酉群

酉群是正交群、辛群与复数群的3重交集：

${\displaystyle U(n)=O(2n)\cap GL(n,\mathbf {C} )\cap Sp(2n,\mathbf {R} ),}$

从而一个酉结构可以视为一个正交结构、复结构与辛结构，他们要求是“一致的”（意思是说：复结构与辛形式使用同样的${\displaystyle J}$，且${\displaystyle J}$是正交的；取定一个${\displaystyle J}$将所有群写成矩阵群便确保了一致性）。

事实上，它是这三个中任何两个的交集；从而一个一致的正交与複结构导致了一个辛结构，如此等等[1][2]。

在方程的层次上，这可以由下面看出

辛：${\displaystyle A^{T}JA=J,}$

複：${\displaystyle A^{-1}JA=J,}$

正交：${\displaystyle A^{T}=A^{-1},}$

任何两个方程蕴含第三个。

在形式的层次上，这可从埃尔米特形式分解为实部与虚部看出： 实部是对称的（或正交），虚部是斜正交（辛）——他们由複结构联系（这便是一致性）。在一个殆凯勒流形上，可以将这个分解写成${\displaystyle h=g+i\omega }$，这里${\displaystyle h}$是埃尔米特形式，${\displaystyle g}$是黎曼度量，${\displaystyle i}$是殆复结构，而${\displaystyle \omega }$是殆辛结构。

从李群的观点来看，这可部分地解释如下： ${\displaystyle O(2n)}$是${\displaystyle GL(2n,\mathbf {R} )}$的极大紧子群，而${\displaystyle U(n)}$是${\displaystyle GL(n,\mathbf {C} )}$与${\displaystyle Sp(2n)}$的极大紧子群。从而交集${\displaystyle O(2n)\cap GL(n,\mathbf {C} )}$或${\displaystyle O(2n)\cap Sp(2n)}$是这些群的极大紧子群，即${\displaystyle U(n)}$。从这个观点来看，意料之外的是交集${\displaystyle GL(n,\mathbf {C} )\cap Sp(2n)=U(n)}$。

就像正交群有子群特殊正交群与商群射影正交群${\displaystyle {\text{PO}}(n)}$，以及子商群射影特殊正交群；酉群也有关联的特殊酉群${\displaystyle {\text{SU}}(n)}$，射影酉群${\displaystyle {\text{PU}}(n)}$，以及射影特殊酉群${\displaystyle {\text{PSU}}(n)}$。他们的关系如左所示的交换图表；特别地，两个射影群相等：${\displaystyle \operatorname {PSU} (n)=\operatorname {PU} (n)}$。

上面对经典酉群成立（复数上），对有限域，可以类似地得到特殊酉群与射影酉群，但是一般地${\displaystyle \operatorname {PSU} (n,q^{2})\neq \operatorname {PU} (n,q^{2})}$。

类似于不定正交群，给定一个不必正定（但一般取为非退化）的埃尔米特形式，考虑保持这个形式的变换，我们可以定义不定酉群。这里我们在复向量空间上考虑问题。

给定复向量空间${\displaystyle V}$上的一个埃尔米特形式${\displaystyle \Psi }$，酉群${\displaystyle U(\Psi )}$是保持这个形式的变换群：变换${\displaystyle M}$使得${\displaystyle \Psi (Mv,Mw)=\Psi (v,w)}$，对所有${\displaystyle v,w\in V}$。写成矩阵，设这个形式用矩阵${\displaystyle \Phi }$表示，这便是说${\displaystyle M^{*}\Phi M=\Phi }$。

就像实数上的对称形式，埃尔米特形式由符号确定，所有都是酉合同于对角线上${\displaystyle p}$个元素为1，${\displaystyle q}$个${\displaystyle -1}$的对角矩阵。非退化假设等价于 ${\displaystyle p+q=n}$。在一组标准基下，这代表二次形式：

${\displaystyle \lVert z\rVert _{\Psi }^{2}=\lVert z_{1}\rVert ^{2}+\dots +\lVert z_{p}\rVert ^{2}-\lVert z_{p+1}\rVert ^{2}-\dots -\lVert z_{n}\rVert ^{2},}$

作为对称形式是：

${\displaystyle \Psi (w,z)={\bar {w}}_{1}z_{1}+\cdots +{\bar {w}}_{p}z_{p}-{\bar {w}}_{p+1}z_{p+1}-\cdots -{\bar {w}}_{n}z_{n},}$

得出的群记为${\displaystyle U(p,q)}$。

在${\displaystyle q=p^{r}}$个元素的有限域${\displaystyle \mathbf {F} _{q}}$上，有一个惟一的2阶扩张域 ${\displaystyle \mathbf {F} _{q^{2}}}$，带有2阶自同构${\displaystyle \alpha \colon x\mapsto x^{q}}$（弗罗贝尼乌斯自同构的${\displaystyle r}$次幂）。这使得我们可以定义${\displaystyle \mathbf {F} _{q^{2}}}$上一个向量空间${\displaystyle V}$上的埃尔米特形式，是一个${\displaystyle \mathbf {F} _{q}}$-双线性映射${\displaystyle \Psi \colon V\times V\to K}$使得${\displaystyle \Psi (w,v)=\alpha \left(\Psi (v,w)\right)}$以及${\displaystyle \Psi (w,cv)=c\Psi (w,v)}$对${\displaystyle c\in \mathbf {F} _{q^{2}}}$。另外，有限域上向量空间的所有非退化埃尔米特形式都酉合同与用恒同矩阵表示的标准形式。这便是说，任何埃尔米特形式酉等价于

${\displaystyle \Psi (w,v)=w^{\alpha }\cdot v=\sum _{i=1}^{n}w_{i}^{q}v_{i},}$

这里${\displaystyle w_{i},v_{i}}$表示${\displaystyle w,v\in V}$在${\displaystyle n}$-维空间${\displaystyle V}$的某个特定${\displaystyle \mathbf {F} _{q^{2}}}$-基下的坐标（Grove 2002，Thm. 10.3）。

从而我们对扩张${\displaystyle \mathbf {F} _{q^{2}}/\mathbf {F} _{q}}$可以定义一个（惟一的）${\displaystyle n}$维酉群，记作${\displaystyle U(n,q)}$或${\displaystyle U\left(n,q^{2}\right)}$（取决于作者的习惯）。酉群中矩阵的行列式为1的子群称为特殊酉群，记作${\displaystyle SU(n,q)}$或${\displaystyle SU(n,q^{2})}$。为方便起见，本文使用${\displaystyle U(n,q^{2})}$写法。${\displaystyle U(n,q^{2})}$的中心的阶数为${\displaystyle q+1}$由为酉数量矩阵组成，这便是所有矩阵${\displaystyle cI_{V}}$，这里${\displaystyle c^{q+1}=1}$。特殊酉群的中心的阶数为${\displaystyle \gcd(n,q+1)}$，由那些阶数整除${\displaystyle n}$的酉数量矩阵组成。酉群除以中心的商称为射影酉群，${\displaystyle PU(n,q^{2})}$，特殊酉群除以中心是射影特殊酉群${\displaystyle PSU(n,q^{2})}$。在大多数情形（${\displaystyle n\geq 2}$与${\displaystyle (n,q^{2})\notin \{(2,2^{2}),(2,3^{2}),(3,2^{2})\}}$），${\displaystyle SU(n,q^{2})}$是完全群而${\displaystyle PSU(n,q^{2})}$是有限单群（Grove 2002，Thm. 11.22 and 11.26）。

更一般地，给定一个域${\displaystyle k}$与一个2阶可分${\displaystyle k}$-代数${\displaystyle K}$（可能是一个域扩张但也未必），我们可以定义关于这个扩张的酉群。

首先，存在${\displaystyle K}$的惟一${\displaystyle k}$-自同构${\displaystyle a\mapsto {\bar {a}}}$是一个对合且恰好不动元为${\displaystyle k}$（${\displaystyle a={\bar {a}}}$当且仅当${\displaystyle a\in k}$)[3]。这是复共轭与2阶有限域扩张共轭的推广，从而我们可以在它上面的定义埃尔米特形式与酉群。

定义酉群的方程是一些${\displaystyle k}$上的多项式方程（但不是在${\displaystyle k}$上）：对标准形式 ${\displaystyle \Phi =I}$，这些方程由矩阵${\displaystyle A^{*}A=I}$给出，这里${\displaystyle A^{*}={\overline {A}}^{t}}$是共轭转置。给定另外一个形式，它们是${\displaystyle A^{*}\Phi A=\Phi }$。从而酉群一个代数群，它在一个${\displaystyle k}$-代数${\displaystyle R}$上的点由

${\displaystyle \operatorname {U} (n,K/k,\Phi )(R):=\left\{A\in \operatorname {GL} (n,K\otimes _{k}R):A^{*}\Phi A=\Phi \right\}}$

给出。

对域扩张${\displaystyle \mathbf {C} /\mathbf {R} }$与标准（正定）埃尔米特形式，这得出了具有实点与复点的代数群：

${\displaystyle \operatorname {U} (n,\mathbf {C} /\mathbf {R} )(\mathbf {R} )=\operatorname {U} (n),}$

${\displaystyle \operatorname {U} (n,\mathbf {C} /\mathbf {R} )(\mathbf {C} )=\operatorname {GL} (n,\mathbf {C} )}$。