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

Pertemuan 4: Subgrup โ€” Definisi, Kriteria, dan Contoh-Contoh

๐Ÿ“š Herstein, Topics in Algebra ยง2.4โ€“ยง2.6 โฑ 150 menit (Hybrid) ๐ŸŽ“ S1 Pendidikan Matematika โ€“ UHO
๐ŸŽฏ Capaian Pembelajaran Pertemuan (CPP)

Setelah mengikuti pertemuan ini, mahasiswa mampu:

CPP-4.1Mendefinisikan subgrup dan membuktikan bahwa suatu subhimpunan membentuk subgrup menggunakan Lemma 2.2 (dua syarat) atau Lemma 2.3 (satu syarat).
CPP-4.2Memberikan dan menganalisis contoh-contoh subgrup: subgrup trivial, subgrup bilangan bulat, subgrup siklik \(\langle a \rangle\), dan subgrup matriks.
CPP-4.3Menjelaskan Normalizer \(N(g)\) dan Center \(Z_G\) dari suatu grup, serta membuktikan keduanya adalah subgrup.
CPP-4.4Membuktikan \(H \cap K\) selalu subgrup, dan menganalisis kapan \(HK\) dan \(aHa^{-1}\) merupakan subgrup dari \(G\).
โœ… Pengetahuan Prasyarat

Sebelum mengikuti pertemuan ini, pastikan Anda telah memahami:

  • Definisi dan empat aksioma grup (G1โ€“G4) serta sifat-sifat dasar grup (P-3).
  • Lemma 1.1 dan 1.2 P-3: ketunggalan identitas/invers, \((ab)^{-1}=b^{-1}a^{-1}\), hukum pencoretan.
  • Contoh-contoh grup: \((\mathbb{Z},+)\), \(S_3\), grup siklik, \(Q_8\), \(GL_2(\mathbb{R})\) (P-3).
  • Teknik pembuktian dengan inklusi dua arah dan induksi matematika.
๐Ÿ“– Uraian Materi

Bagian 1 โ€” Definisi dan Kriteria Subgrup

๐Ÿ’ก Motivasi

Perhatikan \(G = (\mathbb{Z}, +)\) dan \(H = \{2k \mid k \in \mathbb{Z}\}\) (bilangan genap). Dengan operasi penjumlahan yang sama, \(H\) memenuhi semua aksioma grup. Fenomena ini mendorong kita mendefinisikan subgrup โ€” bagian dari grup yang dengan sendirinya membentuk grup.

Definisi 2.1  |  Subgrup

Suatu subhimpunan tak kosong \(H\) dari \(G\) dikatakan subgrup dari \(G\) jika dengan operasi yang sama dengan \(G\), \(H\) membentuk grup.

Catatan penting:

  • Operasi dalam \(H\) harus sama dengan dalam \(G\).
  • Jika \(H\) subgrup \(G\) dan \(K\) subgrup \(H\), maka \(K\) subgrup \(G\).
  • Setiap grup \(G\) selalu memiliki dua subgrup trivial: \(\{e\}\) dan \(G\) itu sendiri.
Lemma 2.2  |  Kriteria Subgrup I (Dua Syarat)

\(H \subseteq G\) tak kosong adalah subgrup dari \(G\) \(\iff\):

  1. \(ab \in H\) untuk semua \(a,b \in H\)  (tertutup)
  2. jika \(a \in H\), maka \(a^{-1} \in H\)  (memuat invers)
Bukti (arah \(\Leftarrow\))
Andaikan (1) dan (2) berlaku. Asosiatif diwarisi dari \(G\). Identitas: ambil \(a \in H\) โ†’ \(a^{-1} \in H\) โ†’ \(aa^{-1}=e\in H\). Jadi \(H\) subgrup. \(\square\)
Lemma 2.3  |  Kriteria Subgrup II (Satu Syarat)

\(H \subseteq G\) tak kosong adalah subgrup dari \(G\) \(\iff\):

\[ab^{-1} \in H \quad \text{untuk semua } a,b \in H.\]
Bukti (arah \(\Leftarrow\))

Identitas: \(a=b\) โ†’ \(aa^{-1}=e\in H\). โœ”  Invers: \(a=e\) โ†’ \(eb^{-1}=b^{-1}\in H\). โœ”

Tertutup: Karena \(b^{-1}\in H\), maka \(a(b^{-1})^{-1}=ab\in H\). โœ” \(\square\)

Lemma 2.4  |  Kriteria Subgrup Hingga

Jika \(H\) subhimpunan hingga tak kosong dari \(G\) yang tertutup di bawah operasi \(G\), maka \(H\) subgrup dari \(G\).

Bukti (sketsa)
Karena \(H\) berhingga dan tertutup, deret \(a,a^2,a^3,\ldots \in H\) pasti berulang: \(a^r=a^s\) untuk \(r>s>0\). Maka \(a^{r-s}=e\in H\), dan \(a^{-1}=a^{r-s-1}\in H\). \(\square\)

Bagian 2 โ€” Contoh-Contoh Subgrup

Contoh 2.1  |  Subgrup \(H_n\) dari \((\mathbb{Z},+)\)

Untuk setiap \(n \in \mathbb{N}\), himpunan \(H_n = \{nk \mid k \in \mathbb{Z}\}\) adalah subgrup dari \((\mathbb{Z},+)\).

  • Tidak kosong: \(0 = n\cdot0 \in H_n\). โœ”
  • Tertutup: \(nk_1+nk_2=n(k_1+k_2)\in H_n\). โœ”
  • Invers: \(-(nk)=n(-k)\in H_n\). โœ”

Semua subgrup dari \((\mathbb{Z},+)\) berbentuk \(H_n\) untuk suatu \(n \geq 0\) โ€” ini akan terbukti dari Teorema Lagrange (P-5).

Contoh 2.2  |  Subgrup Siklik \(\langle a \rangle\)

Untuk \(a \in G\), himpunan \(\langle a \rangle = \{a^i \mid i \in \mathbb{Z}\}\) adalah subgrup dari \(G\), disebut subgrup siklik yang dibangun oleh \(a\).

Jika \(G = \langle a \rangle\), maka \(G\) disebut grup siklik.

Verifikasi: \(a^i \cdot a^j = a^{i+j} \in \langle a \rangle\) โœ” dan \((a^i)^{-1}=a^{-i}\in\langle a\rangle\) โœ”.

Contoh 2.3  |  Subgrup \(H(a)\) dari \(A(S)\)

Untuk \(a \in S\), \(H(a) = \{\alpha \in A(S) \mid \alpha(a) = a\}\) adalah subgrup dari \(A(S)\).

  • \(\iota_S \in H(a)\) karena \(\iota_S(a)=a\). โœ”
  • \((\alpha_1\alpha_2)(a)=\alpha_1(\alpha_2(a))=\alpha_1(a)=a\). โœ”
  • Jika \(\alpha_1(a)=a\): \(\alpha_1^{-1}(a)=a\). โœ”
Contoh 2.4  |  Lingkaran Satuan sebagai Subgrup dari \(\mathbb{C}^*\)

\(H = \{a+bi \in \mathbb{C}^* \mid a^2+b^2=1\}\) adalah subgrup dari \(\mathbb{C}^*\) (perkalian kompleks).

  • Tertutup: \(|(z_1z_2)|=|z_1||z_2|=1\cdot1=1\). โœ”
  • Invers: \((a+bi)^{-1}=a-bi\) dan \(a^2+(-b)^2=1\). โœ”

Geometris: \(H\) adalah lingkaran satuan di bidang kompleks โ€” setiap kelipatan dan invers dari titik di lingkaran tetap di lingkaran!

Bagian 3 โ€” Hasil Kali, Irisan, Normalizer, dan Center

Lemma 2.5  |  Irisan Dua Subgrup adalah Subgrup

Jika \(H,K\) subgrup dari \(G\), maka \(H\cap K\) juga subgrup dari \(G\).

Bukti

Tidak kosong: \(e\in H\cap K\). โœ”  Tertutup: \(a,b\in H\cap K\Rightarrow ab\in H\) dan \(ab\in K\Rightarrow ab\in H\cap K\). โœ”

Invers: \(a\in H\cap K\Rightarrow a^{-1}\in H\) dan \(a^{-1}\in K\Rightarrow a^{-1}\in H\cap K\). โœ” \(\square\)

Lemma 2.6  |  Hasil Kali Dua Subgrup

Misalkan \(H,K\) subgrup dari \(G\), \(HK=\{hk\mid h\in H,k\in K\}\). Maka:

\[HK \text{ subgrup dari } G \iff HK=KH.\]

Akibat: Jika \(G\) Abelian, maka \(HK\) selalu subgrup dari \(G\).

Peringatan: Di \(S_3\), untuk \(H=\{e,f\}\) dan \(K=\{e,gf\}\): \(|HK|=4\), tetapi \(4\nmid 6=o(S_3)\) โ€” jadi \(HK\) bukan subgrup (berkaitan dengan Teorema Lagrange, P-5).

Definisi 2.7 & Lemma 2.8  |  Normalizer \(N(g)\)

Untuk \(g\in G\), Normalizer dari \(g\) dalam \(G\) adalah:

\[N(g) = \{x\in G\mid xg=gx\}.\]

Lemma 2.8: \(N(g)\) adalah subgrup dari \(G\).

Bukti

Tidak kosong: \(eg=ge\Rightarrow e\in N(g)\). โœ”  Tertutup: Jika \(y,z\in N(g)\): \((yz)g=y(zg)=y(gz)=(yg)z=(gy)z=g(yz)\). โœ”

Invers: Jika \(x\in N(g)\), maka \(xg=gx\Rightarrow x^{-1}g=gx^{-1}\), jadi \(x^{-1}\in N(g)\). โœ” \(\square\)

Definisi 2.9 & Lemma 2.10  |  Center \(Z_G\)

Center dari \(G\):

\[Z_G = \{z\in G\mid zg=gz\text{ untuk semua }g\in G\} = \bigcap_{g\in G}N(g).\]

Lemma 2.10: \(Z_G\) adalah subgrup dari \(G\) (irisan subgrup-subgrup adalah subgrup).

Sifat: \(G\) Abelian \(\iff\) \(Z_G=G\).

Contoh 2.5  |  Normalizer dan Center di \(S_3\) dan \(Q_8\)

Pada \(S_3\):

  • \(N(g) = \{e,g,g^2\}\) (subgrup orde 3).  \(N(f) = \{e,f\}\) (subgrup orde 2).
  • \(Z_{S_3} = \{e\}\) โ€” hanya identitas, karena \(S_3\) non-Abelian.

Pada \(Q_8\):

  • \(Z_{Q_8} = \{1,-1\}\) โ€” elemen \(1\) dan \(-1\) komutatif dengan semua elemen \(Q_8\).
  • \(Z_{Q_8}\) lebih besar dari \(Z_{S_3}\), meski keduanya non-Abelian.
โœ๏ธ Latihan Soal Mandiri (individual ยท dikumpulkan pada P-5)
1.   Jika \(H\) dan \(K\) subgrup dari \(G\), tunjukkan \(H\cap K\) subgrup dari \(G\). Berikan contoh bahwa \(H\cup K\) tidak selalu subgrup.
2.   Jika \(H\) subgrup dari \(G\) dan \(a\in G\), buktikan \(aHa^{-1}=\{aha^{-1}\mid h\in H\}\) adalah subgrup dari \(G\).
3. โญ Menengah

Misalkan \(G=\langle a\rangle\) grup siklik orde 10, \(H=\langle a^2\rangle\), \(K=\langle a^5\rangle\). Daftarkan elemen \(H\) dan \(K\), tentukan \(H\cap K\) dan \(HK\), dan periksa apakah keduanya subgrup dari \(G\).
4.   Misalkan \(G=\{f_{ab}\mid a,b\in\mathbb{R},a\neq0\}\) dengan \(f_{ab}:x\mapsto ax+b\) dan komposisi. Buktikan \(G\) grup, lalu buktikan \(N=\{f_{1b}\mid b\in\mathbb{R}\}\) subgrup dari \(G\). Tunjukkan \(f_{ab}\circ f_{1c}\circ f_{ab}^{-1}\in N\).
5. ๐Ÿ”ฅ Tantangan

Jika \(H\) subgrup \(G\), definisikan \(C(H)=\{x\in G\mid xh=hx\text{ untuk semua }h\in H\}\). Buktikan \(C(H)\) subgrup dari \(G\). Apa hubungan \(C(H)\), \(N(g)\), dan \(Z_G\)?
6. โœจ Pengayaan

Misalkan \(N(H)=\{a\in G\mid aHa^{-1}=H\}\). Buktikan: (a) \(N(H)\) subgrup \(G\), dan (b) \(H\subseteq N(H)\). Apa artinya jika \(N(H)=G\)? (Ini embrio subgrup normal di P-6!)
๐Ÿ“š Rujukan Bacaan P-4
[1] Herstein, I. N. (2006). Topics in Algebra (2nd ed.). ยง2.4โ€“ยง2.6. Referensi Utama
[2] Gallian, J. A. (2021). Contemporary Abstract Algebra (10th ed.). Bab 3.
[3] Fraleigh, J. B. (2014). A First Course in Abstract Algebra (7th ed.). Section 5 & 6.
[4] Susilo, F. (2012). Aljabar Abstrak: Teori Grup. Bab 3.

๐Ÿ“Œ Prioritaskan membaca Herstein ยง2.4โ€“ยง2.5 sebelum Pertemuan 5.