$ \def\RR{\mathbb{R}} \def\NN{\mathbb{N}} \def\CC{\mathbb{C}} \def\QQ{\mathbb{Q}} \def\ZZ{\mathbb{Z}} \def\dint{\mathop{\int\!\!\int}} \def\tint{\mathop{\int\!\!\int\!\!\int}} \def\rot{\hbox{rot\hskip2truept }} \def\div{\hbox{div\hskip2truept }} \def\grad{\hbox{grad\hskip2truept }} \def\zad#1{\noindent {\bf #1. }} \def\zadp#1{\mbox{\hspace{1em} {\bf #1) }}} \def\zadpa{\zadp{a} } \def\zadpb{\zadp{b} } \def\zadpc{\zadp{c} } \def\zadpd{\zadp{d} } \def\stylm{\displaystyle } \def\sumka#1{\sum\limits_{#1}^{\infty}} $

Szeregi potęgowe 

Zadanie 1. (Lista 26. zad.1179)   Oblicz sumę $f(x)$ szeregu potęgowego $\stylm \sumka{n=1}{x^n\over n+1}$ .

Rozwiązanie.    
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 $-\ln(1-(-1))=-\ln 2.$

 
Przejdźmy do zadania; dla $x\neq 0$ 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{k=2}{x^{k}\over k}=\ \ \ $ (dalej z (*) )
$\stylm\ \ \ \ \ \ \ \ \ f(x)= \sumka{n=1}{x^n\over n+1}$ $\stylm = \frac{1}{x}\cdot\left( -\ln(1-x)-\frac{x^1}{1}\right)=-\frac{1}{x}\ln(1-x)-1$ ,
skąd
Odp.: $\stylm\ \ \ \ f(x)=\left\{\begin{array}{cl}-\frac{1}{x}\ln(1-x)-1 &\mbox{dla } x\in[- 1,1)\setminus\{0\} \\ 0 &\mbox{dla } x=0 \end{array} \right.$ .
 
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 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.