Gelanggang (matematika)

Dari Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebas
Loncat ke navigasi Loncat ke pencarian

Dalam matematika, gelanggang (bahasa Inggris: ring) merupakan salah satu struktur aljabar yang dibahas dalam aljabar abstrak. Sebuah gelanggang terdiri dari sebuah himpunan dan dua operasi biner yang didasarkan pada operasi aritmetika penjumlahan dan perkalian. Pendasaran tersebut memudahkan teorema-teorema yang berlaku pada aritmetika diterapkan juga dalam objek-objek non-numerik, seperti polinomial, deret, matriks, dan fungsi.

Gelanggang adalah grup abelian dengan operasi biner kedua yang bersifat asosiatif, distributif terhadap operasi dari grup tersebut, dan memiliki unsur identitas. Mengambil istilah aritmetika, operasi yang berasal dari grup disebut penjumlahan dan operasi yang kedua disebut perkalian.

Berlaku atau tidaknya sifat komutatif dalam suatu gelanggang memiliki akibat yang besar pada objek tersebut. Oleh karena itu, teori gelanggang komutatif, atau sering disebut juga aljabar komutatif, adalah topik penting dalam teori gelanggang. Perkembangannya dipengaruhi oleh permasalahan dan ide yang berasal dari teori bilangan aljabar dan geometri aljabar.

Konseptualisasi gelanggang dimulai pada 1870-an dan diselesaikan pada 1920-an. Kontributor utama di antaranya Dedekind, Hilbert, Fraenkel, dan Noether. Gelanggang pertama kali dirumuskan sebagai bentuk umum dari domain Dedekind yang terdapat di teori bilangan, dan dari gelanggang polinomial dan gelanggang invarian yang terdapat di geometri aljabar dan teori invarian. Selanjutnya, gelanggang dipergunakan di cabang-cabang matematika yang lain seperti geometri dan analisis matematis.

Definisi dan ilustrasi[sunting | sunting sumber]

Bilangan bulat, dengan operasi penjumlahan dan perkalian, membentuk contoh prototipikal dari gelanggang.

Contoh gelanggang yang paling mudah dikenali adalah himpunan semua bilangan bulat, , yang terdiri dari bilangan-bilangan

… , −5, −4, −3, −2, −1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, …

Sifat-sifat penjumlahan dan perkalian bilangan bulat merupakan model untuk aksioma-aksioma gelanggang.

Definisi[sunting | sunting sumber]

Sebuah gelanggang adalah sebuah himpunan R dengan dua operasi biner + dan · yang memenuhi ketiga aksioma berikut, juga disebut aksioma gelanggang[1][2][3]

  1. R merupakan grup abelian terhadap penjumlahan, artinya:
    • (a + b) + c = a + (b + c) untuk setiap a, b, c dalam R   (dengan kata lain, + bersifat asosiatif).
    • a + b = b + a untuk setiap a, b dalam R   (dengan kata lain, + bersifat komutatif).
    • Terdapat sebuah unsur 0 dalam R yang menyebabkan a + 0 = a untuk setiap a dalam R   (dengan kata lain, terdapat 0 sebagai identitas aditif).
    • Untuk setiap a dalam R terdapat −a dalam R yang menyebabkan a + (−a) = 0   (dengan kata lain, −a adalah invers aditif dari a).
  2. R merupakan monoid terhadap perkalian, artinya:
    • (a · b) · c = a · (b · c) untuk setiap a, b, c dalam R   (dengan kata lain, · bersifat asosiatif).
    • Terdapa sebuah unsur 1 dalam R yang menyebabkan a · 1 = a dan 1 · a = a untuk setiap a dalam R   (dengan kata lain, terdapat 1 sebagai identitas perkalian).[4]
  3. Perkalian bersifat distributif terhadap penjumlahan, artinya:
    • a ⋅ (b + c) = (a · b) + (a · c) untuk setiap a, b, c dalam R   (distributif kiri).
    • (b + c) · a = (b · a) + (c · a) untuk setiap a, b, c dalam R   (distributif kanan).

Catatan mengenai definisi[sunting | sunting sumber]

Seperti dijelaskan dalam bagian § Sejarah, sebagian penulis memakai ketentuan berbeda di mana sebuah gelanggang tidak perlu memiliki identitas perkalian. Artikel ini menggunakan ketentuan, kecuali ketika disebutkan sebaliknya, bahwa sebuah gelanggang harus memiliki identitas tersebut. Sebagian penulis yang menggunakan ketentuan ini menyebut struktur yang memenuhi semua aksioma kecuali syarat identitas perkalian sebagai rng (biasa dibaca rung) dan sebagian menyebutnya gelanggang semu. Contohnya, himpunan semua bilangan genap dengan operasi + dan ⋅ yang biasa merupakan sebuah rng, tapi bukan sebuah gelanggang.

Operasi + dan ⋅ masing-masing disebut penjumlahan dan perkalian. Simbol perkalian ⋅ biasanya tidak dituliskan; contohnya, xy berarti xy.

Meskipun penjumlahan gelanggang bersifat komutatif, perkalian gelanggang tidak harus komutatif: ab tidak harus sama dengan ba. Gelanggang yang perkaliannya memenuhi sifat komutatif (seperti gelanggang bilangan bulat) disebut gelanggang komutatif. Buku yang membahas aljabar komutatif atau geometri aljabar terkadang menyebutkan gelanggang komutatif sebagai gelanggang saja.

Dalam sebuah gelanggang, invers perkalian tidak harus ada. Sebuah gelanggang bukan nol yang setiap unsur bukan nolnya memiliki invers perkalian disebut sebuah medan.

Sifat dasar[sunting | sunting sumber]

Beberapa sifat dasar dari gelanggang yang bisa diperoleh dari aksioma:

  • Identitas aditif, invers aditif setiap unsur, dan identitas perkalian bersifat unik.
  • Untuk setiap unsur x dalam sebuah gelanggang R, dipenuhi persamaan x0 = 0 = 0x (nol adalah unsur penyerap terhadap perkalian) dan (–1)x = –x.
  • Jika 0 = 1 dalam sebuah gelanggang R (atau secara umum, 0 adalah unsur satuan), maka R hanya memiliki satu unsur, dan disebut gelanggang nol.
  • Teorema binomial berlaku untuk setiap pasangan unsur yang komutatif (dengan kata lain, untuk setiap x dan y yang memenuhi xy = yx).

Contoh: Bilangan bulat modulo 4[sunting | sunting sumber]

Lengkapi himpunan dengan operasi berikut:

  • Jumlah dalam Z4 adalah sisa ketika bilangan bulat x + y dibagi 4. Contohnya, dan .
  • Hasil kali dalam Z4 adalah sisa ketika bilangan bulat xy dibagi 4. Contohnya, dan .

Maka Z4 merupakan sebuah gelanggang: setiap aksioma mengikuti aksioma dari Z. Jika x merupakan sebuah bilangan bulat, sisa dari x ketika dibagi 4 bisa dianggap sebagai unsur dari Z4, dan unsur ini biasa disebut "x mod 4" atau , sesuai dengan notasi untuk 0, 1, 2, 3. Invers aditif dari setiap dalam Z4 adalah . Contohnya,

Contoh: Matriks 2-kali-2[sunting | sunting sumber]

Himpunan matriks 2-kali-2 dengan anggota bilangan real ditulis

Dengan operasi penjumlahan matriks dan perkalian matriks, himpunan ini memenuhi aksioma gelanggang. Unsur adalah identitas perkalian dari gelanggangnya. Jika dan , maka sedangkan ; jadi gelanggang yang ini tidak komutatif.

Secara umum, untuk setiap gelanggang R, komutatif maupun tidak, dengan bilangan bulat non-negatif n manapun, bisa disusun sebuah gelanggang matriks n-kali-n dengan anggota dari R: lihat Gelanggang matriks.

Sejarah[sunting | sunting sumber]

Richard Dedekind, salah seorang pendiri teori gelanggang.

Dedekind[sunting | sunting sumber]

Penelitian gelanggang berawal dari teori gelanggang polinomial dan teori bilangan bulat aljabar.[5] Pada 1871, Richard Dedekind mendefinisikan konsen gelanggang bilangan bulat dari medan bilangan.[6] Dalam konteks ini, dia memperkenalkan istilah "ideal" (terinspirasi dari istilah angka ideal dari Ernst Kummer) dan "modul" dan mempelajari sifat-sifat mereka. Namun, Dedekind tidak mengguanakan istilah "ring" dan tidak mendefinisikan konsep gelanggang secara umum.

Hilbert[sunting | sunting sumber]

Istilah "Zahlring" (gelanggang angka) dibuat oleh David Hilbert pada 1892 dan diterbitkan pada 1897.[7] Menurut Harvey Cohn, Hilbert menggunakan istilah gelanggang yang memiliki sifat "berputar kembali" ke unsur itu sendiri.[8] Secara khusus, dalam sebuah gelanggang bilangan bulat aljabar, semua pangkat yang tinggi dari bilangan bulat aljabar bisa ditulis sebagai kombinasi integral dari pangkat-pangkat yang rendah, jadi pangkatnya "berputar". Contohnya, jika a3 − 4a + 1 = 0 maka a3 = 4a − 1, a4 = 4a2a, a5 = −a2 + 16a − 4, a6 = 16a2 − 8a + 1, a7 = −8a2 + 65a − 16, dan seterusnya; secara umum, an adalah kombinasi linear integral dari 1, a, dan a2.

Fraenkel dan Noether[sunting | sunting sumber]

Definisi aksiomatik gelanggang yang pertama diberikan oleh Adolf Fraenkel pada 1914,[9][10] tapi aksiomanya lebih ketat daripada yang terdapat di definisi modern. Contohnya, dia menetapkan setiap pembagi bukan nol harus memiliki invers perkalian.[11] Pada 1921, Emmy Noether memberikan definisi aksiomatik modern dari gelanggang (komutatif) dan mengembangkan dasar dari teori gelanggang komutatif dalam makalahnya Idealtheorie in Ringbereichen.[12]

Identitas perkalian: wajib vs. pilihan[sunting | sunting sumber]

Fraenkel menetapkan sebuah gelanggang harus memiliki identitas perkalian 1,[13] sedangkan Noether tidak.[12]

Sebagian besar buku aljabar[14][15] sampai sekitar tahun 1960 mengikuti definisi Noether yang tidak memerlukan 1. Mulai dari 1960-an, menjadi lebih banyak buku yang memerlukan 1 dalam definisi gelanggang, terutama di buku lanjutan oleh penulis terkenal seperti Artin,[16] Atiyah dan MacDonald,[17] Bourbaki,[18] Eisenbud,[19] dan Lang.[20] Meskipun begitu, sekarang masih banyak buku yang tidak memerlukan 1.[21][22][23]

Menghadapi ambiguitas ini, sebagian penulis mencoba menekankan pandangkan mereka, sementara sebagian yang lainya mencoba memakai istilah yang lebih persis.

Dari kategori pertama, salah satu contohnya adalah Gardner dan Wiegandt, yang mengatakan bahwa apabila semua gelanggang harus memiliki 1, maka salah satu akibatnya adalah tidak adanya jumlah langsung tak terhingga dari gelanggang, dan yang dijumlah langsung dari gelanggang bukanlah subgelanggang. Mereka menyimpulkan bahwa "dalam banyak, mungkin kebanyakan, cabang teori gelanggang dibutuhkannya keberadaan unsur satuan tidaklah berakal sehat, dan sebab itu tidak bisa diterima."[24] Poonen membuat argumen bantahan: gelanggang tanpa identitas perkalian tidak bersifat asosiatif secara total (hasil kali dari barisan terhingga manapun yang terdiri dari unsur-unsur gelanggang, termasuk barisan kosong, didefinisikan dengan baik, tidak tergantung urutan operasi) dan menulis "lanjutan alamiah dari sifat asosiatif memerlukan gelanggang yang mengandung hasil kali kosong, jadi wajar bila gelanggang memerlukan sebuah 1".[25]

Dalam kategori kedua, beberapa penulis menggunakan istilah-istilah berikut:[26][27]

  • gelanggang dengan identitas perkalian: unital ring, unitary ring, unit ring, ring with unity, ring with identity, atau ring with 1
  • gelanggang tanpa identitas perkalian: rng atau pseudo-ring,[28] tapi yang kedua bisa jadi membingungkan karena punya arti lain.

Sitiran[sunting | sunting sumber]

  1. ^ Nicolas Bourbaki (1970). "§I.8". Algebra. Springer-Verlag. 
  2. ^ Saunders MacLane; Garrett Birkhoff (1967). Algebra. AMS Chelsea. hlm. 85. 
  3. ^ Serge Lang (2002). Algebra (edisi ke-Third). Springer-Verlag. hlm. 83. 
  4. ^ Keberadaan 1 tidak diharuskan oleh setiap pengarang; di sini, istilah rng apabila keberadaan 1 tidak diperlukan. Lihat subbagian berikutnya
  5. ^ The development of Ring Theory
  6. ^ Kleiner 1998, p. 27.
  7. ^ Hilbert 1897.
  8. ^ Cohn, Harvey (1980), Advanced Number Theory, New York: Dover Publications, hlm. 49, ISBN 978-0-486-64023-5 
  9. ^ Fraenkel, pp. 143–145
  10. ^ Jacobson (2009), p. 86, footnote 1.
  11. ^ Fraenkel, p. 144, axiom R8).
  12. ^ a b Noether, p. 29.
  13. ^ Fraenkel, p. 144, axiom R7).
  14. ^ Van der Waerden, 1930.
  15. ^ Zariski and Samuel, 1958.
  16. ^ Artin, p. 346.
  17. ^ Atiyah and MacDonald, p. 1.
  18. ^ Bourbaki, p. 96.
  19. ^ Eisenbud, p. 11.
  20. ^ Lang, p. 83.
  21. ^ Gallian, p. 235.
  22. ^ Hungerford, p. 42.
  23. ^ Warner, p. 188.
  24. ^ Gardner and Wiegandt 2003.
  25. ^ Poonen 2018.
  26. ^ Wilder 1965, p. 176.
  27. ^ Rotman 1998, p. 7.
  28. ^ Bourbaki, p. 98.