{1}{2} \implies x = \pm\frac{\sqrt{3}}{2} 1 โ x 2 โ = 2 1 โ โน x = ยฑ 2 3 โ โ
In polar terms, these are the points at angles ฮธ = ฯ 6 \theta = \tfrac{\pi}{6} ฮธ = 6 ฯ โ and ฮธ = 5 ฯ 6 \theta = \tfrac{5\pi}{6} ฮธ = 6 5 ฯ โ . The arc above y = 1 2 y = \tfrac{1}{2} y = 2 1 โ subtends an angle of 5 ฯ 6 โ ฯ 6 = 2 ฯ 3 \tfrac{5\pi}{6} - \tfrac{\pi}{6} = \tfrac{2\pi}{3} 6 5 ฯ โ โ 6 ฯ โ = 3 2 ฯ โ .
Step 2 โ Sector area.
A sector = 1 2 r 2 โ
ฮธ = 1 2 ( 1 ) 2 โ
2 ฯ 3 = ฯ 3 A_{\text{sector}} = \frac{1}{2} r^2 \cdot \theta = \frac{1}{2}(1)^2 \cdot \frac{2\pi}{3} = \frac{\pi}{3} A sector โ = 2 1 โ r 2 โ
ฮธ = 2 1 โ ( 1 ) 2 โ
3 2 ฯ โ = 3 ฯ โ
Step 3 โ Triangle area.
The sector contains a triangle with vertices at the origin and the two intersection points ( ยฑ 3 2 , โ 1 2 ) \bigl(\pm\tfrac{\sqrt{3}}{2},\, \tfrac{1}{2}\bigr) ( ยฑ 2 3 โ โ , 2 1 โ ) .
Base: distance between the two points = 3 = \sqrt{3} = 3 โ
Height: distance from origin to the chord y = 1 2 y = \tfrac{1}{2} y = 2 1 โ is 1 2 \tfrac{1}{2} 2 1 โ
A triangle = 1 2 โ
3 โ
1 2 = 3 4 A_{\text{triangle}} = \frac{1}{2} \cdot \sqrt{3} \cdot \frac{1}{2} = \frac{\sqrt{3}}{4} A triangle โ = 2 1 โ โ
3 โ โ
2 1 โ = 4 3 โ โ
Step 4 โ Circular segment area.
โซ โ 1 1 max โก โโฃ ( 0 , 1 โ x 2 โ 1 2 ) d x = A sector โ A triangle = ฯ 3 โ 3 4 \int_{-1}^{1} \max\!\left(0, \sqrt{1-x^2} - \frac{1}{2}\right)dx = A_{\text{sector}} - A_{\text{triangle}} = \frac{\pi}{3} - \frac{\sqrt{3}}{4} โซ โ 1 1 โ max ( 0 , 1 โ x 2 โ โ 2 1 โ ) d x = A sector โ โ A triangle โ = 3 ฯ โ โ 4 3 โ โ
Verification via Calculus
The integrand is nonzero only where 1 โ x 2 โฅ 1 2 \sqrt{1-x^2} \geq \tfrac{1}{2} 1 โ x 2 โ โฅ 2 1 โ , i.e. โฃ x โฃ โค 3 2 |x| \leq \tfrac{\sqrt{3}}{2} โฃ x โฃ โค 2 3 โ โ .
โซ โ 3 / 2 3 / 2 โโฃ ( 1 โ x 2 โ 1 2 ) d x \int_{-\sqrt{3}/2}^{\sqrt{3}/2} \!\left(\sqrt{1-x^2} - \frac{1}{2}\right)dx โซ โ 3 โ /2 3 โ /2 โ ( 1 โ x 2 โ โ 2 1 โ ) d x
Using โซ 1 โ x 2 โ d x = x 1 โ x 2 2 + arcsin โก x 2 + C \displaystyle\int \sqrt{1-x^2}\,dx = \frac{x\sqrt{1-x^2}}{2} + \frac{\arcsin x}{2} + C โซ 1 โ x 2 โ d x = 2 x 1 โ x 2 โ โ + 2 arcsin x โ + C :
[ x 1 โ x 2 2 + arcsin โก x 2 ] โ 3 / 2 3 / 2 โ 1 2 โ
3 \left[\frac{x\sqrt{1-x^2}}{2} + \frac{\arcsin x}{2}\right]_{-\sqrt{3}/2}^{\sqrt{3}/2} - \frac{1}{2}\cdot\sqrt{3} [ 2 x 1 โ x 2 โ โ + 2 a r c s i n x โ ] โ 3 โ /2 3 โ /2 โ โ 2 1 โ โ
3 โ
= 2 โโฃ ( 3 2 โ
1 2 2 + 1 2 โ
ฯ 3 ) โ 3 2 = 3 4 + ฯ 3 โ 3 2 = ฯ 3 โ 3 4 โ = 2\!\left(\frac{\frac{\sqrt{3}}{2}\cdot\frac{1}{2}}{2} + \frac{1}{2}\cdot\frac{\pi}{3}\right) - \frac{\sqrt{3}}{2} = \frac{\sqrt{3}}{4} + \frac{\pi}{3} - \frac{\sqrt{3}}{2} = \frac{\pi}{3} - \frac{\sqrt{3}}{4} \checkmark = 2 ( 2 2 3 โ โ โ
2 1 โ โ + 2 1 โ โ
3 ฯ โ ) โ 2 3 โ โ = 4 3 โ โ + 3 ฯ โ โ 2 3 โ โ = 3 ฯ โ โ 4 3 โ โ โ