Nature d’une série numérique en maths sup (MPSI) : exercices corrigés
Ces exercices série MPSI entraînent tous les réflexes du chapitre sur la nature d’une série numérique. Les premiers énoncés travaillent la divergence grossière, le télescopage et les séries géométriques ou exponentielles. Ensuite viennent les équivalents, les séries de Riemann et la comparaison série-intégrale, qui donne des équivalents de sommes partielles et de restes.
La dernière partie mêle séries alternées, développements asymptotiques et suites récurrentes, avec un problème long. Nous conseillons de chercher chaque exercice au moins vingt minutes avant d’ouvrir le corrigé. Pour chaque série, suivez l’arbre de décision du cours : terme général, signe, puis outil adapté.
Enfin, rédigez vos réponses comme en colle. Écrivez la vérification du signe avant chaque équivalent, et justifiez la décroissance avant d’invoquer le critère des séries alternées.
Pour démarrer
Exercice 1 – Trois divergences grossières
Déterminer la nature des séries suivantes, de terme général défini pour \(n\geq 1\).
- \(u_n=\frac{n^2}{3n^2+5}\).
- \(v_n=\left(1+\frac{2}{n}\right)^{n}\).
- \(w_n=\frac{(-1)^n n}{n+4}\).
- Le terme \(t_n=\frac{1}{n+4}\) tend vers 0. Peut-on en déduire la nature de \(\sum t_n\) ? Justifier.
Exercice 2 – Une somme télescopique à pas trois
On considère la série \(\sum_{n\geq 1}\frac{1}{(n+2)(n+5)}\).
- Déterminer deux réels \(\alpha\) et \(\beta\) tels que \(\frac{1}{(n+2)(n+5)}=\frac{\alpha}{n+2}+\frac{\beta}{n+5}\) pour tout \(n\geq 1\).
- Calculer la somme partielle \(S_N=\sum_{n=1}^{N}\frac{1}{(n+2)(n+5)}\) pour \(N\geq 3\).
- En déduire que la série converge et calculer sa somme.
Exercice 3 – Sommes géométriques combinées
- Justifier la convergence et calculer \(\sum_{n=0}^{+\infty}\frac{2^n+(-1)^n}{5^n}\).
- Justifier la convergence et calculer \(\sum_{n=1}^{+\infty}\frac{3^{n+1}}{4^n}\).
- Déterminer l’ensemble des complexes \(z\) pour lesquels \(\sum_{n\geq 0}\left(\frac{z}{1+i}\right)^{n}\) converge, puis donner sa somme.
Exercice 4 – Autour de la série exponentielle
Justifier la convergence des séries suivantes et calculer leur somme.
- \(\sum_{n\geq 0}\frac{n+2}{n!}\).
- \(\sum_{n\geq 0}\frac{2^n}{(n+1)!}\).
- \(\sum_{n\geq 0}\frac{n^2}{n!}\). On pourra écrire \(n=(n-1)+1\).
Exercice 5 – Nature par équivalent
Déterminer la nature des séries de terme général suivant, défini pour \(n\geq 2\).
- \(a_n=\frac{\sqrt{n}+1}{n^2+3}\).
- \(b_n=\frac{1}{n^{2/3}+\ln n}\).
- \(c_n=\tan\left(\frac{1}{n}\right)\).
- \(d_n=n\left(e^{1/n^{3}}-1\right)\).
Exercice 6 – Majoration du module
Montrer que les séries suivantes convergent absolument.
- \(\sum_{n\geq 1}\frac{\cos(5n)}{n\sqrt{n}}\).
- \(\sum_{n\geq 1}\frac{(-1)^n}{n^2+n}\), dont on calculera aussi la somme \(\sum_{n\geq 1}\frac{1}{n^2+n}\) des valeurs absolues.
- \(\sum_{n\geq 0}\frac{e^{in\sqrt{2}}}{n^2+1}\).
Pour s’entraîner
Exercice 7 – Équivalent d’une somme de racines cubiques
Pour \(n\geq 1\), on pose \(S_n=\sum_{k=1}^{n}\frac{1}{k^{1/3}}\).
- Justifier que, pour \(n\geq 2\), \(\frac{3}{2}\left((n+1)^{2/3}-1\right)\leq S_n\leq 1+\frac{3}{2}\left(n^{2/3}-1\right)\).
- En déduire un équivalent simple de \(S_n\).
- Déterminer la nature de la série \(\sum_{n\geq 1}\frac{1}{S_n}\).
La figure représente la fonction \(t\mapsto t^{-1/3}\) et les rectangles qui servent à l’encadrement.

Exercice 8 – Équivalent du reste d’ordre quatre
On note \(R_n=\sum_{k=n+1}^{+\infty}\frac{1}{k^4}\) pour \(n\geq 1\).
- Justifier l’existence de \(R_n\).
- Montrer que \(\frac{1}{3(n+1)^3}\leq R_n\leq\frac{1}{3n^3}\).
- En déduire un équivalent de \(R_n\).
- Déterminer un entier \(n\) tel que \(S_n=\sum_{k=1}^{n}\frac{1}{k^4}\) approche la somme de la série à \(10^{-6}\) près.
Exercice 9 – Une série alternée non absolument convergente
On pose \(u_n=\frac{(-1)^n}{\sqrt{n+2}}\) pour \(n\geq 0\), et on note \(S\) la somme de \(\sum u_n\) lorsqu’elle existe.
- Montrer que \(\sum u_n\) converge.
- Montrer qu’elle ne converge pas absolument.
- Comparer \(S\) et \(S_5=\sum_{k=0}^{5}u_k\) sans calculer \(S\).
- Déterminer un rang \(n\) à partir duquel \(S_n\) approche \(S\) à \(10^{-2}\) près.
Exercice 10 – Équivalents et signe variable : un piège
Pour \(n\geq 1\), on pose \(u_n=\frac{(-1)^n}{\sqrt{n}+2(-1)^n}\).
- Vérifier que \(u_n\) est bien défini, puis montrer que \(u_n\) est équivalent à \(\frac{(-1)^n}{\sqrt{n}}\).
- On pose \(x_n=\frac{2(-1)^n}{\sqrt{n}}\). Vérifier que \(\frac{1}{1+x}=1-x+\frac{x^2}{1+x}\) pour \(x\neq -1\), puis en déduire que \(u_n=\frac{(-1)^n}{\sqrt{n}}-\frac{2}{n}+v_n\), avec \(|v_n|\leq\frac{8}{n^{3/2}}\) pour \(n\geq 16\).
- Déterminer la nature de \(\sum u_n\).
- Expliquer pourquoi ce résultat ne contredit pas le cours.
Exercice 11 – Logarithmes et puissances
Déterminer la nature des séries de terme général suivant.
- \(\frac{(\ln n)^2}{n^{4/3}}\) pour \(n\geq 1\).
- \(\frac{1}{\sqrt{n}\,\ln n}\) pour \(n\geq 2\).
- \(n^{5}e^{-\sqrt{n}}\) pour \(n\geq 0\).
- \(\frac{1}{(\ln n)^{3}}\) pour \(n\geq 2\).
Exercice 12 – Choisir les paramètres pour converger
Soit \(a\) et \(b\) deux réels. Pour \(n\geq 1\), on pose \(u_n=\sqrt{n^2+n+1}-n-a-\frac{b}{n}\).
- Établir le développement \(\sqrt{n^2+n+1}=n+\frac{1}{2}+\frac{3}{8n}+O\left(\frac{1}{n^2}\right)\).
- Déterminer les couples \((a,b)\) pour lesquels \(\sum u_n\) converge.
- Pour \(a=\frac{1}{2}\) et \(b=0\), préciser la nature de \(\sum u_n\) en justifiant le signe utilisé.
Exercice 13 – Une constante à la Euler
Pour \(n\geq 1\), on pose \(x_n=\sum_{k=1}^{n}\frac{1}{\sqrt{k}}-2\sqrt{n}\) et \(w_n=x_{n+1}-x_n\).
- Montrer que \(w_n=-\frac{1}{\sqrt{n+1}\left(\sqrt{n+1}+\sqrt{n}\right)^{2}}\).
- En déduire un équivalent de \(w_n\), puis la nature de \(\sum w_n\).
- Montrer que \((x_n)\) converge vers un réel \(C\) et que \(C<-1\).
- En déduire que \(\sum_{k=1}^{n}\frac{1}{\sqrt{k}}=2\sqrt{n}+C+o(1)\).
Exercice 14 – Discussion selon un paramètre réel
Soit \(x>0\). Pour \(n\geq 0\), on pose \(u_n(x)=\frac{x^n}{1+x^{2n}}\).
- Étudier la nature de \(\sum u_n(x)\) lorsque \(0<x<1\).
- Traiter le cas \(x=1\).
- Montrer que \(u_n(x)=u_n(1/x)\), puis traiter le cas \(x>1\).
Exercice 15 – Une divergence très lente
Pour \(n\geq 2\), on pose \(S_n=\sum_{j=2}^{n}\frac{1}{j\,\ln j}\).
- Étudier les variations de \(f:t\mapsto\frac{1}{t\ln t}\) sur \([2,+\infty[\) et en donner une primitive.
- Montrer que \(\ln(\ln(n+1))-\ln(\ln 2)\leq S_n\leq\frac{1}{2\ln 2}+\ln(\ln n)-\ln(\ln 2)\).
- En déduire la nature de \(\sum\frac{1}{n\ln n}\) et un équivalent de \(S_n\).
- Montrer que \(S_n\geq 3\) dès que \(n+1\geq 2^{e^{3}}\), et commenter l’ordre de grandeur obtenu.
Pour approfondir
Exercice 16 – Un sinus qui cache une série alternée
Pour \(n\geq 0\), on pose \(u_n=\sin\left(\pi\sqrt{n^2+3}\right)\) et \(y_n=\pi\left(\sqrt{n^2+3}-n\right)\).
- Montrer que \(y_n=\frac{3\pi}{n+\sqrt{n^2+3}}\) et que \(u_n=(-1)^n\sin(y_n)\).
- Montrer que, pour \(n\geq 3\), \(y_n\in\left]0,\frac{\pi}{2}\right[\), puis que \((\sin y_n)_{n\geq 3}\) est décroissante de limite nulle.
- En déduire la nature de \(\sum u_n\).
- La série converge-t-elle absolument ?
- Majorer le reste \(|R_n|\) pour \(n\geq 3\) par une expression simple en \(n\).
Exercice 17 – Série des restes d’une série de Riemann
Soit \(a>1\). Pour \(n\geq 0\), on note \(R_n=\sum_{k=n+1}^{+\infty}\frac{1}{k^{a}}\).
- Montrer que \(\frac{1}{(a-1)(n+1)^{a-1}}\leq R_n\leq\frac{1}{(a-1)n^{a-1}}\) pour \(n\geq 1\).
- Déterminer, selon \(a\), la nature de \(\sum R_n\).
- Dans cette question, \(a=3\). Montrer que \(\sum_{n=0}^{N}R_n=\sum_{k=1}^{N+1}\frac{1}{k^2}+(N+1)R_{N+1}\) pour tout \(N\geq 0\).
- En déduire que \(\sum_{n=0}^{+\infty}R_n=\sum_{k=1}^{+\infty}\frac{1}{k^2}\) lorsque \(a=3\).
Exercice 18 – Suite récurrente et séries associées
On définit \(u_0=1\) et \(u_{n+1}=\frac{u_n}{1+u_n^{2}}\) pour \(n\geq 0\).
- Montrer que \((u_n)\) est à valeurs dans \(]0,1]\), décroissante, et qu’elle tend vers 0.
- Montrer que \(\sum\frac{u_n^{3}}{1+u_n^{2}}\) converge et calculer sa somme.
- Montrer que \(\frac{1}{u_{n+1}^{2}}-\frac{1}{u_n^{2}}=2+u_n^{2}\).
- En déduire que \(\frac{1}{\sqrt{3n+1}}\leq u_n\leq\frac{1}{\sqrt{2n+1}}\) pour tout \(n\geq 0\).
- Déterminer la nature de \(\sum u_n\), de \(\sum u_n^{2}\) et de \(\sum u_n^{3}\).
La figure montre la construction en escalier des premiers termes à partir de la courbe de \(x\mapsto\frac{x}{1+x^2}\).

Exercice 19 – Problème : somme d’une série alternée par une intégrale
On pose \(I=\int_{0}^{1}\frac{\mathrm{d}t}{1+t^{3}}\) et, pour \(N\geq 0\), \(S_N=\sum_{k=0}^{N}\frac{(-1)^k}{3k+1}\).
- À l’aide du critère des séries alternées, montrer que \(\sum\frac{(-1)^k}{3k+1}\) converge.
- Pour \(t\in[0,1]\), montrer que \(\sum_{k=0}^{N}(-1)^{k}t^{3k}=\frac{1}{1+t^{3}}-(-1)^{N+1}\frac{t^{3N+3}}{1+t^{3}}\).
- En déduire que \(S_N=I-(-1)^{N+1}J_N\), où \(J_N=\int_{0}^{1}\frac{t^{3N+3}}{1+t^{3}}\,\mathrm{d}t\).
- Montrer que \(0\leq J_N\leq\frac{1}{3N+4}\), puis que \(\sum_{k=0}^{+\infty}\frac{(-1)^k}{3k+1}=I\).
- Déterminer trois réels \(\alpha\), \(\beta\), \(\gamma\) tels que \(\frac{1}{1+t^3}=\frac{\alpha}{1+t}+\frac{\beta t+\gamma}{t^2-t+1}\).
- Calculer \(I\) et en déduire la valeur de la somme.
- Combien de termes suffit-il de sommer pour obtenir la somme à \(10^{-3}\) près ? Comparer avec la majoration du reste fournie par le critère des séries alternées.
Pour aller plus loin
- Revoir la leçon : cours de maths sup (MPSI) sur nature d'une série numérique
- Bases utiles : Équivalents, petits o et grands O, Intégrale d'une fonction continue par morceaux
- Chapitre d’avant : Intégrale d'une fonction continue par morceaux
- Chapitre d’après : Sommation par paquets et familles sommables
- Vérifier ses acquis : QCM de maths sup (MPSI) sur nature d'une série numérique
- Contrôle corrigé en temps limité : Équivalents, séries et interversions : contrôle de maths en MPSI
- Le même thème en L2 de maths : Convergence absolue, séries alternées et Abel
- Le même thème en L2 de maths : Intégrales impropres : critères de convergence
- Tous les chapitres : le sommaire de maths sup (MPSI)
- Après le bac : les maths post-bac, de la MPSI à la L3
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