Lewati ke konten utama

Bagian 16.1 Gelanggang

Suatu himpunan takkosong \(R\) disebut gelanggang jika memiliki dua operasi biner tertutup, yaitu penjumlahan dan perkalian, yang memenuhi syarat-syarat berikut.
  1. \(a + b = b + a\) untuk \(a, b \in R\text{.}\)
  2. \((a + b) + c = a + ( b + c)\) untuk \(a, b, c \in R\text{.}\)
  3. Terdapat elemen \(0\) dalam \(R\) sedemikian sehingga \(a + 0 = a\) untuk semua \(a \in R\text{.}\)
  4. Untuk setiap elemen \(a \in R\text{,}\) terdapat elemen \(-a\) dalam \(R\) sedemikian sehingga \(a + (-a) = 0\text{.}\)
  5. \((ab) c = a ( b c)\) untuk \(a, b, c \in R\text{.}\)
  6. Untuk \(a, b, c \in R\text{,}\)
    \begin{align*} a( b + c)&= ab +ac\\ (a + b)c & = ac + bc\text{.} \end{align*}
Syarat terakhir ini, yakni aksioma distributif, menghubungkan operasi biner penjumlahan dan perkalian. Perhatikan bahwa empat aksioma pertama hanya mensyaratkan suatu gelanggang menjadi grup abelian terhadap penjumlahan, sehingga kita juga dapat mendefinisikan gelanggang sebagai grup abelian \((R, +)\) beserta operasi biner kedua yang memenuhi syarat kelima dan keenam di atas.
Jika terdapat elemen \(1 \in R\) sedemikian sehingga \(1 \neq 0\) dan \(1a = a1 = a\) untuk setiap elemen \(a \in R\text{,}\) kita mengatakan bahwa \(R\) merupakan gelanggang dengan satuan atau identitas. Suatu gelanggang \(R\) yang memenuhi \(ab = ba\) untuk semua \(a, b\) dalam \(R\) disebut gelanggang komutatif. Suatu gelanggang komutatif \(R\) dengan identitas disebut daerah integral jika, untuk setiap \(a, b \in R\) sedemikian sehingga \(ab = 0\text{,}\) berlaku \(a = 0\) atau \(b = 0\text{.}\) Gelanggang pembagian adalah gelanggang \(R\) dengan identitas, yang setiap elemen taknol dalam \(R\) merupakan suatu unsur satuan; yaitu, untuk setiap \(a \in R\) dengan \(a \neq 0\text{,}\) terdapat elemen tunggal \(a^{-1}\) sedemikian sehingga \(a^{-1} a = a a^{-1} = 1\text{.}\) Gelanggang pembagian komutatif disebut lapangan. Hubungan antara gelanggang, daerah integral, gelanggang pembagian, dan lapangan ditunjukkan dalam Gambar 16.1.1.
Graf dengan gelanggang pada tingkat teratas yang terhubung ke gelanggang komutatif dan gelanggang dengan identitas pada tingkat kedua. Gelanggang komutatif terhubung ke daerah integral pada tingkat ketiga, sedangkan gelanggang dengan identitas terhubung ke daerah integral dan gelanggang pembagian pada tingkat ketiga. Daerah integral dan gelanggang pembagian terhubung ke lapangan pada tingkat terbawah.
Gambar 16.1.1. Jenis-jenis gelanggang

Contoh 16.1.2.

Seperti telah disebutkan sebelumnya, bilangan bulat membentuk gelanggang. Bahkan, \({\mathbb Z}\) merupakan daerah integral. Jelas bahwa jika \(a b = 0\) untuk dua bilangan bulat \(a\) dan \(b\text{,}\) maka \(a=0\) atau \(b=0\text{.}\) Namun, \({\mathbb Z}\) bukan lapangan. Tidak ada bilangan bulat yang merupakan invers multiplikatif dari \(2\text{,}\) karena \(1/2\) bukan bilangan bulat. Satu-satunya bilangan bulat yang memiliki invers multiplikatif adalah \(1\) dan \(-1\text{.}\)

Contoh 16.1.3.

Terhadap operasi penjumlahan dan perkalian biasa, semua sistem bilangan yang dikenal merupakan gelanggang: bilangan rasional, \({\mathbb Q}\text{;}\) bilangan real, \({\mathbb R}\text{;}\) dan bilangan kompleks, \({\mathbb C}\text{.}\) Setiap gelanggang ini merupakan lapangan.

Contoh 16.1.4.

Kita dapat mendefinisikan hasil kali dua elemen \(a\) dan \(b\) dalam \({\mathbb Z}_n\) dengan \(ab \pmod{n}\text{.}\) Sebagai contoh, dalam \({\mathbb Z}_{12}\text{,}\) \(5 \cdot 7 \equiv 11 \pmod{12}\text{.}\) Hasil kali ini menjadikan grup abelian \({\mathbb Z}_n\) suatu gelanggang. Jelas bahwa \({\mathbb Z}_n\) merupakan gelanggang komutatif; namun, gelanggang tersebut mungkin bukan daerah integral. Jika kita meninjau \(3 \cdot 4 \equiv 0 \pmod{12}\) dalam \({\mathbb Z}_{12}\text{,}\) mudah dilihat bahwa hasil kali dua elemen taknol dalam gelanggang dapat sama dengan nol.
Elemen taknol \(a\) dalam gelanggang komutatif \(R\) disebut pembagi nol jika terdapat elemen taknol \(b\) dalam \(R\) sedemikian sehingga \(ab = 0\text{.}\) Dalam contoh sebelumnya, \(3\) dan \(4\) merupakan pembagi nol dalam \({\mathbb Z}_{12}\text{.}\)

Contoh 16.1.5.

Dalam kalkulus, fungsi kontinu bernilai real pada suatu interval \([a,b]\) membentuk gelanggang komutatif. Kita menjumlahkan atau mengalikan dua fungsi dengan menjumlahkan atau mengalikan nilai-nilai fungsi tersebut. Jika \(f(x) = x^2\) dan \(g(x) = \cos x\text{,}\) maka \((f+g)(x) = f(x) + g(x) = x^2 + \cos x\) dan \((fg)(x) = f(x) g(x) = x^2 \cos x\text{.}\)

Contoh 16.1.6.

Matriks \(2 \times 2\) dengan entri dalam \({\mathbb R}\) membentuk gelanggang terhadap operasi penjumlahan dan perkalian matriks biasa. Gelanggang ini nonkomutatif, karena biasanya berlaku \(AB \neq BA\text{.}\) Perhatikan pula bahwa dapat berlaku \(AB = 0\) ketika \(A\) maupun \(B\) tidak nol.

Contoh 16.1.7.

Sebagai contoh gelanggang pembagian nonkomutatif, misalkan
\begin{equation*} 1 = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}, \quad {\mathbf i} = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ -1 & 0 \end{pmatrix}, \quad {\mathbf j} = \begin{pmatrix} 0 & i \\ i & 0 \end{pmatrix}, \quad {\mathbf k} = \begin{pmatrix} i & 0 \\ 0 & -i \end{pmatrix}\text{,} \end{equation*}
dengan \(i^2 = -1\text{.}\) Elemen-elemen ini memenuhi relasi berikut:
\begin{align*} {\mathbf i}^2 = {\mathbf j}^2 & = {\mathbf k}^2 = -1\\ {\mathbf i} {\mathbf j} & = {\mathbf k}\\ {\mathbf j} {\mathbf k} & = {\mathbf i}\\ {\mathbf k} {\mathbf i} & = {\mathbf j}\\ {\mathbf j} {\mathbf i} & = - {\mathbf k}\\ {\mathbf k} {\mathbf j} & = - {\mathbf i}\\ {\mathbf i} {\mathbf k} & = - {\mathbf j}\text{.} \end{align*}
Misalkan \({\mathbb H}\) terdiri atas elemen berbentuk \(a + b {\mathbf i} + c {\mathbf j} +d {\mathbf k}\text{,}\) dengan \(a, b , c, d\) bilangan real. Secara ekuivalen, \({\mathbb H}\) dapat dipandang sebagai himpunan semua matriks \(2 \times 2\) berbentuk
\begin{equation*} \begin{pmatrix} \alpha & \beta \\ -\overline{\beta} & \overline{\alpha } \end{pmatrix}\text{,} \end{equation*}
dengan \(\alpha = a + di\) dan \(\beta = b + ci\) merupakan bilangan kompleks. Kita dapat mendefinisikan penjumlahan dan perkalian pada \({\mathbb H}\) melalui operasi matriks biasa atau berdasarkan pembangkit \(1\text{,}\) \({\mathbf i}\text{,}\) \({\mathbf j}\text{,}\) dan \({\mathbf k}\text{:}\)
\begin{gather*} (a_1 + b_1 {\mathbf i} + c_1 {\mathbf j} +d_1 {\mathbf k} ) + ( a_2 + b_2 {\mathbf i} + c_2 {\mathbf j} +d_2 {\mathbf k} )\\ = (a_1 + a_2) + ( b_1 + b_2) {\mathbf i} + ( c_1 + c_2) \mathbf j + (d_1 + d_2) \mathbf k \end{gather*}
dan
\begin{equation*} (a_1 + b_1 {\mathbf i} + c_1 {\mathbf j} +d_1 {\mathbf k} ) ( a_2 + b_2 {\mathbf i} + c_2 {\mathbf j} +d_2 {\mathbf k} ) = \alpha + \beta {\mathbf i} + \gamma {\mathbf j} + \delta {\mathbf k}\text{,} \end{equation*}
dengan
\begin{align*} \alpha & = a_1 a_2 - b_1 b_2 - c_1 c_2 -d_1 d_2\\ \beta & = a_1 b_2 + a_2 b_1 + c_1 d_2 - d_1 c_2\\ \gamma & = a_1 c_2 - b_1 d_2 + c_1 a_2 + d_1 b_2\\ \delta & = a_1 d_2 + b_1 c_2 - c_1 b_2 + d_1 a_2\text{.} \end{align*}
Meskipun perkaliannya tampak rumit, perhitungannya sebenarnya langsung jika kita mengingat bahwa elemen-elemen dalam \({\mathbb H}\) cukup dijumlahkan dan dikalikan seperti polinomial sambil memperhatikan relasi antara pembangkit \({\mathbf i}\text{,}\) \({\mathbf j}\text{,}\) dan \({\mathbf k}\text{.}\) Gelanggang \({\mathbb H}\) disebut gelanggang kuaternion.
Untuk menunjukkan bahwa kuaternion merupakan gelanggang pembagian, kita harus dapat menemukan invers bagi setiap elemen taknol. Perhatikan bahwa
\begin{equation*} ( a + b {\mathbf i} + c {\mathbf j} + d {\mathbf k} )( a - b {\mathbf i} - c {\mathbf j} - d {\mathbf k} ) = a^2 + b^2 + c^2 + d^2\text{.} \end{equation*}
Elemen ini hanya dapat bernilai nol jika \(a\text{,}\) \(b\text{,}\) \(c\text{,}\) dan \(d\) semuanya nol. Jadi, jika \(a + b {\mathbf i} + c {\mathbf j} +d {\mathbf k} \neq 0\text{,}\)
\begin{equation*} (a + b {\mathbf i} + c {\mathbf j} + d {\mathbf k})\left( \frac{a - b {\mathbf i} - c {\mathbf j} - d {\mathbf k} }{a^2 + b^2 + c^2 + d^2} \right) = 1\text{.} \end{equation*}

Bukti.

Untuk membuktikan (1), perhatikan bahwa
\begin{equation*} a0 = a(0+0)= a0+ a0; \end{equation*}
dengan demikian, \(a0=0\text{.}\) Demikian pula, \(0a = 0\text{.}\) Untuk (2), kita memiliki \(ab + a(-b) = a(b-b) = a0 = 0\text{;}\) akibatnya, \(-ab = a(-b)\text{.}\) Demikian pula, \(-ab = (-a)b\text{.}\) Bagian (3) mengikuti langsung dari (2) karena \((-a)(-b) = -(a(- b)) = -(-ab) = ab\text{.}\)
Sebagaimana grup memiliki subgrup, gelanggang memiliki kelas substruktur yang analog. Suatu subgelanggang \(S\) dari gelanggang \(R\) adalah himpunan bagian \(S\) dari \(R\) sedemikian sehingga \(S\) juga merupakan gelanggang terhadap operasi yang diwarisi dari \(R\text{.}\)

Contoh 16.1.9.

Gelanggang \(n {\mathbb Z}\) merupakan subgelanggang dari \({\mathbb Z}\text{.}\) Perhatikan bahwa meskipun gelanggang asal mungkin memiliki identitas, kita tidak mensyaratkan subgelanggangnya memiliki identitas. Kita memiliki rantai subgelanggang berikut:
\begin{equation*} {\mathbb Z} \subset {\mathbb Q} \subset {\mathbb R} \subset {\mathbb C}\text{.} \end{equation*}
Proposisi berikut memberikan beberapa kriteria mudah untuk menentukan apakah suatu himpunan bagian dari gelanggang benar-benar merupakan subgelanggang. (Pembuktian proposisi ini diserahkan sebagai latihan.)

Contoh 16.1.11.

Misalkan \(R ={\mathbb M}_2( {\mathbb R} )\) gelanggang matriks \(2 \times 2\) dengan entri dalam \({\mathbb R}\text{.}\) Jika \(T\) merupakan himpunan matriks segitiga atas dalam \(R\text{;}\) yaitu,
\begin{equation*} T = \left\{ \begin{pmatrix} a & b \\ 0 & c \end{pmatrix} : a, b, c \in {\mathbb R} \right\}\text{,} \end{equation*}
maka \(T\) merupakan subgelanggang dari \(R\text{.}\) Jika
\begin{equation*} A = \begin{pmatrix} a & b \\ 0 & c \end{pmatrix} \quad \text{dan} \quad B = \begin{pmatrix} a' & b' \\ 0 & c' \end{pmatrix} \end{equation*}
berada dalam \(T\text{,}\) maka jelas bahwa \(A-B\) juga berada dalam \(T\text{.}\) Selain itu,
\begin{equation*} AB = \begin{pmatrix} a a' & ab' + bc' \\ 0 & cc' \end{pmatrix} \end{equation*}
berada dalam \(T\text{.}\)