Problem 38
Suppose $|\vec{u}|=3$, $|\vec{v}|=5$ and $\vec{u}\cdot\vec{v}=-2$. Calculate $(\vec{u}-\vec{v})\cdot(2\vec{u}+3\vec{v})$.
I am only familiar with this formula $\vec{a}\cdot \vec{b} = |\vec{a}||\vec{b}| \cos(\theta)$. But it doesn't help much.
If the $\circ$ denotes the dot product: $$(\vec u-\vec v)\circ(2\vec u+3\vec v)$$ Let's call $\vec w:=\vec u-\vec v$, then: $$\vec w\circ(2\vec u+3\vec v)$$ Because the dot product is linear: $$\vec w\circ(2\vec u+3\vec v)=\vec w\circ(2\vec u)+\vec w\circ(3\vec v)=2(\vec w\circ\vec u)+3(\vec w\circ\vec v)$$ Now substitute back $w$: $$2(\vec w\circ\vec u)+3(\vec w\circ\vec v)=2([\vec u-\vec v]\circ\vec u)+3([\vec u-\vec v]\circ\vec v)$$ We can use the linearity again: $$2([\vec u-\vec v]\circ\vec u)+3([\vec u-\vec v]\circ\vec v)=2(\vec u\circ\vec u-\vec v\circ\vec u)+3(\vec u\circ\vec v-\vec v\circ\vec v)$$ Now we can use that $\vec a\circ\vec b=\vec b\circ\vec a$, and $\vec a\circ\vec a=|\vec a||\vec a|\cos(0)=|\vec a|^2$: $$2(\vec u\circ\vec u-\vec v\circ\vec u)+3(\vec u\circ\vec v-\vec v\circ\vec v)=2(|\vec u|^2-\vec v\circ\vec u)+3(\vec u\circ\vec v-|\vec v|^2)=2|\vec u|^2-2\vec v\circ\vec u+3\vec u\circ\vec v-3|\vec v|^2=2|\vec u|^2+\vec u\circ\vec v-3|\vec v^2|=2*3^2-2-3*5^2=-59$$