動機
讓·勒雷當初為了研究代數拓撲學,而引入層的概念,從而面臨計算層上同調的問題。為此,勒雷發明了現稱勒雷譜序列的計算方法,它聯繫了一個層的上同調群與其正像的上同調群。
人們很快就發現:勒雷譜序列只是一個特例。譜序列還現身於纖維化等幾何問題;更抽象地說,對合成函子取導函子也會得到譜序列,稱為格羅滕迪克譜序列。雖然導範疇在理論層面提供了較簡煉的框架,譜序列仍是最有效的計算工具。
形式定義
以下固定一個阿貝爾範疇,常見例子是一個環上的模範疇。 譜序列是一個非負整數 及下述資料:
對所有整數 ,有範疇中的一個對象 。
自同態 ,滿足 ,稱為 邊界映射或 微分。
從 到 的同構。
通常省去 與 的同構,而寫成等式。
最基本的例子是鏈復形,它帶有一個微分 。取 ,並令 ,於是必有 ;這個新鏈復形上的微分只有一個自然的選擇,就是零映射。於是有 。綜之,我們得到一個鏈復形範疇上的譜序列:
由於只有 時微分映射才可能非零,此序列在第一步後就不含任何新資訊。
較常見的是雙分次模(或層)範疇上的譜序列,表作 ,此時的微分映射次數與 有關:對於上同調譜序列, 的次數是 。對於同調譜序列,通常將各項寫成 ,微分映射 的次數是 。
譜序列之間的態射 定義為一族態射 ,使之與同構 交換。譜序列對此構成了一個阿貝爾範疇。
正合偶
交換代數中大部分的譜序列來自鏈復形,而已知構造譜序列最有力的方法是 William Massey 的 正合偶。正合偶在代數拓撲學中很常見,此時對於許多譜序列,正合偶是唯一已知的構造法。事實上,正合偶可以用來構造所有已知的譜序列。
同樣固定一個阿貝爾範疇(通常取一個環上的雙分次模) ,一個 正合偶是:
一對對象 三個態射: 使之滿足下述正合條件:
將這組資料簡記為 。正合偶通常以三角形表示。 對應到譜序列的 項,而 是一些輔助資料。
為了得到譜序列的後續項,以下將構造 導出偶。令:
由導出。
定義如下:若為某個環上的模範疇,對任一,存在使得,定義為在中的像。一般而言,可利用 Mitchell 嵌入定理構造態射。
可以驗證構成正合偶。對應到譜序列的項。續行此法,可以得到一族正合偶。相應的譜序列定義為,。
收斂與退化
在第一個簡單的例子中,譜序列在後的微分映射皆為零,故不再改變。這時可定義該譜序列的 極限為。對於一般的譜序列,也往往存在一個極限,極限與各項的關係可說是譜序列的眾妙之門。
定義:若譜序列對每個都存在,使得當時,及皆為零,則稱之 極限項為(取充分大的)。最常見的例子是集中在第一象限的譜序列,此時極限項恆存在。
其中的指標指涉過濾結構。
若存在對象、過濾結構,及一族同構,滿足(這種過濾稱為“正則過濾”),則稱 收斂到,通常表為下述符號:
習慣上,人們也常將上式寫成,因為譜序列中最重要的頁往往是。
最簡單的收斂特例是 退化:
定義:固定,若對每個,微分映射都是零,則稱該譜序列在第頁退化。
退化性保證了,此時即其極限。如果一個雙分次譜序列的非零項集中於某一條水平或垂直線上,則必在時退化。