2 Kongruensi

Kongruensi tidak lebih dari sebuah pernyataan mengenai keterbagian. Teori kongruensi diperkenalkan oleh Carl Friedrich Gauss, dalam karya monumentalnya Disquisitiones Arithmeticae (diterbitkan pada tahun 1801, ketika ia berusia 24 tahun; terjemahannya terdapat dalam (Gauß 1986)).

Kita mulai dengan memperkenalkan kongruensi beserta sifat-sifatnya. Kemudian kita menyajikan solusi kongruensi linear sebagai pengantar menuju Teorema Sisa Cina yang akan dibahas sesudahnya.

2.1 Pengantar Kongruensi

Seperti disebutkan dalam pengantar, teori kongruensi dikembangkan oleh Gauss pada awal abad kesembilan belas.

Definisi 2.1. Untuk a,b∈ℤa,b\in{\mathbb Z} dan n∈ℕn\in{\mathbb N}, kita mengatakan bahwa aa kongruen dengan bb modulo nn jika n∣(a−b)n \mid (a-b), yakni jika ∃k∈ℤ\exists k\in{\mathbb Z} sedemikian sehingga a=b+kna=b+kn. Jika aa kongruen dengan bb modulo nn, kita menulis a≡b(mod⁡n)a\equiv b\pmod{n}.

Contoh 2.2. 19≡5(mod⁡7)19\equiv 5\pmod7. Demikian pula, 2k+1≡1(mod⁡2)2k+1 \equiv 1\pmod2, yang berarti bahwa setiap bilangan ganjil kongruen dengan 1 modulo 2.

Dalam banyak hal, kongruensi sangat menyerupai kesamaan. Sebagai contoh:

Teorema 2.3. Misalkan a,b,c,d∈ℤa,b,c,d\in{\mathbb Z} dan n∈ℕn\in{\mathbb N}. Maka

  1. Jika a≡b(mod⁡n)a\equiv b\pmod n, maka b≡a(mod⁡n)b\equiv a\pmod n.

  2. Jika a≡b(mod⁡n)a\equiv b\pmod n dan b≡c(mod⁡n)b\equiv c\pmod n, maka a≡c(mod⁡n)a\equiv c\pmod n.

  3. Jika a≡b(mod⁡n)a\equiv b\pmod n, maka a+c≡b+c(mod⁡n)a+c \equiv b+c\pmod n.

  4. Jika a≡b(mod⁡n)a\equiv b\pmod n, maka a−c≡b−c(mod⁡n)a-c \equiv b-c\pmod n.

  5. Jika a≡b(mod⁡n)a\equiv b\pmod n, maka ac≡bc(mod⁡n)ac \equiv bc\pmod n.

  6. Jika c>0c>0 dan a≡b(mod⁡n)a\equiv b\pmod n, maka ac≡bc(mod⁡nc)ac \equiv bc\pmod{nc}.

  7. Jika a≡b(mod⁡n)a\equiv b\pmod n dan c≡d(mod⁡n)c \equiv d\pmod n, maka a+c≡b+d(mod⁡n)a+c \equiv b+d\pmod n.

  8. Jika a≡b(mod⁡n)a\equiv b\pmod n dan c≡d(mod⁡n)c \equiv d\pmod n, maka a−c≡b−d(mod⁡n)a-c \equiv b-d\pmod n.

  9. Jika a≡b(mod⁡n)a\equiv b\pmod n dan c≡d(mod⁡n)c \equiv d\pmod n, maka ac≡bd(mod⁡n)ac \equiv bd\pmod n.

Bukti.  

  1. Jika a≡b(mod⁡n)a \equiv b\pmod n, maka n∣(a−b)n\mid (a-b). Jadi terdapat k∈ℤk\in{\mathbb Z} sedemikian sehingga a−b=kna-b=kn. Hal ini mengakibatkan b−a=(−k)nb-a=(-k)n, sehingga n∣(b−a)n\mid (b-a). Dengan demikian, b≡a(mod⁡n)b\equiv a\pmod n.

  2. Karena a≡b(mod⁡n)a\equiv b\pmod n dan b≡c(mod⁡n)b\equiv c\pmod n, berlaku n∣(a−b)n\mid (a-b) dan n∣(b−c)n\mid (b-c). Oleh karena itu, terdapat k,l∈ℤk,l\in{\mathbb Z} sedemikian sehingga a=b+kna=b+kn dan b=c+lnb=c+ln. Akibatnya, a=c+(k+l)na=c+(k+l)n. Dengan kata lain, a≡c(mod⁡n)a\equiv c\pmod n.

  3. Karena a≡b(mod⁡n)a\equiv b\pmod n, berlaku n∣(a−b)n \mid (a-b). Dengan menambahkan dan mengurangkan cc, kita memperoleh n∣((a+c)−(b+c))\begin{equation*} n\mid ((a+c)-(b+c)) \end{equation*} yang berarti bahwa a+c≡b+c(mod⁡n).\begin{equation*} a+c\equiv b+c\pmod n. \end{equation*}

  4. Karena a≡b(mod⁡n)a\equiv b\pmod n, berlaku n∣(a−b)n \mid (a-b). Dengan mengurangkan dan menambahkan cc, kita memperoleh n∣((a−c)−(b−c))\begin{equation*} n\mid ((a-c)-(b-c)) \end{equation*} sehingga a−c≡b−c(mod⁡n).\begin{equation*} a-c\equiv b-c\pmod n. \end{equation*}

  5. Jika a≡b(mod⁡n)a \equiv b\pmod n, maka n∣(a−b)n\mid (a-b). Jadi terdapat k∈ℤk\in{\mathbb Z} sedemikian sehingga a−b=kna-b=kn, dan akibatnya ac−bc=(kc)nac-bc=(kc)n. Oleh karena itu, n∣(ac−bc)\begin{equation*} n\mid (ac-bc) \end{equation*} dan dengan demikian ac≡bc(mod⁡n).\begin{equation*} ac\equiv bc\pmod n. \end{equation*}

  6. Jika a≡b(mod⁡n)a \equiv b\pmod n, maka n∣(a−b)n\mid (a-b). Jadi terdapat k∈ℤk\in{\mathbb Z} sedemikian sehingga a−b=kna-b=kn, dan akibatnya ac−bc=kcn.\begin{equation*} ac-bc=kcn. \end{equation*} Jadi, nc∣(ac−bc)\begin{equation*} nc\mid (ac-bc) \end{equation*} dan dengan demikian ac≡bc(mod⁡nc).\begin{equation*} ac\equiv bc\pmod{nc}. \end{equation*}

  7. Karena a≡b(mod⁡n)a\equiv b\pmod n dan c≡d(mod⁡n)c\equiv d\pmod n, berlaku n∣(a−b)n\mid (a-b) dan n∣(c−d)n\mid (c-d). Oleh karena itu, terdapat k,l∈ℤk,l\in{\mathbb Z} sedemikian sehingga a−b=kna-b=kn dan c−d=lnc-d=ln. Perhatikan bahwa (a−b)+(c−d)=(a+c)−(b+d)=(k+l)n.\begin{equation*} (a-b)+(c-d)=(a+c)-(b+d)=(k+l)n. \end{equation*} Akibatnya, n∣((a+c)−(b+d)),\begin{equation*} n\mid ((a+c)-(b+d)), \end{equation*} sehingga a+c≡b+d(mod⁡n).\begin{equation*} a+c\equiv b+d\pmod n. \end{equation*}

  8. Jika a=b+kna=b+kn dan c=d+lnc=d+ln untuk k,l∈ℤk,l\in{\mathbb Z}, maka (a−b)−(c−d)=(a−c)−(b−d)=(k−l)n.\begin{equation*} (a-b)-(c-d)=(a-c)-(b-d)=(k-l)n. \end{equation*} Akibatnya, n∣((a−c)−(b−d)),\begin{equation*} n\mid ((a-c)-(b-d)), \end{equation*} sehingga a−c≡b−d(mod⁡n).\begin{equation*} a-c\equiv b-d\pmod n. \end{equation*}

  9. Terdapat k,l∈ℤk,l\in{\mathbb Z} sedemikian sehingga a−b=kna-b=kn dan c−d=lnc-d=ln. Dengan demikian, ca−cb=(ck)nca-cb=(ck)n dan bc−bd=(bl)nbc-bd=(bl)n. Perhatikan bahwa (ca−cb)+(bc−bd)=ac−bd=(ck+bl)n.\begin{equation*} (ca-cb)+(bc-bd)=ac-bd=(ck+bl)n. \end{equation*} Akibatnya, n∣(ac−bd),\begin{equation*} n\mid (ac-bd), \end{equation*} sehingga ac≡bd(mod⁡n).\begin{equation*} ac\equiv bd\pmod n. \end{equation*}

 ◻

Berikut sebuah hasil teknis yang akan berguna kelak:

Teorema 2.4.

Misalkan a,b,c∈ℤa,b,c\in{\mathbb Z}. Jika a∣ca\mid c, b∣cb\mid c, serta aa dan bb relatif prima, maka ab∣cab\mid c.

Bukti. Berdasarkan Akibat 1.30, terdapat m,n∈ℤm,n\in{\mathbb Z} sedemikian sehingga ma+nb=1ma+nb=1. Dari hipotesis keterbagian, terdapat pula p,q∈ℤp,q\in{\mathbb Z} sedemikian sehingga c=pac=pa dan c=qbc=qb. Kita hitung: c=c⋅1=c(ma+nb)=mca+ncb=mqba+npab=(mq+np)ab.\begin{equation*} c=c\cdot1=c(ma+nb)=mca+ncb=mqba+npab=(mq+np)ab\ . \end{equation*} Ini berarti ab∣cab\mid c, seperti yang diinginkan. ◻

Contoh-contoh 2.5.  

  1. 14≡8(mod⁡6)14\equiv 8\pmod6, sehingga 8≡14(mod⁡6)8 \equiv 14\pmod6.

  2. Karena 22≡10(mod⁡6)22\equiv 10\pmod6 dan 10≡4(mod⁡6)10 \equiv 4\pmod6, berlaku pula 22≡4(mod⁡6)22\equiv 4\pmod6.

  3. 50≡20(mod⁡15)50\equiv 20\pmod{15}, sehingga 50+5=55≡20+5=25(mod⁡15)50+5=55\equiv 20+5=25\pmod{15}.

  4. 50≡20(mod⁡15)50\equiv 20\pmod{15}, sehingga 50−5=45≡20−5=15(mod⁡15)50-5=45\equiv 20-5=15\pmod{15}.

  5. 19≡16(mod⁡3)19\equiv 16\pmod3, sehingga 2(19)=38≡2(16)=32(mod⁡3)2(19)=38\equiv 2(16)=32\pmod3.

  6. 19≡16(mod⁡3)19\equiv 16\pmod3, sehingga 2(19)=38≡2(16)=32(mod⁡2⋅3)2(19)=38\equiv 2(16)=32\pmod{2\cdot3}, atau 38≡2(16)=32(mod⁡6)38\equiv 2(16)=32\pmod6.

  7. Karena 19≡3(mod⁡8)19\equiv 3\pmod8 dan 17≡9(mod⁡8)17\equiv 9\pmod8, kita memperoleh 19+17=36≡3+9=12(mod⁡8)19+17=36\equiv 3+9=12\pmod8.

  8. Karena 19≡3(mod⁡8)19\equiv 3\pmod8 dan 17≡9(mod⁡8)17\equiv 9\pmod8, kita memperoleh 19−17=2≡3−9=−6(mod⁡8)19-17=2\equiv 3-9=-6\pmod8.

  9. Karena 19≡3(mod⁡8)19\equiv 3\pmod8 dan 17≡9(mod⁡8)17\equiv 9\pmod8, kita memperoleh 19(17)=323≡3(9)=27(mod⁡8)19(17)=323\equiv 3(9)=27\pmod8.

Berikut sebuah hasil yang pada awalnya tampak sangat sederhana, tetapi ternyata amat berguna — sedemikian bergunanya sehingga hasil ini memiliki nama.

Lema 2.6. Lemma Euklides: Misalkan x,y,z∈ℤx,y,z\in{\mathbb Z}. Jika x∣yzx\mid yz dan gcd⁡(x,y)=1\gcd(x,y)=1, maka x∣zx\mid z.

Bukti. Dari Akibat 1.30, terdapat m,n∈ℤm,n\in{\mathbb Z} sedemikian sehingga mx+ny=1mx+ny=1. Dengan mengalikan kedua ruas dengan zz, kita memperoleh mxz+nyz=zmxz+nyz=z. Namun, berdasarkan asumsi x∣yzx\mid yz, berlaku x∣nyzx\mid nyz; jelas pula bahwa x∣mxzx\mid mxz. Jadi x∣mxz+nyzx\mid mxz+nyz, yakni x∣zx\mid z. ◻

Sekarang kita menyajikan sebuah teorema yang memperlihatkan salah satu perbedaan antara persamaan dan kongruensi. Pada persamaan, kesamaan tetap berlaku jika kedua ruas dibagi dengan suatu bilangan tak nol. Namun, pada kongruensi, hal ini belum tentu berlaku. Dengan kata lain, membagi kedua ruas suatu kongruensi dengan bilangan bulat yang sama belum tentu mempertahankan kongruensi tersebut.

Teorema 2.7.  

  1. Misalkan a,b,c∈ℤa,b,c\in{\mathbb Z} dan n∈ℕn\in{\mathbb N}, serta definisikan d=gcd⁡(a,n)∈ℕd=\gcd(a,n)\in{\mathbb N}. Jika ab≡ac(mod⁡n)ab\equiv ac\pmod n, maka b≡c(mod⁡n/d)b\equiv c\pmod{n/d}.

  2. Secara khusus, jika gcd⁡(a,n)=1\gcd(a,n)=1, maka

    b≡c(mod⁡n)⇔ab≡ac(mod⁡n).\begin{equation*} b\equiv c\pmod n\qquad\Leftrightarrow\qquad ab\equiv ac\pmod n. \end{equation*}

Bukti. Untuk Bagian 1, jika ab≡ac(mod⁡n)ab\equiv ac\pmod n, maka n∣(ab−ac)=a(b−c).\begin{equation*} n\mid (ab-ac)=a(b-c). \end{equation*} Jadi terdapat k∈ℤk\in{\mathbb Z} sedemikian sehingga a(b−c)=kna(b-c)=kn. Dengan membagi kedua ruas dengan dd, kita memperoleh (a/d)(b−c)=k(n/d)(a/d)(b-c)=k(n/d), atau (n/d)∣(a/d)(b−c)(n/d)\mid (a/d)(b-c). Berdasarkan Teorema 1.26, gcd⁡(a/d,n/d)=1\gcd(a/d,n/d)=1. Karena itu, Lemma Euklides 2.6 menyatakan bahwa (n/d)∣(b−c)(n/d) \mid (b-c). Dengan demikian, b≡c(mod⁡n/d)b\equiv c\pmod{n/d}.

Untuk Bagian 2, arah ⇒{}\Rightarrow{} merupakan Bagian 5 dari Teorema 2.3, sedangkan arah ⇐{}\Leftarrow{} merupakan kasus khusus dari Bagian 1. ◻

Contoh 2.8. 38≡10(mod⁡7)38 \equiv 10\pmod7. Karena gcd⁡(2,7)=1\gcd(2,7)=1, kita memperoleh 19≡5(mod⁡7)19\equiv 5\pmod7.

Pada tahap ini, satu hasil teknis terakhir patut dinyatakan dengan jelas:

Teorema 2.9.

Misalkan n,d∈ℕn,d\in{\mathbb N} dengan d∣nd\mid n. Terdapat tepat dd kelas solusi x∈ℤx\in{\mathbb Z} modulo nn yang memenuhi x≡0(mod⁡n/d)x\equiv 0\pmod{n/d}.

Bukti. Misalkan xj=j(n/d)x_j=j(n/d) untuk j=0,…,(d−1)j=0,\dots,(d-1). Jelas bahwa masing-masing dari dd nilai xjx_j ini merupakan kelipatan n/dn/d, sehingga memenuhi x≡0(mod⁡n/d)x\equiv 0\pmod{n/d}. Jadi, kita hanya perlu menunjukkan bahwa setiap solusi xx dari x≡0(mod⁡n/d)x\equiv 0\pmod{n/d} kongruen modulo nn dengan salah satu xjx_j tersebut.

Misalkan xx adalah solusi semacam itu. Maka terdapat k∈ℤk\in{\mathbb Z} sedemikian sehingga x=k(n/d)x=k(n/d). Terapkan Algoritma Pembagian untuk membagi xx dengan nn, sehingga x=qn+rx=qn+r untuk suatu q,r∈ℤq,r\in{\mathbb Z} dengan 0≤r<n0\le r<n. Namun, r=x−qn=k(n/d)−qd(n/d)=(k−qd)(n/d)\begin{equation*} r=x-qn=k(n/d)-qd(n/d)=(k-qd)(n/d) \end{equation*} sehingga rr merupakan kelipatan (n/d)(n/d) yang terletak dalam rentang [0,n)[0,n). Kelipatan-kelipatan semacam itu hanyalah x0,…,x(d−1)x_0,\dots,x_{(d-1)} yang didefinisikan di atas; misalkan r=xjr=x_j. Maka x=qn+r=qn+xj≡xj(mod⁡n)x=qn+r=qn+x_j\equiv x_j\pmod n. Dengan demikian, setiap solusi xx kongruen modulo nn dengan tepat satu dari dd solusi khusus x0,…,x(d−1)x_0,\dots,x_{(d-1)}. ◻

Latihan untuk §2.1

Latihan 2.1. Tentukan apakah 33 dan 9999 kongruen modulo 77.

Latihan 2.2. Buktikan bahwa jika xx adalah bilangan bulat ganjil, maka x2≡1(mod⁡8)x^2\equiv 1\pmod8.

Latihan 2.3. Buktikan bahwa jika a,b∈ℤa,b\in{\mathbb Z} dan m,n∈ℕm,n\in{\mathbb N} memenuhi n∣mn \mid m dan a≡b(mod⁡m)a\equiv b\pmod m, maka a≡b(mod⁡n)a\equiv b\pmod n.

Latihan 2.4. Buktikan bahwa jika n,k∈ℕn,k\in{\mathbb N} dan {a1,…,ak,b1,…,bk}⊂ℤ\{a_1,\dots,a_k,b_1,\dots,b_k\}\subset{\mathbb Z} memenuhi ai≡bi(mod⁡n)a_i\equiv b_i\pmod n untuk i=1,2,…,ki=1,2,\dots,k, maka ∑i=1kai≡∑i=1kbi(mod⁡n)\sum_{i=1}^ka_i\equiv\sum_{i=1}^kb_i\pmod n.

Latihan 2.5. Untuk nilai n∈ℕn\in{\mathbb N} manakah berlaku 1+2+…+(n−1)≡0(mod⁡n)1+2+\dots+(n-1)\equiv 0\pmod n?

2.2 Kongruensi Linear

Karena kongruensi beranalogi dengan kesamaan, wajar jika kita menanyakan padanan persamaan linear — persamaan paling sederhana yang dapat diselesaikan dalam aljabar — dengan menggunakan kongruensi sebagai pengganti kesamaan. Dalam bagian ini, kita membahas kongruensi linear dalam satu peubah beserta solusi-solusinya.

Kita mulai dengan sebuah definisi:

Definisi 2.10. Untuk konstanta a,b∈ℤa,b\in{\mathbb Z} dan n∈ℕn\in{\mathbb N}, kongruensi berbentuk ax≡b(mod⁡n)ax\equiv b\pmod n, dengan x∈ℤx\in{\mathbb Z} sebagai peubah yang tidak diketahui, disebut kongruensi linear dalam satu peubah.

Jika suatu kongruensi linear memiliki satu solusi, maka kongruensi itu memiliki tak terhingga banyak solusi:

Teorema 2.11. Misalkan a,b∈ℤa,b\in{\mathbb Z} dan n∈ℕn\in{\mathbb N} adalah konstanta, serta x∈ℤx\in{\mathbb Z} merupakan solusi kongruensi linear ax≡b(mod⁡n)ax\equiv b\pmod n. Setiap x′∈ℤx^\prime\in{\mathbb Z} lain yang memenuhi x′≡x(mod⁡n)x^\prime\equiv x\pmod n juga merupakan solusi kongruensi yang sama.

Catatan: pada masa awal perkembangan teori bilangan, sebelum Gauss, kongruensi linear dibahas melalui persamaan Diofantin berikut.

Definisi 2.12. Persamaan polinomial dengan koefisien bilangan bulat yang solusi-solusinya dicari dalam bilangan bulat disebut persamaan Diofantin.

Dalam istilah ini, kongruensi linear modern ax≡b(mod⁡n)ax\equiv b\pmod n, untuk a,b∈ℤa,b\in{\mathbb Z} dan n∈ℕn\in{\mathbb N}, setara dengan persamaan Diofantin linear ax−ny=bax-ny=b dalam dua peubah tak diketahui, xx dan yy.

Hasil berikut memberikan karakterisasi yang cukup lengkap bagi solusi kongruensi linear:

Teorema 2.13.

Misalkan a,b∈ℤa,b\in{\mathbb Z} dan n∈ℕn\in{\mathbb N}, dan tinjau kongruensi linear ax≡b(mod⁡n).\begin{equation*} ax\equiv b\pmod n\ . \end{equation*} Dengan menetapkan d=gcd⁡(a,n)d=\gcd(a,n), berlaku

  1. Jika d∤bd\nmid b, maka kongruensi tersebut tidak memiliki solusi.

  2. Jika d∣bd\mid b, maka kongruensi tersebut memiliki tepat dd solusi yang berbeda modulo nn.

Bukti. Untuk Bagian 1, kita membuktikan kontraposisinya. Andaikan kongruensi tersebut memiliki solusi. Artinya, terdapat x,k∈ℤx,k\in{\mathbb Z} sedemikian sehingga ax−b=knax-b=kn, atau ax−kn=bax-kn=b. Karena d=gcd⁡(a,n)d=\gcd(a,n) merupakan pembagi bersama aa dan nn, bilangan dd membagi kombinasi linear ax−kn=bax-kn=b. Jadi d∣bd\mid b.

Untuk Bagian 2, andaikan d∣bd\mid b, sehingga terdapat k∈ℤk\in{\mathbb Z} sedemikian sehingga kd=bkd=b. Dari Teorema 1.29, terdapat p,q∈ℤp,q\in{\mathbb Z} sedemikian sehingga d=pa+qnd=pa+qn. Ini berarti kpa+kqn=kd=bkpa+kqn=kd=b, atau setelah disusun ulang, a(kp)−b=(−kq)na(kp)-b=(-kq)n. Jadi n∣(a(kp)−b)n\mid(a(kp)-b), yakni a(kp)≡b(mod⁡n)a(kp)\equiv b\pmod n. Dengan demikian, x=kpx=kp merupakan salah satu solusi kongruensi linear ax≡b(mod⁡n)ax\equiv b\pmod n.

Terakhir, mari kita buktikan banyaknya solusi modulo nn. Kita baru saja melihat bahwa terdapat setidaknya satu x∈ℤx\in{\mathbb Z} yang memenuhi ax≡b(mod⁡n)ax\equiv b\pmod n. Misalkan y∈ℤy\in{\mathbb Z} adalah solusi lain. Maka ax≡b≡ay(mod⁡n)ax\equiv b\equiv ay\pmod n. Berdasarkan Bagian 1 dari Teorema 2.7, berlaku x≡y(mod⁡n/d)x\equiv y\pmod{n/d}, atau δ=y−x≡0(mod⁡n/d)\delta=y-x\equiv0\pmod{n/d}. Menurut Teorema 2.9, terdapat tepat dd kemungkinan untuk δ\delta modulo nn. Karena itu, terdapat paling banyak dd kelas solusi.

Sebaliknya, ambil salah satu dari dd kelas δ\delta modulo nn yang memenuhi δ≡0(mod⁡n/d)\delta\equiv0\pmod{n/d}, lalu pilih sebuah wakil yang juga kita namai δ\delta. Terdapat t∈ℤt\in{\mathbb Z} sedemikian sehingga δ=t(n/d)\delta=t(n/d). Karena d∣ad\mid a, terdapat a′∈ℤa^\prime\in{\mathbb Z} dengan a=da′a=da^\prime, sehingga aδ=a′tna\delta=a^\prime tn dan n∣aδn\mid a\delta. Oleh sebab itu, a(x+δ)≡ax≡b(mod⁡n)a(x+\delta)\equiv ax\equiv b\pmod n. Penambahan oleh xx mempertahankan perbedaan kelas modulo nn, sehingga setiap kelas δ\delta tersebut menghasilkan kelas solusi yang berbeda. Jadi kongruensi ini memiliki tepat dd solusi yang berbeda modulo nn. ◻

Catatan 2.14.

Perhatikan bahwa jika a∈ℤa\in{\mathbb Z} dan n∈ℕn\in{\mathbb N} relatif prima, maka untuk setiap b∈ℤb\in{\mathbb Z} terdapat tepat satu solusi modulo nn bagi kongruensi ax≡b(mod⁡n)ax\equiv b\pmod n.

Contoh 2.15. Mari kita cari semua solusi kongruensi 3x≡12(mod⁡6)3x\equiv 12\pmod6. Perhatikan bahwa gcd⁡(3,6)=3\gcd(3,6)=3 dan 3∣123\mid 12.

Jadi terdapat tiga solusi yang tidak kongruen satu sama lain modulo 66. Dengan menggunakan Algoritma Euklides untuk mencari solusi persamaan 3x−6y=123x-6y=12, kita memperoleh solusi x0=6x_0=6. Dengan demikian, ketiga kelas solusi modulo 6 diberikan oleh x0≡6≡0(mod⁡6)x_0\equiv6\equiv0\pmod6, x1≡6+2≡2(mod⁡6)x_1\equiv6+2\equiv2\pmod6, dan x2≡6+4≡4(mod⁡6)x_2\equiv6+4\equiv4\pmod6.

Seperti disebutkan dalam Catatan 2.14, kongruensi ax≡b(mod⁡n)ax\equiv b\pmod n untuk a,b∈ℤa,b\in{\mathbb Z} dan n∈ℕn\in{\mathbb N} memiliki solusi tunggal modulo nn jika gcd⁡(a,n)=1\gcd(a,n)=1. Hal ini memungkinkan kita membahas invers modular.

Definisi 2.16. Misalkan a∈ℤa\in{\mathbb Z} dan n∈ℕn\in{\mathbb N} dengan gcd⁡(a,n)=1\gcd(a,n)=1. Suatu solusi kongruensi ax≡1(mod⁡n)ax\equiv 1\pmod n disebut invers aa modulo nn. Kita menyatakan invers semacam itu dengan a−1a^{-1}; nilai nn dipahami dari konteks.

Dengan menyatakan secara formal hal yang baru saja diingatkan oleh Catatan 2.14, kita memperoleh

Akibat 2.17.

Jika a∈ℤa\in{\mathbb Z} dan n∈ℕn\in{\mathbb N} relatif prima, maka invers modular a−1a^{-1} ada dan tunggal modulo nn.

Contoh 2.18. Invers modular 7−17^{-1} dari 77 modulo 4848 adalah 77. Perhatikan bahwa salah satu solusi 7x≡1(mod⁡48)7x\equiv 1\pmod{48} ialah x≡7(mod⁡48)x\equiv 7\pmod{48}.

Latihan untuk §2.2

Latihan 2.6. Carilah semua solusi 3x≡6(mod⁡9)3x\equiv 6\pmod9.

Latihan 2.7. Carilah semua solusi 3x≡2(mod⁡7)3x\equiv 2\pmod7.

Latihan 2.8. Carilah invers 22 dan 1111 modulo 1313.

Latihan 2.9. Misalkan a,b∈ℤa,b\in{\mathbb Z} dan n∈ℕn\in{\mathbb N}. Buktikan bahwa jika a−1a^{-1} adalah invers aa modulo nn dan b−1b^{-1} adalah invers bb modulo nn, maka a−1b−1a^{-1}b^{-1} adalah invers abab modulo nn.

2.3 Teorema Sisa Cina

Dalam bagian ini, kita membahas solusi sistem kongruensi dengan modulus yang berbeda-beda. Salah satu contoh sistem semacam itu adalah sebagai berikut: carilah bilangan yang menyisakan 1 ketika dibagi 2, menyisakan 2 ketika dibagi 3, dan menyisakan 3 ketika dibagi 5. Kita akan melihat bahwa terdapat cara sistematis untuk menyelesaikan sistem semacam ini.

Teorema 2.19. Teorema Sisa Cina: Tetapkan k∈ℕk\in{\mathbb N}. Untuk b1,…,bk∈ℤb_1,\dots,b_k\in{\mathbb Z} dan n1,…,nk∈ℕn_1,\dots,n_k\in{\mathbb N}, sistem kongruensi x≡b1(mod⁡n1)x≡b2(mod⁡n2)⋮x≡bk(mod⁡nk)\begin{align*} x&\equiv b_1\pmod{n_1}\\ x&\equiv b_2\pmod{n_2}\\ &\vdots\\ x&\equiv b_k\pmod{n_k} \end{align*} memiliki solusi x∈ℤx\in{\mathbb Z} jika n1,n2,…,nkn_1,n_2,\dots,n_k relatif prima berpasangan. Solusinya tunggal modulo N=n1n2…nkN=n_1\,n_2\dots n_k.

Bukti. Untuk j=1,…,kj=1,\dots,k, misalkan Nj=N/njN_j=N/n_j. Karena modulus-modulus njn_j relatif prima berpasangan, gcd⁡(Nj,nj)=1\gcd(N_j,n_j)=1 — sebab NjN_j merupakan hasil kali semua modulus selain njn_j. Berdasarkan Akibat 2.17, terdapat invers yj=Nj−1y_j=N_j^{-1} modulo njn_j yang memenuhi Njyj≡1(mod⁡nj)N_jy_j\equiv 1\pmod{n_j}. Sekarang, tinjau x=∑j=1kbjNjyj\begin{equation*} x=\sum_{j=1}^k b_j N_j y_j \end{equation*} Karena Nj≡0(mod⁡ni)∀i≠j,\begin{equation*} N_j\equiv 0\pmod{n_i} \ \ \forall i\neq j, \end{equation*} kita memperoleh x≡bjNjyj≡bj(mod⁡nj).\begin{equation*} x\equiv b_j N_j y_j\equiv b_j\pmod{n_j}. \end{equation*} Jadi, xx merupakan solusi sistem kongruensi tersebut.

Sekarang kita perlu menunjukkan bahwa setiap dua solusi kongruen modulo NN. Misalkan xx dan yy keduanya merupakan solusi sistem kongruensi tersebut. Maka x≡bj≡y(mod⁡nj)x\equiv b_j\equiv y\pmod{n_j}, atau nj∣x−yn_j\mid x-y, untuk setiap 1≤j≤k1\leq j\leq k. Karena modulus-modulus itu relatif prima berpasangan, dengan menerapkan Teorema 2.4 berulang kali (secara formal, melalui induksi), kita menyimpulkan bahwa N=n1…nk∣x−yN=n_1\dots n_k\mid x-y, atau x≡y(mod⁡N)x\equiv y\pmod N. ◻

Contoh 2.20. Selesaikan sistem x≡1(mod⁡2)x≡2(mod⁡3)x≡3(mod⁡5).\begin{align*} x&\equiv 1\pmod2\\ x&\equiv 2\pmod3\\ x&\equiv 3\pmod5. \end{align*} Kita memperoleh N=2⋅3⋅5=30N=2\cdot3\cdot5=30. Selain itu, N1=30/2=15,N2=30/3=10,danN3=30/5=6.\begin{equation*} N_1=30/2=15,\ N_2=30/3=10,\ \mbox{dan} \ N_3=30/5=6. \end{equation*} Sekarang kita perlu menyelesaikan 15y1≡1(mod⁡2)15y_1\equiv 1\pmod2; salah satu solusinya adalah y1≡1(mod⁡2)y_1\equiv 1\pmod2. Dengan cara yang sama, kita memperoleh y2≡1(mod⁡3)y_2\equiv 1\pmod3 dan y3≡1(mod⁡5)y_3\equiv 1\pmod5. Oleh karena itu, x=1⋅15⋅1+2⋅10⋅1+3⋅6⋅1=53≡23(mod⁡30).\begin{equation*} x=1\cdot15\cdot1+2\cdot10\cdot1+3\cdot6\cdot1=53\equiv 23\pmod{30}. \end{equation*}

Latihan untuk §2.3

Latihan 2.10. Carilah bilangan bulat yang menyisakan 2 ketika dibagi 3 maupun 5, tetapi habis dibagi 4.

Latihan 2.11. Carilah semua bilangan bulat yang menyisakan 4 ketika dibagi 11 dan menyisakan 3 ketika dibagi 17.

Latihan 2.12. Carilah semua bilangan bulat yang menyisakan 1 ketika dibagi 2, menyisakan 2 ketika dibagi 3, dan menyisakan 3 ketika dibagi 5.

Latihan 2.13. Sekelompok 17 bajak laut mencuri sejumlah batangan emas. Ketika mereka mencoba membagi hasil rampasan itu secara merata, tersisa 3 batang; perkelahian pun pecah dan menewaskan satu orang. Mereka segera tenang dan memeriksa apakah emas itu kini dapat dibagi rata. Sayangnya, masih tersisa 10 batang, sehingga mereka bertarung lagi. Setelah satu korban jiwa lagi yang tak terelakkan, emas itu akhirnya dapat dibagi rata tanpa sisa. Berapakah jumlah minimum batangan emas yang mungkin mereka miliki pada awalnya? [Soal ini tampaknya merupakan soal Cina kuno.]

2.4 Cara Lain Menangani Kongruensi: Kelas Ekuivalensi

Dalam bagian ini, kita akan mempelajari cara lain untuk menangani kongruensi, berdasarkan gagasan berikut.

Definisi 2.21. Misalkan SS suatu himpunan dan ≅{}\cong{} suatu relasi yang didefinisikan pada SS. (Artinya, untuk setiap x,y∈Sx,y\in S, pernyataan “x≅yx\cong y” dapat bernilai benar atau salah.) Jika ≅{}\cong{} memenuhi ketiga sifat berikut, relasi itu disebut relasi ekuivalensi:

  • [Refleksivitas] ∀x∈S\forall x\in S, x≅xx\cong x.

  • [Simetri] ∀x,y∈S\forall x,y\in S, x≅y⇔y≅xx\cong y\Leftrightarrow y\cong x.

  • [Transitivitas] ∀x,y,z∈S\forall x,y,z\in S, x≅yx\cong y dan y≅z⇒x≅zy\cong z\Rightarrow x\cong z.

Jika ≅{}\cong{} merupakan relasi ekuivalensi pada himpunan SS dan x∈Sx\in S, maka himpunan [x]={y∈S∣y≅x}⊆S[x]=\{y\in S\mid y\cong x\}\subseteq S disebut kelas ekuivalensi dari xx. Kita menulis S/≅S/{{}\cong{}} untuk himpunan semua kelas ekuivalensi dalam SS. Jika 𝒞∈S/≅{\mathcal C}\in S/{{}\cong{}}, maka setiap r∈Sr\in S yang memenuhi 𝒞=[r]{\mathcal C}=[r] disebut wakil kelas ekuivalensi 𝒞{\mathcal C}.

Teorema 2.22. Misalkan SS suatu himpunan dan ≅{}\cong{} suatu relasi ekuivalensi yang didefinisikan pada SS. Maka

  1. ∀x∈S,x∈[x]\forall x\in S,\ x\in[x].

  2. ∀x,y∈S\forall x,y\in S, berlaku tepat salah satu dari [x]=[y][x]=[y] atau [x]∩[y]=∅[x]\cap[y]=\emptyset.

Bukti. (1): Pernyataan ini tidak lain adalah sifat refleksif dari ≅{}\cong{}.

(2): Misalkan z∈[x]∩[y]z\in[x]\cap[y]. Ini berarti z≅xz\cong x dan z≅yz\cong y. Berdasarkan simetri, x≅zx\cong z; berdasarkan transitivitas, x≅yx\cong y.

Sekarang, jika a∈[x]a\in[x] dan b∈[y]b\in[y], maka a≅xa\cong x dan b≅yb\cong y. Karena x≅yx\cong y, transitivitas memberi a≅ya\cong y, sehingga a∈[y]a\in[y]. Selain itu, simetri memberi y≅xy\cong x, lalu transitivitas memberi b≅xb\cong x, sehingga b∈[x]b\in[x].

Oleh karena itu, [x]⊆[y][x]\subseteq[y] dan [y]⊆[x][y]\subseteq[x], sehingga [x]=[y][x]=[y].

Argumen tersebut hanya menggunakan adanya suatu elemen z∈[x]∩[y]z\in[x]\cap[y]. Jadi, jika [x]≠[y][x]\neq[y], haruslah [x]∩[y]=∅[x]\cap[y]=\emptyset. Kedua kemungkinan itu tidak dapat berlaku sekaligus, sebab Bagian (1) menunjukkan bahwa setiap kelas ekuivalensi tidak kosong. ◻

Contoh 2.23. Pada himpunan S={(n,m)∣n,m∈ℤ,m≠0}S=\{(n,m)\mid n,m\in{\mathbb Z}, m\neq0\}, kita dapat mendefinisikan relasi (a,b)≅(c,d)(a,b)\cong(c,d) jika ad=cbad=cb. Maka S/≅S/{{}\cong{}} tidak lain adalah himpunan bilangan rasional, ℚ{\mathbb Q}!

Sekarang, mari kita khususkan konsep kelas ekuivalensi pada kongruensi.

Proposisi 2.24. Untuk n∈ℕn\in{\mathbb N}, relasi pada ℤ{\mathbb Z} yang didefinisikan oleh a≅nb⇔a≡b(mod⁡n)a\cong_n b\Leftrightarrow a\equiv b\pmod{n} (yang akan kita tulis sebagai a≅ba\cong b jika nn jelas dari konteks) merupakan relasi ekuivalensi.

Definisi 2.25. Untuk n∈ℕn\in{\mathbb N} dan a∈ℤa\in{\mathbb Z}, kelas ekuivalensi dari aa menurut relasi ekuivalensi di atas disebut kelas kongruensi dari aa modulo nn dan ditulis [a]n[a]_n (atau, dengan sedikit penyalahgunaan notasi, cukup [a][a] jika nn dipahami dari konteks). Himpunan kelas ekuivalensi ℤ/≅n{\mathbb Z}/{{}\cong_n{}} disebut bilangan bulat modulo nn dan ditulis ℤ/nℤ{\mathbb Z}/n{\mathbb Z} (atau, oleh sebagian penulis, ℤ/n{\mathbb Z}/n atau ℤn{\mathbb Z}_n).

Teorema 2.26. Untuk n∈ℕn\in{\mathbb N}, ℤ/nℤ{\mathbb Z}/n{\mathbb Z} mempunyai nn elemen, dengan 0,…,n−10,\dots,n-1 sebagai wakil dari kelas-kelas ekuivalensi yang berbeda itu. Dengan kata lain, ℤ/nℤ={[0]n,…,[n−1]n}.{\mathbb Z}/n{\mathbb Z}= \left\{[0]_n,\dots,[n-1]_n\right\}.

Bukti. Untuk n∈ℕn\in{\mathbb N} dan a∈ℤa\in{\mathbb Z}, Algoritma Pembagian menyatakan bahwa terdapat pasangan tunggal q,r∈ℤq,r\in{\mathbb Z} sedemikian sehingga a=qn+ra=qn+r dan 0≤r<n0\le r<n. Perhatikan bahwa a≡r(mod⁡n)a\equiv r\pmod{n} atau, secara ekuivalen, a∈[r]a\in[r]. Jadi, setiap a∈ℤa\in{\mathbb Z} merupakan anggota tepat satu kelas ekuivalensi [r][r] untuk r∈{0,…,n−1}r\in\{0,\dots,n-1\}. Karena setiap rr tersebut berada dalam [r][r], dan hanya dalam satu kelas semacam itu, kelas-kelas ekuivalensi [0],…,[n−1][0],\dots,[n-1] semuanya berbeda. ◻

Hal menarik tentang ℤ/nℤ{\mathbb Z}/n{\mathbb Z} adalah bahwa kita dapat melakukan banyak operasi aritmetika bilangan bulat yang biasa di dalamnya; bahkan, terkadang kita dapat melakukan sedikit lebih banyak daripada biasanya.

Definisi 2.27. Untuk n∈ℕn\in{\mathbb N} dan 𝒞,𝒟∈ℤ/nℤ{\mathcal C},{\mathcal D}\in{\mathbb Z}/n{\mathbb Z}, definisikan 𝒞+𝒟=[a+b]{\mathcal C}+{\mathcal D}=[a+b] dan 𝒞⋅𝒟=[a⋅b]{\mathcal C}\cdot{\mathcal D}=[a\cdot b], dengan aa dan bb masing-masing sebarang wakil dari kelas kongruensi 𝒞{\mathcal C} dan 𝒟{\mathcal D}.

Teorema 2.28. Operasi +{}+{} dan ⋅{}\cdot{} pada ℤ/nℤ{\mathbb Z}/n{\mathbb Z} terdefinisi dengan baik. Artinya, kedua operasi itu tidak bergantung pada wakil kelas kongruensi yang dipilih.

Bukti. Misalkan n∈ℕn\in{\mathbb N} dan 𝒞,𝒟∈ℤ/nℤ{\mathcal C},{\mathcal D}\in{\mathbb Z}/n{\mathbb Z}. Ambil a,p,b,q∈ℤa,p,b,q\in{\mathbb Z} sedemikian sehingga 𝒞=[a]=[p]{\mathcal C}=[a]=[p] dan 𝒟=[b]=[q]{\mathcal D}=[b]=[q]. Maka p≡a(mod⁡n)p\equiv a\pmod{n} dan q≡b(mod⁡n)q\equiv b\pmod{n}. Berdasarkan Teorema 2.3, a+b≡p+q(mod⁡n)a+b\equiv p+q\pmod{n} dan a⋅b≡p⋅q(mod⁡n)a\cdot b\equiv p\cdot q\pmod{n}, sehingga [a+b]=[p+q][a+b]=[p+q] dan [a⋅b]=[p⋅q][a\cdot b]=[p\cdot q]. Jadi, baik [a+b][a+b] maupun [p+q][p+q] memberikan definisi yang sama bagi 𝒞+𝒟{\mathcal C}+{\mathcal D}, dan hal yang sama berlaku untuk 𝒞⋅𝒟{\mathcal C}\cdot{\mathcal D}. ◻

Operasi-operasi baru ini mempunyai sifat-sifat yang sangat baik.

Teorema 2.29.

Untuk n∈ℕn\in{\mathbb N}, penjumlahan dan perkalian pada ℤ/nℤ{\mathbb Z}/n{\mathbb Z}

  1. bersifat komutatif dan asosiatif;

  2. perkalian bersifat distributif terhadap penjumlahan;

  3. kedua operasi mempunyai elemen identitas, yaitu [0][0] untuk penjumlahan dan [1][1] untuk perkalian;

  4. setiap elemen ℤ/nℤ{\mathbb Z}/n{\mathbb Z} mempunyai invers aditif, yaitu invers dari [a][a] adalah [−a][-a] (atau [n−a][n-a], nama lain bagi elemen yang sama); dan

  5. suatu elemen [a]∈ℤ/nℤ[a]\in{\mathbb Z}/n{\mathbb Z} mempunyai invers multiplikatif [a]−1[a]^{-1} jika dan hanya jika gcd⁡(a,n)=1\gcd(a,n)=1; invers ini tunggal apabila ada.

Bukti. Diserahkan kepada pembaca. Perhatikan bahwa butir terakhir pada dasarnya merupakan Akibat 2.17 yang dinyatakan kembali dalam bahasa kelas kongruensi. ◻

Selain Akibat 2.17, banyak hasil kita sebelumnya juga dapat dinyatakan kembali dengan kelas kongruensi. Sebagian besar akan diserahkan kepada pembaca, tetapi berikut salah satu contohnya.

Teorema 2.30. Untuk a,b∈ℤa,b\in{\mathbb Z} dan n∈ℕn\in{\mathbb N}, misalkan d=gcd⁡(a,n)d=\gcd(a,n). Tinjau persamaan [a]⋅x=[b][a]\cdot x = [b] dengan x∈ℤ/nℤx\in{\mathbb Z}/n{\mathbb Z}. Maka

  1. Jika d∤bd\nmid b, persamaan itu tidak mempunyai solusi.

  2. Jika d∣bd\mid b, persamaan itu mempunyai tepat dd solusi dalam ℤ/nℤ{\mathbb Z}/n{\mathbb Z}.

Bukti. Diserahkan kepada pembaca; pernyataan ini tidak lain adalah Teorema 2.13 dalam bentuk lain. ◻

Latihan untuk §2.4

Latihan 2.14. Ketika bilangan rasional ℚ{\mathbb Q} dideskripsikan seperti dalam Contoh 2.23, kita mendefinisikan penjumlahan dengan [(n,m)]+[(p,q)]=[(nq+mp,mq)][(n,m)]+[(p,q)]=[(nq+mp,mq)] dan perkalian dengan [(n,m)]⋅[(p,q)]=[(np,mq)][(n,m)]\cdot[(p,q)]=[(np,mq)], dengan n,m,p,q∈ℤn,m,p,q\in{\mathbb Z} serta mm dan qq keduanya tidak nol. Buktikan padanan Teorema 2.28 untuk bentuk ℚ{\mathbb Q} ini.

Apa saja identitas aditif dan multiplikatif dalam ℚ{\mathbb Q} ini? Apakah setiap elemen (atau hampir setiap elemen) ℚ{\mathbb Q} mempunyai invers aditif dan invers multiplikatif? Jika ya, berikan rumus bagi invers-invers tersebut; jika tidak, jelaskan alasannya.

Latihan 2.15. Nyatakan kembali Teorema Sisa Cina dengan kelas-kelas kongruensi dan persamaan dalam berbagai ℤ/nℤ{\mathbb Z}/n{\mathbb Z}, bukan dengan kongruensi.

Latihan 2.16. Buktikan pernyataan-pernyataan dalam bagian ini yang buktinya “diserahkan kepada pembaca.”

Latihan 2.17. Nyatakan dan buktikan versi kelas kongruensi dari setiap hasil tentang kongruensi dalam Bagian 2.1 dan Bagian 2.2 yang belum mempunyai versi dalam bagian ini.

2.5 Fungsi ϕ\phi Euler

Euler membuat definisi berikut, dan definisi itu ternyata sangat berguna.

Definisi 2.31. Untuk n∈ℕn\in{\mathbb N}, ϕ(n)=#({m∈ℤ∣0≤m<n dan gcd(m,n)=1}).\phi(n)=\#\left(\{m\in{\mathbb Z}\mid 0\le m<n\text{\ dan\ }\gcd(m,n)=1\}\right)\ .

Dengan kata lain, ϕ(n)\phi(n) menghitung banyaknya bilangan bulat tak-negatif yang lebih kecil daripada nn dan relatif prima dengan nn.

Fungsi ini disebut fungsi ϕ\phi Euler, atau fungsi totient Euler. (Dalam bahasa Inggris, “totient” berima dengan “quotient”; nama ini diberikan oleh matematikawan Inggris Sylvester.)

Berikut salah satu kegunaan fungsi tersebut.

Teorema 2.32. Untuk n∈ℕn\in{\mathbb N}, ϕ(n)\phi(n) adalah banyaknya elemen ℤ/nℤ{\mathbb Z}/n{\mathbb Z} yang mempunyai invers multiplikatif.

Bukti. Pernyataan ini langsung mengikuti Bagian (5) dari Teorema 2.29. ◻

Satu fakta yang cukup mengejutkan tentang fungsi totient Euler adalah bahwa fungsi ini bersifat multiplikatif, setidaknya untuk bilangan-bilangan yang relatif prima.

Teorema 2.33.

Untuk n,m∈ℕn,m\in{\mathbb N}, jika gcd⁡(n,m)=1\gcd(n,m)=1 , maka ϕ(nm)=ϕ(n)ϕ(m)\phi(nm)=\phi(n)\phi(m).

Bukti. Pernyataan ini merupakan penerapan Teorema Sisa Cina yang menarik, seperti yang akan kita lihat.

Tetapkan n,m∈ℕn,m\in{\mathbb N} yang relatif prima. Untuk k∈ℕk\in{\mathbb N}, misalkan (ℤ/kℤ)*={x∈ℤ/kℤ∣x mempunyai invers multiplikatif}({\mathbb Z}/k{\mathbb Z})^*=\{x\in{\mathbb Z}/k{\mathbb Z}\mid x\text{ mempunyai invers multiplikatif}\} sehingga ϕ(k)=#((ℤ/kℤ)*)\phi(k)=\#(({\mathbb Z}/k{\mathbb Z})^*).

(Notasi ini menyatakan banyaknya elemen dalam himpunan (ℤ/kℤ)*({\mathbb Z}/k{\mathbb Z})^*.)

Sekarang, definisikan himpunan pasangan (ℤ/nℤ)*×(ℤ/mℤ)*={(a,b)∣a∈(ℤ/nℤ)* dan b∈(ℤ/mℤ)*}.({\mathbb Z}/n{\mathbb Z})^*\times({\mathbb Z}/m{\mathbb Z})^*=\{(a,b)\mid a\in({\mathbb Z}/n{\mathbb Z})^*\text{\ dan\ }b\in({\mathbb Z}/m{\mathbb Z})^*\}\ . Perhatikan bahwa #((ℤ/nℤ)*×(ℤ/mℤ)*)=#((ℤ/nℤ)*)⋅#((ℤ/mℤ)*)=ϕ(n)ϕ(m)\#(({\mathbb Z}/n{\mathbb Z})^*\times({\mathbb Z}/m{\mathbb Z})^*)= \#(({\mathbb Z}/n{\mathbb Z})^*)\cdot\#(({\mathbb Z}/m{\mathbb Z})^*)=\phi(n)\phi(m) , sebab setiap komponen pasangan dapat dipilih bebas dari himpunannya masing-masing. Jadi, banyaknya pasangan adalah hasil kali ukuran kedua himpunan. Oleh karena itu, jika kita dapat membuktikan bahwa (ℤ/nℤ)*×(ℤ/mℤ)*({\mathbb Z}/n{\mathbb Z})^*\times({\mathbb Z}/m{\mathbb Z})^* berkorespondensi secara bijektif dengan (ℤ/(nm)ℤ)*({\mathbb Z}/(nm){\mathbb Z})^*, maka

ϕ(n)ϕ(m)=#((ℤ/nℤ)*×(ℤ/mℤ)*)=#((ℤ/(nm)ℤ)*)=ϕ(nm)\phi(n)\phi(m)=\#\left(({\mathbb Z}/n{\mathbb Z})^*\times({\mathbb Z}/m{\mathbb Z})^*\right)=\#(({\mathbb Z}/(nm){\mathbb Z})^*)=\phi(nm) seperti yang diinginkan, sebab himpunan-himpunan yang berkorespondensi secara bijektif mempunyai jumlah elemen yang sama.

Korespondensi tersebut diberikan oleh fungsi ℱ:(ℤ/(nm)ℤ)*→(ℤ/nℤ)*×(ℤ/mℤ)*:[x]nm↦([x]n,[x]m).{\mathcal F}:({\mathbb Z}/(nm){\mathbb Z})^*\to({\mathbb Z}/n{\mathbb Z})^*\times({\mathbb Z}/m{\mathbb Z})^*:[x]_{nm}\mapsto([x]_n,[x]_m)\ .

Kita harus menunjukkan bahwa ℱ{\mathcal F} terdefinisi dengan baik, injektif, dan surjektif. Pertama, ℱ{\mathcal F} memang memetakan ke kodomain yang dinyatakan. Jika [x]nm[x]_{nm} mempunyai invers [u]nm[u]_{nm}, maka xu≡1(mod⁡nm)xu\equiv1\pmod{nm}, sehingga xu≡1(mod⁡n)xu\equiv1\pmod n dan xu≡1(mod⁡m)xu\equiv1\pmod m. Jadi, [x]n[x]_n dan [x]m[x]_m keduanya mempunyai invers multiplikatif.

Selanjutnya, keterdefinisian dengan baik berarti bahwa, untuk suatu [x]nm[x]_{nm}, jika y∈ℤy\in{\mathbb Z} merupakan wakil lain dari kelas kongruensi [x]nm[x]_{nm}, maka ([x]n,[x]m)=([y]n,[y]m)([x]_n,[x]_m)=([y]_n,[y]_m). Dengan demikian, ℱ{\mathcal F} ditentukan hanya oleh kelas [x]nm[x]_{nm}, bukan oleh pilihan wakil xx. Hal ini mudah dilihat: y∈[x]nmy\in[x]_{nm} berarti y≅nmxy\cong_{nm}x, sehingga terdapat k∈ℤk\in{\mathbb Z} sedemikian sehingga y−x=k(nm)=(km)n=(kn)my-x=k(nm)=(km)n=(kn)m. Dua bentuk terakhir berarti y≅nxy\cong_nx dan y≅mxy\cong_mx, sehingga [x]n=[y]n[x]_n=[y]_n dan [x]m=[y]m[x]_m=[y]_m. Jadi, ℱ{\mathcal F} terdefinisi dengan baik.

Sekarang, misalkan x,y∈ℤx,y\in{\mathbb Z} memenuhi ℱ([x]nm)=ℱ([y]nm){\mathcal F}([x]_{nm})={\mathcal F}([y]_{nm}), yaitu [x]n=[y]n[x]_n=[y]_n dan [x]m=[y]m[x]_m=[y]_m. Dengan demikian, z=x−y∈ℤz=x-y\in{\mathbb Z} menyelesaikan sistem z≡0(mod⁡n)z≡0(mod⁡m).\begin{align*} z&\equiv 0\pmod{n}\\ z&\equiv 0\pmod{m}\ . \end{align*} Nilai z=0z=0 juga menyelesaikan sistem ini. Teorema Sisa Cina menyatakan bahwa solusi sistem tersebut tunggal modulo nmnm karena gcd⁡(n,m)=1\gcd(n,m)=1.

Oleh karena itu, x−y≡0(mod⁡nm)x-y\equiv0\pmod{nm}, sehingga x≡y(mod⁡nm)x\equiv y\pmod{nm}. Jadi, [x]nm=[y]nm[x]_{nm}=[y]_{nm} dan ℱ{\mathcal F} injektif.

Terakhir, ambil sebarang pasangan ([x]n,[y]m)∈(ℤ/nℤ)*×(ℤ/mℤ)*([x]_n,[y]_m)\in({\mathbb Z}/n{\mathbb Z})^*\times({\mathbb Z}/m{\mathbb Z})^* dan tinjau sistem z≡x(mod⁡n)z≡y(mod⁡m),\begin{align*} z&\equiv x\pmod{n}\\ z&\equiv y\pmod{m}\ , \end{align*} Karena gcd⁡(n,m)=1\gcd(n,m)=1, Teorema Sisa Cina memberikan suatu solusi z∈ℤz\in{\mathbb Z}.

Masih perlu ditunjukkan bahwa [z]nm[z]_{nm} mempunyai invers. Ambil [u]n=[x]n−1[u]_n=[x]_n^{-1} dan [v]m=[y]m−1[v]_m=[y]_m^{-1}. Teorema Sisa Cina memberikan w∈ℤw\in{\mathbb Z} yang memenuhi w≡u(mod⁡n)w\equiv u\pmod n dan w≡v(mod⁡m)w\equiv v\pmod m. Akibatnya, zw≡1(mod⁡n)zw\equiv1\pmod n dan zw≡1(mod⁡m)zw\equiv1\pmod m. Karena zwzw dan 11 merupakan solusi sistem yang sama, ketunggalan dalam Teorema Sisa Cina memberi zw≡1(mod⁡nm)zw\equiv1\pmod{nm}. Jadi, [z]nm∈(ℤ/(nm)ℤ)*[z]_{nm}\in({\mathbb Z}/(nm){\mathbb Z})^* dan ℱ([z]nm)=([x]n,[y]m){\mathcal F}([z]_{nm})=([x]_n,[y]_m). Dengan demikian, ℱ{\mathcal F} juga surjektif. ◻

Latihan untuk §2.5

Latihan 2.18. Hitunglah ϕ(n)\phi(n) untuk n=2,3,5,7,11,13,17n=2,3,5,7,11,13,17. Buatlah dugaan umum. Dapatkah Anda membuktikannya?

Latihan 2.19. Hitunglah ϕ(n)\phi(n) untuk n=2,4,8,16,32,64n=2,4,8,16,32,64. Buatlah dugaan tentang ϕ(2k)\phi(2^k) untuk k∈ℕk\in{\mathbb N}. Buktikan dugaan tersebut!