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

Pertemuan 3: Operasi Biner, Definisi Grup & Sifat-Sifat Dasar

๐Ÿ“š Herstein, Topics in Algebra ยง2.1โ€“ยง2.3 โฑ 150 menit (Hybrid) ๐ŸŽ“ S1 Pendidikan Matematika โ€“ UHO
๐ŸŽฏ Capaian Pembelajaran Pertemuan (CPP)

Setelah mengikuti pertemuan ini, mahasiswa mampu:

CPP-3.1Mendefinisikan operasi biner dan mengidentifikasi sifat-sifatnya (tertutup, asosiatif, komutatif, identitas, invers) pada berbagai contoh himpunan.
CPP-3.2Mendefinisikan grup dan membuktikan bahwa suatu himpunan dengan operasi biner membentuk grup, termasuk membedakan grup Abelian dan non-Abelian.
CPP-3.3Memberikan dan menganalisis contoh-contoh grup: \((\mathbb{Z},+)\), \((\mathbb{Z}/n\mathbb{Z},+)\), \(S_n\), grup siklik, grup Quaternion, dan grup matriks.
CPP-3.4Membuktikan sifat-sifat dasar grup: ketunggalan identitas & invers, \((a^{-1})^{-1}=a\), \((ab)^{-1}=b^{-1}a^{-1}\), dan hukum pencoretan.
โœ… Pengetahuan Prasyarat

Sebelum mengikuti pertemuan ini, pastikan Anda telah memahami:

  • Konsep fungsi bijektif, komposisi fungsi, dan permutasi (P-2).
  • Himpunan \(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\) dan operasi penjumlahan modulo \(n\) (P-1 & P-2).
  • Hasil kali Kartesius \(A \times A\) dan konsep pemetaan dari \(A \times A\) ke \(A\) (P-1).
  • Teknik pembuktian: langsung, kontrapositif, dan induksi matematika.
๐Ÿ“– Uraian Materi

Bagian 1 โ€” Operasi Biner

Definisi 1.1  |  Operasi Biner

Misalkan \(A\) himpunan tak kosong. Suatu pemetaan \(*: A \times A \to A\) disebut operasi biner dalam \(A\). Untuk \((x,y) \in A \times A\), hasil operasi ditulis \(x * y\) atau cukup \(xy\).

Sifat-sifat penting operasi biner dalam \(A\):

SifatDefinisi
Tertutup\(xy \in A\) untuk setiap \(x,y \in A\)
Asosiatif\(x(yz) = (xy)z\) untuk setiap \(x,y,z \in A\)
Komutatif\(xy = yx\) untuk setiap \(x,y \in A\)
Unsur IdentitasTerdapat \(e \in A\) dengan \(xe = x = ex\) untuk setiap \(x \in A\)
InversUntuk setiap \(x \in A\), terdapat \(x^{-1} \in A\) dengan \(xx^{-1} = e = x^{-1}x\)
Contoh 1.1  |  Identifikasi Sifat Operasi Biner
  • Penjumlahan pada \(\mathbb{Z}\): tertutup โœ”, asosiatif โœ”, identitas \(e=0\) โœ”, invers \(-a\) โœ”, komutatif โœ”.
  • Pembagian pada \(\mathbb{Z}\setminus\{0\}\): \(a*b=a/b\). Tidak tertutup (\(1/2\notin\mathbb{Z}\)), tidak asosiatif, tidak ada identitas.
  • Komposisi pada \(A(S)\) (semua bijeksi \(S\to S\)): tertutup โœ”, asosiatif โœ”, identitas \(\iota_S\) โœ”, invers \(\alpha^{-1}\) โœ”. Untuk \(|S|\geq3\): tidak komutatif.
  • Gabungan himpunan: tertutup โœ”, asosiatif โœ”, identitas \(\emptyset\) โœ”, tetapi tidak setiap anggota berinvers.

Bagian 2 โ€” Definisi dan Contoh Grup

Definisi 1.2  |  Grup

Suatu himpunan tak kosong \(G\) dikatakan membentuk grup jika dalam \(G\) didefinisikan suatu operasi biner yang memenuhi empat aksioma:

No.AksiomaPernyataan
G1Tertutup\(\forall a,b\in G:\; ab\in G\)
G2Asosiatif\(\forall a,b,c\in G:\; a(bc)=(ab)c\)
G3Identitas\(\exists e\in G:\; ae=a=ea\) untuk setiap \(a\in G\)
G4Invers\(\forall a\in G,\;\exists a^{-1}\in G:\; aa^{-1}=e=a^{-1}a\)

Grup \(G\) disebut Abelian (komutatif) jika tambahan memenuhi \(ab=ba\) untuk setiap \(a,b\in G\). Grup yang tidak Abelian disebut non-Abelian.

Definisi 1.3  |  Orde Grup
Jumlah unsur dari grup \(G\), dinotasikan \(o(G)\) atau \(|G|\), disebut orde dari \(G\). Grup dengan orde berhingga disebut grup hingga; sebaliknya disebut grup takhingga.
Contoh 1.2  |  Contoh-Contoh Grup

(a) \((\mathbb{Z},+)\) โ€” Grup Takhingga Abelian

Identitas \(e=0\), invers \(a^{-1}=-a\), \(o(\mathbb{Z})=\infty\). Semua aksioma terpenuhi.


(b) \(G=\{1,-1\}\) dengan perkalian โ€” \(o(G)=2\), Abelian

\(\cdot\)1โˆ’1
11โˆ’1
โˆ’1โˆ’11

Identitas \(e=1\), \(1^{-1}=1\), \((-1)^{-1}=-1\). Grup Abelian.


(c) Grup Simetri \(S_3\) โ€” \(o(S_3)=6\), Non-Abelian

Untuk \(S=\{x_1,x_2,x_3\}\), \(S_3\) adalah himpunan semua bijeksi \(S\to S\) dengan komposisi. \(|S_3|=3!=6\). Karena \(\alpha\circ\beta\neq\beta\circ\alpha\) untuk beberapa unsur, maka \(S_3\) non-Abelian.

Invers: \(e^{-1}=e,\;\alpha^{-1}=\alpha^2,\;\beta^{-1}=\beta,\;(\alpha\beta)^{-1}=\alpha\beta,\;(\alpha^2)^{-1}=\alpha,\;(\alpha^2\beta)^{-1}=\alpha^2\beta\).


(d) Grup Siklik Orde \(n\)

Untuk \(n\in\mathbb{N}\), \(G=\{a^i\mid i=0,1,\ldots,n-1\}\) dengan:

\[a^i\cdot a^j = \begin{cases}a^{i+j} & \text{jika }i+j

Untuk \(n=5\): \(G=\{e,a,a^2,a^3,a^4\}\), tabel Cayley:

\(\cdot\)\(e\)\(a\)\(a^2\)\(a^3\)\(a^4\)
\(e\)\(e\)\(a\)\(a^2\)\(a^3\)\(a^4\)
\(a\)\(a\)\(a^2\)\(a^3\)\(a^4\)\(e\)
\(a^2\)\(a^2\)\(a^3\)\(a^4\)\(e\)\(a\)
\(a^3\)\(a^3\)\(a^4\)\(e\)\(a\)\(a^2\)
\(a^4\)\(a^4\)\(e\)\(a\)\(a^2\)\(a^3\)

Grup ini Abelian karena \(a^ia^j=a^{i+j}=a^ja^i\). Perhatikan: \((\mathbb{Z}/5\mathbb{Z},+)\) memiliki struktur yang identik dengan grup ini!


(e) Grup Quaternion \(Q_8\) โ€” \(o(Q_8)=8\), Non-Abelian

\(Q_8=\{1,-1,i,-i,j,-j,k,-k\}\) dengan relasi \(i^2=j^2=k^2=-1\), \(ij=k\), \(jk=i\), \(ki=j\). Karena \(ij=k\neq -k=ji\), maka \(Q_8\) non-Abelian.


(f) Grup Matriks \(GL_2(\mathbb{R})\)

\(GL_2(\mathbb{R})=\left\{\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}\mid a,b,c,d\in\mathbb{R},\;ad-bc\neq0\right\}\) dengan perkalian matriks. Non-Abelian, takhingga. Identitas \(=I_2\), invers \(A^{-1}=\frac{1}{ad-bc}\begin{pmatrix}d&-b\\-c&a\end{pmatrix}\).

Catatan 1.1  |  Notasi Pangkat dalam Grup

Untuk \(a\in G\) dan \(k\in\mathbb{N}\):

\[a^0=e,\quad a^1=a,\quad a^k=aa^{k-1},\quad a^{-k}=(a^{-1})^k.\]

Berlaku: \(a^m\cdot a^n=a^{m+n}\) dan \((a^m)^n=a^{mn}\) untuk setiap \(m,n\in\mathbb{Z}\).

Bagian 3 โ€” Sifat-Sifat Dasar Grup

Lemma 1.1  |  Sifat-Sifat Dasar Grup

Jika \(G\) adalah grup, maka:

  1. Identitas tunggal: Unsur identitas \(e\) dalam \(G\) adalah tunggal.
  2. Invers tunggal: Setiap \(a\in G\) memiliki invers yang tunggal.
  3. Invers dari invers: \((a^{-1})^{-1}=a\) untuk setiap \(a\in G\).
  4. Invers hasil kali: \((ab)^{-1}=b^{-1}a^{-1}\) untuk setiap \(a,b\in G\).
Bukti

(1) Misal \(e\) dan \(f\) keduanya identitas. Pandang \(e\) identitas, \(f\) elemen biasa: \(f=ef\). Pandang \(f\) identitas, \(e\) elemen biasa: \(e=ef\). Maka \(e=ef=f\). \(\square\)

(2) Misal \(x,y\) keduanya invers \(a\): \(ax=e=xa\) dan \(ay=e=ya\). Maka \(x=ex=(ya)x=y(ax)=ye=y\). \(\square\)

(3) Dari \(a^{-1}(a^{-1})^{-1}=e=a^{-1}a\), menurut (2): \((a^{-1})^{-1}=a\). \(\square\)

(4) \((ab)(b^{-1}a^{-1})=a(bb^{-1})a^{-1}=aea^{-1}=aa^{-1}=e\). Demikian pula \((b^{-1}a^{-1})(ab)=e\). Jadi \((ab)^{-1}=b^{-1}a^{-1}\). \(\square\)

Lemma 1.2  |  Hukum Pencoretan (Cancellation Laws)

Diberikan \(a,b\in G\). Persamaan \(ax=b\) dan \(ya=b\) masing-masing memiliki solusi tunggal. Khususnya:

  • Pencoretan kiri: \(au=aw \Rightarrow u=w\).
  • Pencoretan kanan: \(ua=wa \Rightarrow u=w\).
Bukti (untuk \(ax=b\))

Solusi: \(x=a^{-1}b\), karena \(a(a^{-1}b)=(aa^{-1})b=eb=b\). โœ”

Ketunggalan: Jika \(ax_1=b\), maka \(x_1=ex_1=(a^{-1}a)x_1=a^{-1}(ax_1)=a^{-1}b\). \(\square\)

๐Ÿ’ก Catatan Penting
  • Hukum pencoretan tidak berlaku untuk silang: \(ab=ca\) tidak mengimplikasikan \(b=c\) dalam grup non-Abelian!
  • Rumus \((ab)^{-1}=b^{-1}a^{-1}\) โ€” urutan dibalik โ€” adalah konsekuensi dari kemungkinan non-komutatif.
  • Lemma 1.1 dan 1.2 berlaku untuk setiap grup, tanpa terkecuali.
โœ๏ธ Latihan Soal Mandiri (individual ยท dikumpulkan pada P-4)
1.   Periksa, apakah \(G = \left\{\frac{p}{q} \mid p,q\in\mathbb{Z},\; q \text{ ganjil}\right\}\) dengan penjumlahan biasa membentuk grup. Jika ya, apakah Abelian?
2.   Buktikan bahwa \((a^{-1})^{-1}=a\) dan \((a_1a_2\cdots a_n)^{-1}=a_n^{-1}\cdots a_2^{-1}a_1^{-1}\) untuk setiap \(a,a_1,\ldots,a_n\in G\).
3. โญ Menengah

Dalam \(S_3\), tunjukkan bahwa terdapat tepat empat unsur \(x\) yang memenuhi \(x^2=e\) dan tepat tiga unsur \(y\) yang memenuhi \(y^3=e\). Identifikasi semua secara eksplisit.
4.   Tunjukkan bahwa \(G=\{a+b\sqrt{2}\mid a,b\in\mathbb{Q},\;(a,b)\neq(0,0)\}\) dengan perkalian biasa membentuk grup Abelian.
5. ๐Ÿ”ฅ Tantangan

Misalkan \(G\) grup dan \(a\in G\). Definisikan \(C(a)=\{x\in G\mid xa=ax\}\). Buktikan bahwa \(C(a)\) tertutup terhadap operasi dalam \(G\) dan mengandung invers setiap anggotanya. (C(a) disebut centralizer dari a โ€” akan muncul lagi di P-4!)
6. โœจ Pengayaan

Buktikan bahwa grup \(G\) dengan \(o(G)=2\) atau \(o(G)=3\) pasti Abelian. Kemudian berikan contoh grup non-Abelian dengan orde terkecil mungkin dan tunjukkan non-komutatifitasnya secara eksplisit.
๐Ÿ“š Rujukan Bacaan P-3
[1] Herstein, I. N. (2006). Topics in Algebra (2nd ed.). Wiley. ยง2.1โ€“ยง2.3. Referensi Utama
[2] Gallian, J. A. (2021). Contemporary Abstract Algebra (10th ed.). Bab 2 & 3.
[3] Fraleigh, J. B. (2014). A First Course in Abstract Algebra (7th ed.). Section 4 & 5.
[4] Susilo, F. (2012). Aljabar Abstrak: Teori Grup. Graha Ilmu. Bab 2.

๐Ÿ“Œ Prioritaskan membaca Herstein ยง2.1โ€“ยง2.3 sebelum Pertemuan 4.