Najpierw zauważmy, że szereg $\stylm \sumka{n=1}{x^n\over n+1}$
ma przedział zbieżności równy $[-1,1)$, bowiem $\bullet$ $\stylm {\frac{|x|^{n+1}}{n+2}\over \frac{|x|^{n}}{n+1} } $
$\stylm =|x|\cdot \frac{n+1}{n+2} \mathop{\longrightarrow}\limits_{n\to\infty}|x|\ $ stąd promień zbieżności jest równy 1,
$\bullet$ dla $x=1$ jest to szereg harmoniczny (czyli rozbieżny ),
$\bullet$ dla $x=-1$ jest to szereg anharmoniczny (czyli zbieżny z kryt. Leibniza ).
Podobnie: $[-1,1)$ jest przedziałem zbieżności poniższego szeregu oraz
(*) $\stylm \sumka{m=1}{x^m\over m} = -\ln (1-x),\ $ dla $\ x\in[-1,1)$.
Dowód (*)
Dla $|x| < 1$, czyli we wnętrzu przedziału zbieżności, mamy
$\stylm \ \ \ \ \left(\sumka{m=1}{x^m\over m}\right)' = \sumka{m=1}\left({x^m\over m}\right)' =
\sumka{m=1}x^{m-1}={1\over 1-x}.$
Stąd suma szeregu jest funkcją pierwotną prawej strony, czyli $\int {1\over 1-x}\;dx= -\ln (1-x)+C$.
Stała $C=0$, bo dla $x=0$ dostajemy $0=-\ln (1-0)+C$, skąd $C=0$. Zatem $\ \sumka{m=1}{x^m\over m} = -\ln (1-x)$, co kończy dowód (*) (dla $|x| < 1$).
Uwaga 1. Dla $x=-1$ szereg jest zbieżny (z kryterium Leibniza)
więc z (nietrywialnego) twierdzenia Abela wynika,
że jego suma jest prawostronnie ciągła w $x=-1$, czyli jest równa $-\ln(1-(-1))=-\ln 2.$
Uwaga 2.
Określenie $f$ (z 'wąsami') może sugerować, że $f$ ma jakieś osobliwości w $x=0$. Nic takiego!
Punkt $x=0$ leży we wnętrzu przedziału zbieżności szeregu potęgowego, więc
jego suma jest w tym punkcie różniczkowalna dowolnie wiele razy.
Quasi-rozwiązanie.
Dla $0\neq |x| < 1$, czyli we wnętrzu przedziału zbieżności, poza 0, mamy
$\stylm\ \ \ \ \ \ \ \ \ f(x)= \sumka{n=1}{x^n\over n+1}$ $\stylm =\frac{1}{x}\cdot\sumka{n=1}{x^{n+1}\over n+1}=\frac{1}{x}\cdot\sumka{n=1}\left(\int x^n\;dx\right) =$
$\stylm\ \ \ \ \ \ \ \ \ f(x)= \sumka{n=1}{x^n\over n+1}$
$\stylm = \frac{1}{x}\cdot\int
\left( \sumka{n=1}x^n \right)dx=\frac{1}{x}\cdot \int {x\over 1-x}\;dx = $ ,
$\stylm\ \ \ \ \ \ \ \ \ f(x)= \sumka{n=1}{x^n\over n+1}$
$\stylm =\frac{1}{x}\cdot \int {x-1\over 1-x}+{1\over 1-x}\;dx =\frac{1}{x}\cdot \left(-x-\ln(1-x)\right) = $
$\stylm\ \ \ \ \ \ \ \ \ f(x)= \sumka{n=1}{x^n\over n+1}$
$\stylm =-1-\frac{1}{x}\ln(1-x). $
Uwaga 1. Dla $x=-1$ szereg jest zbieżny (z kryterium Leibniza)
więc z (nietrywialnego) twierdzenia Abela wynika,
że jego suma jest prawostronnie ciągła w $x=-1$, czyli że wzór jest poprawny dla $x=-1$. Stąd
Odp.:
$\stylm\ \ \ \ f(x)=\left\{\begin{array}{cl}-1-\frac{1}{x}\ln(1-x)&\mbox{dla } x\in[-1,1)\setminus\{0\} \\ 0 &\mbox{dla } x=0 \end{array} \right.$ .
Uwaga 2.
Określenie $f$ (z 'wąsami') może sugerować, że $f$ ma jakieś osobliwości w $x=0$. Nic takiego!
Punkt $x=0$ leży we wnętrzu przedziału zbieżności szeregu potęgowego, więc
jego suma jest w tym punkcie różniczkowalna nieskończenie wiele razy.
DLACZEGO nazywam to quasi-rozwiązaniem?
Bo w wielu miejscach są tu pisane całki NIEOZNACZONE,
czyli formalnie całe rodziny funkcji (różniących się o stałe).
Gdy przyjmiemy, że wyniki są jednomianami (zmiennej $x$, czyli stałe są zerami),
to w efekcie dostajemy szeregi potęgowe,
a dla nich tw. o różniczkowaniu wyraz po wyrazie dowodzi równości.