Question Number 30820 by ajfour last updated on 26/Feb/18
Answered by mrW2 last updated on 26/Feb/18
$${Eqn}.\:{of}\:{ellipse}\:\mathrm{1}\:\left({original}\:{one}\right): \\ $$$$\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{{a}^{\mathrm{2}} }+\frac{{y}^{\mathrm{2}} }{{b}^{\mathrm{2}} }=\mathrm{1} \\ $$$$\frac{{r}^{\mathrm{2}} \mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \:\varphi}{{a}^{\mathrm{2}} }+\frac{{r}^{\mathrm{2}} \mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:\varphi}{{b}^{\mathrm{2}} }=\mathrm{1} \\ $$$$\Rightarrow{r}^{\mathrm{2}} \left[\frac{\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \:\varphi}{{a}^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:\varphi}{{b}^{\mathrm{2}} }\right]=\mathrm{1} \\ $$$$\Rightarrow{r}^{\mathrm{2}} =\frac{{a}^{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} }{{a}^{\mathrm{2}} \mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:\varphi+{b}^{\mathrm{2}} \mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \:\varphi} \\ $$$${Eqn}.\:{of}\:{ellipse}\:\mathrm{2}\:\left({rotated}\:{one}\right): \\ $$$$\Rightarrow{r}^{\mathrm{2}} \left[\frac{\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \:\left(\varphi−\theta\right)}{{a}^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:\left(\varphi−\theta\right)}{{b}^{\mathrm{2}} }\right]=\mathrm{1} \\ $$$$\Rightarrow{r}^{\mathrm{2}} =\frac{{a}^{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} }{{a}^{\mathrm{2}} \mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:\left(\varphi−\theta\right)+{b}^{\mathrm{2}} \mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \:\left(\varphi−\theta\right)} \\ $$$$ \\ $$$${Intersection}\:{of}\:{both}\:{ellipses}: \\ $$$$\frac{\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \:\varphi}{{a}^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:\varphi}{{b}^{\mathrm{2}} }=\frac{\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \:\left(\varphi−\theta\right)}{{a}^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:\left(\varphi−\theta\right)}{{b}^{\mathrm{2}} } \\ $$$${b}^{\mathrm{2}} \:\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \:\varphi+{a}^{\mathrm{2}} \:\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:\varphi={b}^{\mathrm{2}} \:\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \:\left(\varphi−\theta\right)+{a}^{\mathrm{2}} \:\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:\left(\varphi−\theta\right) \\ $$$${b}^{\mathrm{2}} \:\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \:\varphi+{a}^{\mathrm{2}} \:\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:\varphi={b}^{\mathrm{2}} \:\left(\mathrm{cos}\:\varphi\:\mathrm{cos}\:\theta+\mathrm{sin}\:\varphi\:\mathrm{sin}\:\theta\right)^{\mathrm{2}} +{a}^{\mathrm{2}} \:\left(\mathrm{sin}\:\varphi\:\mathrm{cos}\:\theta−\mathrm{cos}\:\varphi\:\mathrm{sin}\:\theta\right)^{\mathrm{2}} \\ $$$${b}^{\mathrm{2}} \:\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \:\varphi+{a}^{\mathrm{2}} \:\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:\varphi={b}^{\mathrm{2}} \:\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \:\varphi\:\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \:\theta+{b}^{\mathrm{2}} \:\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:\varphi\:\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:\theta+\mathrm{2}{b}^{\mathrm{2}} \:\mathrm{sin}\:\varphi\:\mathrm{cos}\:\varphi\:\mathrm{sin}\:\theta\:\mathrm{cos}\:\theta+{a}^{\mathrm{2}} \:\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:\varphi\:\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \:\theta+{a}^{\mathrm{2}} \:\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \:\varphi\:\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:\theta−\mathrm{2}{a}^{\mathrm{2}} \:\mathrm{sin}\:\varphi\:\mathrm{cos}\:\varphi\:\mathrm{sin}\:\theta\:\mathrm{cos}\:\theta \\ $$$${b}^{\mathrm{2}} \:\left(\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \:\varphi−\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:\varphi\right)\:\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:\theta−{a}^{\mathrm{2}} \:\left(\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \:\varphi−\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:\varphi\right)\:\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:\theta=\mathrm{2}\left({b}^{\mathrm{2}} −{a}^{\mathrm{2}} \right)\:\mathrm{sin}\:\varphi\:\mathrm{cos}\:\varphi\:\mathrm{sin}\:\theta\:\mathrm{cos}\:\theta \\ $$$$\left({b}^{\mathrm{2}} −{a}^{\mathrm{2}} \right)\mathrm{cos}\:\mathrm{2}\varphi\:\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:\theta=\left({b}^{\mathrm{2}} −{a}^{\mathrm{2}} \right)\:\mathrm{sin}\:\mathrm{2}\varphi\:\mathrm{sin}\:\theta\:\mathrm{cos}\:\theta \\ $$$$\mathrm{cos}\:\mathrm{2}\varphi\:\mathrm{sin}\:\theta=\:\mathrm{sin}\:\mathrm{2}\varphi\:\mathrm{cos}\:\theta \\ $$$$\Rightarrow\mathrm{tan}\:\mathrm{2}\varphi=\mathrm{tan}\:\theta \\ $$$$\Rightarrow\mathrm{2}\varphi=\theta\:{or}\:\theta+\pi \\ $$$$\Rightarrow\varphi_{\mathrm{1}} =\frac{\theta}{\mathrm{2}} \\ $$$$\Rightarrow\varphi_{\mathrm{2}} =\frac{\theta}{\mathrm{2}}+\frac{\pi}{\mathrm{2}} \\ $$$${A}=\int_{\varphi_{\mathrm{1}} } ^{\:\varphi_{\mathrm{2}} } \int_{{r}_{\mathrm{1}} } ^{{r}_{\mathrm{2}} } {rdrd}\varphi \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int_{\varphi_{\mathrm{1}} } ^{\:\varphi_{\mathrm{2}} } \left[{r}_{\mathrm{2}} ^{\mathrm{2}} −{r}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} \right]{d}\varphi \\ $$$$=\frac{{a}^{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}\int_{\varphi_{\mathrm{1}} } ^{\:\varphi_{\mathrm{2}} } \left[\frac{\mathrm{1}}{{a}^{\mathrm{2}} \mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:\left(\varphi−\theta\right)+{b}^{\mathrm{2}} \mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \:\left(\varphi−\theta\right)}−\frac{\mathrm{1}}{{a}^{\mathrm{2}} \mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:\varphi+{b}^{\mathrm{2}} \mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \:\varphi}\right]{d}\varphi \\ $$$$=\frac{{a}^{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}\left[\frac{\mathrm{1}}{{ab}}\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left\{\frac{{a}}{{b}}\:\mathrm{tan}\:\left(\varphi−\theta\right)\right\}−\frac{\mathrm{1}}{{ab}}\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left\{\frac{{a}}{{b}}\:\mathrm{tan}\:\varphi\right\}\right]_{\varphi_{\mathrm{1}} } ^{\varphi_{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\frac{{ab}}{\mathrm{2}}\left[\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left\{\frac{{a}}{{b}}\:\mathrm{tan}\:\left(\varphi−\theta\right)\right\}−\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left\{\frac{{a}}{{b}}\:\mathrm{tan}\:\varphi\right\}\right]_{\varphi_{\mathrm{1}} } ^{\varphi_{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\frac{{ab}}{\mathrm{2}}\left[\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left\{\frac{{a}}{{b}}\:\mathrm{tan}\:\left(\frac{\pi}{\mathrm{2}}−\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right)\right\}−\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left\{\frac{{a}}{{b}}\:\mathrm{tan}\:\left(\frac{\pi}{\mathrm{2}}+\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right)\right\}−\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left\{\frac{{a}}{{b}}\:\mathrm{tan}\:\left(\frac{\theta}{\mathrm{2}}−\theta\right)\right\}+\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left\{\frac{{a}}{{b}}\:\mathrm{tan}\:\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right\}\right] \\ $$$$=\frac{{ab}}{\mathrm{2}}\left[\mathrm{2}\:\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left\{\frac{{a}}{{b}}\:\mathrm{tan}\:\left(\frac{\pi}{\mathrm{2}}−\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right)\right\}−\pi+\mathrm{2}\:\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left\{\frac{{a}}{{b}}\:\mathrm{tan}\:\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right\}\right] \\ $$$$={ab}\left[\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left\{\frac{{a}}{{b}}\:\mathrm{tan}\:\left(\frac{\pi}{\mathrm{2}}−\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right)\right\}+\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left\{\frac{{a}}{{b}}\:\mathrm{tan}\:\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right\}−\frac{\pi}{\mathrm{2}}\right] \\ $$$$={ab}\left\{\frac{\pi}{\mathrm{2}}−\:\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left[\frac{\mathrm{2}{ab}}{\left({a}^{\mathrm{2}} −{b}^{\mathrm{2}} \right)\mathrm{sin}\:\theta}\right]\right\} \\ $$$$\Rightarrow{A}={ab}\:\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \mid\frac{\left({a}^{\mathrm{2}} −{b}^{\mathrm{2}} \right)\mathrm{sin}\:\theta}{\mathrm{2}{ab}}\mid \\ $$$$ \\ $$$${An}\:{other}\:{way}: \\ $$$${A}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\pi{ab}−\mathrm{4}\int_{\varphi_{\mathrm{1}} } ^{\:\varphi_{\mathrm{2}} } \frac{{r}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}{d}\varphi\right) \\ $$$$={ab}\frac{\pi}{\mathrm{2}}−\int_{\varphi_{\mathrm{1}} } ^{\:\varphi_{\mathrm{2}} } \frac{{a}^{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} }{{a}^{\mathrm{2}} \mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:\varphi+{b}^{\mathrm{2}} \mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \:\varphi}{d}\varphi \\ $$$$={ab}\frac{\pi}{\mathrm{2}}−{a}^{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} \left[\frac{\mathrm{1}}{{ab}}\:\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left\{\frac{{a}}{{b}}\mathrm{tan}\:\varphi\right\}\right]_{\varphi_{\mathrm{1}} } ^{\varphi_{\mathrm{2}} } \\ $$$$={ab}\frac{\pi}{\mathrm{2}}−{ab}\left[\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left\{\frac{{a}}{{b}}\mathrm{tan}\:\left(\frac{\pi}{\mathrm{2}}+\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right)\right\}−\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left\{\frac{{a}}{{b}}\mathrm{tan}\:\left(\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right)\right\}\right] \\ $$$$={ab}\frac{\pi}{\mathrm{2}}−{ab}\left[\pi−\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left\{\frac{{a}}{{b}}\mathrm{tan}\:\left(\frac{\pi}{\mathrm{2}}−\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right)\right\}−\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left\{\frac{{a}}{{b}}\mathrm{tan}\:\left(\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right)\right\}\right] \\ $$$$={ab}\left[\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left\{\frac{{a}}{{b}}\mathrm{tan}\:\left(\frac{\pi}{\mathrm{2}}−\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right)\right\}+\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left\{\frac{{a}}{{b}}\mathrm{tan}\:\left(\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right)\right\}−\frac{\pi}{\mathrm{2}}\right] \\ $$$$…..\:{as}\:{above} \\ $$
Commented by ajfour last updated on 26/Feb/18
$${O}'\:\mathscr{MY}\:\:{God}!\:{You}\:{make}\:{it}\:{possible} \\ $$$${Sir}.{Thank}\:{you}\:{immensely}. \\ $$$${Its}\:{really}\:{great},\:{Sir}. \\ $$
Commented by ajfour last updated on 26/Feb/18
$${Yes}\:{Sir},\:{thank}\:{you}\:{again}. \\ $$
Commented by mrW2 last updated on 26/Feb/18
$${Thanks}\:{for}\:{checking}! \\ $$$${I}\:{checked}\:{again}.\:{The}\:{final}\:{formula}\:{is} \\ $$$${A}={ab}\:\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \mid\frac{\left({a}^{\mathrm{2}} −{b}^{\mathrm{2}} \right)\mathrm{sin}\:\theta}{\mathrm{2}{ab}}\mid \\ $$$${It}'{s}\:{more}\:{simple}\:{than}\:{I}'{ve}\:{expected}. \\ $$