Bahan Ajar LMS ยท Struktur Aljabar (Aljabar Abstrak) ยท 3 SKS

Pertemuan 2: Fungsi & Bilangan Bulat

๐Ÿ“š Herstein, Topics in Algebra Ch. 1 ยง1.2โ€“1.3 โฑ 150 menit (Hybrid) ๐ŸŽ“ S1 Pendidikan Matematika โ€“ UHO
๐ŸŽฏ Capaian Pembelajaran Pertemuan (CPP)

Setelah mengikuti pertemuan ini, mahasiswa mampu:

CPP-2.1Menjelaskan konsep fungsi, jenis-jenis fungsi (injektif, surjektif, bijektif), komposisi, dan fungsi invers beserta sifat-sifatnya.
CPP-2.2Menjelaskan konsep permutasi sebagai fungsi bijektif, komposisi permutasi, dan permutasi invers sebagai embrio Grup Simetri \(S_n\).
CPP-2.3Menjelaskan algoritma pembagian, bilangan prima, dan Algoritma Euclid untuk menentukan FPB dua bilangan bulat.
CPP-2.4Menerapkan kongruensi modulo \(n\) dan mengaitkan \(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\) dengan struktur aljabar yang akan dipelajari.
โœ… Pengetahuan Prasyarat

Sebelum mengikuti pertemuan ini, pastikan Anda telah memahami:

  • Konsep himpunan, operasi himpunan, dan hasil kali Kartesius \(A \times B\) (P-1).
  • Relasi biner dan relasi ekivalen, termasuk kongruensi modulo \(n\) (P-1).
  • Sistem bilangan bulat \(\mathbb{Z}\) dan operasi dasar pada \(\mathbb{Z}\).
  • Teknik pembuktian: langsung, kontrapositif, dan kontradiksi.
๐Ÿ“– Uraian Materi

Bagian 1 โ€” Teori Fungsi

Definisi 1.1  |  Fungsi

Sebuah fungsi (atau pemetaan) \(f\) dari \(A\) ke \(B\), ditulis \(f: A \to B\), adalah aturan yang mengaitkan setiap \(a \in A\) dengan tepat satu \(f(a) \in B\).

  • \(A\): domain; \(B\): kodomain.
  • Range: \(\text{Im}(f) = \{f(a) \mid a \in A\} \subseteq B\).
  • \(f = g\) jika dan hanya jika \(f(a) = g(a)\) untuk setiap \(a \in A\).
Definisi 1.2  |  Fungsi Injektif, Surjektif, dan Bijektif

Misalkan \(f: A \to B\). Dikatakan \(f\) bersifat:

JenisDefinisi FormalIstilah Lain
Injektif\(f(a_1)=f(a_2) \Rightarrow a_1=a_2\)Satu-satu (one-to-one)
Surjektif\(\forall b \in B,\; \exists a \in A: f(a)=b\)Onto
BijektifInjektif dan surjektifKorespondensi satu-satu
Contoh 1.1  |  Identifikasi Jenis Fungsi pada \(\mathbb{Z}\)
  • \(f(x)=x+3\): bijektif (injektif: \(x_1+3=x_2+3\Rightarrow x_1=x_2\); surjektif: preimage \(b\) adalah \(b-3\)).
  • \(f(x)=x^2\): tidak injektif (\(f(2)=f(-2)=4\)) dan tidak surjektif (\(-1\) tak punya preimage).
  • \(f(x)=2x\): injektif tetapi tidak surjektif (\(1\) tak punya preimage di \(\mathbb{Z}\)).
  • \(f:\mathbb{Z}\to\mathbb{Z}/2\mathbb{Z}\), \(f(x)=[x\bmod 2]\): surjektif tetapi tidak injektif.
Definisi 1.3  |  Komposisi Fungsi

Misalkan \(f: A \to B\) dan \(g: B \to C\). Komposisi \(g \circ f: A \to C\) didefinisikan oleh:

\[(g \circ f)(a) = g(f(a)), \quad \forall a \in A.\]

Catatan: Komposisi tidak komutatif secara umum: \(g \circ f \neq f \circ g\).

Teorema 1.1  |  Sifat-Sifat Komposisi Fungsi

Misalkan \(f:A\to B\), \(g:B\to C\), \(h:C\to D\). Berlaku:

  • Asosiatif: \(h\circ(g\circ f)=(h\circ g)\circ f\).
  • Jika \(f\) dan \(g\) injektif, maka \(g\circ f\) injektif.
  • Jika \(f\) dan \(g\) surjektif, maka \(g\circ f\) surjektif.
  • Jika \(g\circ f\) injektif, maka \(f\) injektif.
  • Jika \(g\circ f\) surjektif, maka \(g\) surjektif.
Definisi 1.4  |  Fungsi Invers

Misalkan \(f:A\to B\) bijektif. Fungsi invers \(f^{-1}: B\to A\) didefinisikan oleh:

\[f^{-1}(b) = a \quad\Longleftrightarrow\quad f(a)=b.\]

Sifat: \(f^{-1}\circ f=\text{id}_A\) dan \(f\circ f^{-1}=\text{id}_B\).

Teorema: \(f\) memiliki invers jika dan hanya jika \(f\) bijektif.

Definisi 1.5  |  Permutasi dan Grup Simetri \(S_n\)

Sebuah permutasi pada himpunan \(A\) adalah fungsi bijektif \(\sigma: A\to A\). Untuk \(A=\{1,2,\ldots,n\}\), dinotasikan:

\[\sigma = \begin{pmatrix}1&2&\cdots&n\\\sigma(1)&\sigma(2)&\cdots&\sigma(n)\end{pmatrix}.\]

Himpunan semua permutasi pada \(\{1,\ldots,n\}\) dengan komposisi disebut Grup Simetri \(S_n\), dengan \(|S_n|=n!\)

Contoh 1.2  |  Komposisi dan Invers Permutasi di \(S_3\)

Diberikan \(\sigma=\begin{pmatrix}1&2&3\\2&3&1\end{pmatrix}\) dan \(\tau=\begin{pmatrix}1&2&3\\1&3&2\end{pmatrix}\).

(a) Komposisi \(\tau\circ\sigma\):

  • \((\tau\circ\sigma)(1)=\tau(\sigma(1))=\tau(2)=3\)
  • \((\tau\circ\sigma)(2)=\tau(\sigma(2))=\tau(3)=2\)
  • \((\tau\circ\sigma)(3)=\tau(\sigma(3))=\tau(1)=1\)
\[\tau\circ\sigma = \begin{pmatrix}1&2&3\\3&2&1\end{pmatrix}.\]

(b) Invers \(\sigma^{-1}\): Balik baris, susun ulang:

\[\sigma^{-1}=\begin{pmatrix}1&2&3\\3&1&2\end{pmatrix}.\]

Verifikasi: \(\sigma^{-1}\circ\sigma=\text{id}\). โœ”

Catatan penting: \(\tau\circ\sigma\neq\sigma\circ\tau\) โ€” \(S_n\) untuk \(n\geq 3\) adalah grup non-komutatif.

๐Ÿ’ก Relevansi Fungsi untuk Struktur Aljabar
  • Homomorfisma adalah fungsi yang mempertahankan struktur operasi โ€” dibahas di P-7 dan P-12.
  • Isomorfisma adalah homomorfisma bijektif โ€” digunakan untuk menyatakan "dua struktur pada dasarnya sama".
  • Grup Simetri \(S_n\) adalah contoh fundamental grup non-komutatif (P-3 dan P-4).
  • Teorema Cayley: Setiap grup isomorfik dengan subgrup dari \(S_n\).

Bagian 2 โ€” Bilangan Bulat (Integer)

Teorema 2.1  |  Algoritma Pembagian

Misalkan \(a,b\in\mathbb{Z}\) dengan \(b>0\). Terdapat bilangan bulat tunggal \(q\) dan \(r\) sehingga:

\[a=bq+r,\quad 0\leq r < b.\]

Jika \(r=0\), dikatakan \(b\mid a\) (\(b\) habis membagi \(a\)).

Contoh

\(17=5\cdot3+2\) โ†’ \(q=3,\;r=2\).

\(-17=5\cdot(-4)+3\) โ†’ \(q=-4,\;r=3\). (Perhatikan: \(r\geq0\) selalu!)

\(25=5\cdot5+0\) โ†’ \(5\mid25\).

Definisi 2.2  |  Bilangan Prima & Teorema Fundamental Aritmetika

Bilangan bulat \(p>1\) disebut bilangan prima jika pembagi positifnya hanya \(1\) dan \(p\). Bilangan \(n>1\) yang bukan prima disebut komposit.

Teorema Fundamental Aritmetika
Setiap \(n>1\) dapat ditulis secara tunggal sebagai:
\[n=p_1^{e_1}\cdot p_2^{e_2}\cdots p_k^{e_k},\quad p_1
Teorema 2.2  |  FPB & Algoritma Euclid

FPB \(\gcd(a,b)\): bilangan bulat positif terbesar yang membagi \(a\) dan \(b\).

Algoritma Euclid: \(\gcd(a,b)=\gcd(b,\,a\bmod b)\), ulangi hingga sisa \(=0\).

Contoh: \(\gcd(252,198)\)

\(252=198\cdot1+54\)

\(198=54\cdot3+36\)

\(54=36\cdot1+18\)

\(36=18\cdot2+0\) โ† berhenti

Jadi \(\gcd(252,198)=18\). โœ”

Identitas Bezout: Terdapat \(s,t\in\mathbb{Z}\) sehingga \(\gcd(a,b)=sa+tb\). (Akan digeneralisasi menjadi Gelanggang Euclid di P-15!)

Teorema 2.3  |  Sifat-Sifat Kongruensi Modulo \(n\)

Untuk \(a\equiv b\pmod{n}\) dan \(c\equiv d\pmod{n}\), berlaku:

  • \(a+c\equiv b+d\pmod{n}\)  (stabil terhadap penjumlahan)
  • \(a\cdot c\equiv b\cdot d\pmod{n}\)  (stabil terhadap perkalian)

Akibat: Operasi pada \(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}=\{[0],[1],\ldots,[n-1]\}\) terdefinisi dengan baik:

\[[a]+[b]=[a+b]\qquad\text{dan}\qquad[a]\cdot[b]=[a\cdot b].\]
Contoh 2.2  |  Tabel Penjumlahan \(\mathbb{Z}/5\mathbb{Z}\)

Tabel operasi \(+\) pada \(\mathbb{Z}/5\mathbb{Z}=\{[0],[1],[2],[3],[4]\}\):

\(+\)[0][1][2][3][4]
[0][0][1][2][3][4]
[1][1][2][3][4][0]
[2][2][3][4][0][1]
[3][3][4][0][1][2]
[4][4][0][1][2][3]

Amati: Setiap baris dan kolom memuat tepat satu kali setiap elemen โ€” sifat Grup! \((\mathbb{Z}/5\mathbb{Z},+)\) adalah contoh utama grup siklik di P-3.

๐Ÿ’ก Relevansi Bilangan Bulat untuk Struktur Aljabar
  • \((\mathbb{Z}/n\mathbb{Z},+)\) adalah Grup Siklik orde \(n\) โ€” contoh terpenting di P-3 dan P-4.
  • \((\mathbb{Z},+,\cdot)\) adalah contoh paling natural dari Ring Komutatif (P-9 s.d P-11).
  • Algoritma Euclid digeneralisasi menjadi Gelanggang Euclid di P-15.
  • Konsep bilangan prima digeneralisasi menjadi elemen prima dan elemen tak tereduksi dalam ring.
โœ๏ธ Latihan Soal Mandiri (individual ยท dikumpulkan pada P-3)
1.   Misalkan \(f:A\to B\) dan \(g:B\to C\). Buktikan: jika \(g\circ f\) surjektif, maka \(g\) surjektif. Berikan contoh bahwa \(f\) belum tentu surjektif.
2.   Tunjukkan \(f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}\), \(f(x)=x^3\) bijektif. Tentukan \(f^{-1}\) dan verifikasi \(f^{-1}\circ f=\text{id}_{\mathbb{R}}\).
3. โญ Menengah

Diberikan \(\sigma=\begin{pmatrix}1&2&3&4\\3&4&1&2\end{pmatrix}\) dan \(\tau=\begin{pmatrix}1&2&3&4\\2&1&4&3\end{pmatrix}\) dalam \(S_4\).
(a) Hitung \(\sigma\circ\tau\) dan \(\tau\circ\sigma\).  (b) Tentukan \(\sigma^{-1}\) dan \(\tau^{-1}\).  (c) Hitung \(\sigma^4\).
4.   Gunakan Algoritma Euclid untuk menentukan \(\gcd(1071,462)\). Kemudian temukan \(s,t\in\mathbb{Z}\) sehingga \(\gcd(1071,462)=1071s+462t\).
5. ๐Ÿ”ฅ Tantangan

Buktikan: untuk \(a,b,n\in\mathbb{Z}\), \(n>0\), \(\gcd(a,n)=1\), jika \(ab\equiv0\pmod{n}\) maka \(b\equiv0\pmod{n}\). Apa yang terjadi jika syarat \(\gcd(a,n)=1\) dihapus?
6. โœจ Pengayaan

Tunjukkan bahwa \(U(n)=\{[a]\in\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\mid\gcd(a,n)=1\}\) dengan perkalian membentuk suatu grup. Tentukan \(U(8)\) dan \(U(12)\) secara eksplisit. (Petunjuk: ini Grup Unit โ€” akan muncul kembali di bahasan Ring!)
๐Ÿ“š Rujukan Bacaan P-2
[1] Herstein, I. N. (2006). Topics in Algebra (2nd ed.). Wiley. ยง1.2 (Mappings) & ยง1.3 (The Integers). Referensi Utama
[2] Gallian, J. A. (2021). Contemporary Abstract Algebra (10th ed.). Bab 0 & Bab 5 (Permutation Groups).
[3] Fraleigh, J. B. (2014). A First Course in Abstract Algebra (7th ed.). Section 0 & Section 8.
[4] Rosen, K. H. (2019). Discrete Mathematics and Its Applications (8th ed.). McGraw-Hill. Bab 4 (Number Theory).

๐Ÿ“Œ Prioritaskan membaca Herstein ยง1.2โ€“1.3 dan Gallian Bab 0 sebelum Pertemuan 3.