Pendahuluan
Aljabar abstrak adalah cabang matematika yang mempelajari struktur aljabar seperti grup, gelanggang, dan medan. Di antara berbagai konsep yang membentuk fondasi aljabar abstrak, grup kuosien (juga dikenal sebagai grup faktor) adalah salah satu yang paling fundamental, elegan, dan kuat. Grup kuosien memungkinkan kita untuk "menyederhanakan" atau "memfaktorkan" sebuah grup besar menjadi struktur yang lebih kecil dan seringkali lebih mudah dipahami, dengan mengidentifikasi elemen-elemen tertentu sebagai "ekuivalen". Konsep ini mirip dengan bagaimana kita membentuk bilangan bulat modulo n dari bilangan bulat biasa, di mana semua bilangan yang memiliki sisa yang sama ketika dibagi n dianggap sama.
Pentingnya grup kuosien tidak hanya terletak pada kemampuannya untuk menyederhanakan struktur. Lebih dari itu, ia memberikan wawasan mendalam tentang sifat internal grup, hubungan antar grup melalui homomorfisme, dan menjadi jembatan menuju konsep-konsep yang lebih maju dalam matematika seperti topologi aljabar dan teori Galois. Memahami grup kuosien adalah langkah krusial bagi siapa saja yang ingin mendalami aljabar modern.
Artikel ini akan membawa Anda melalui perjalanan komprehensif untuk memahami grup kuosien. Kita akan memulai dengan mengulas konsep-konsep prasyarat yang esensial, seperti definisi grup, subgrup, dan koset. Kemudian, kita akan membahas secara rinci tentang subgrup normal, yang merupakan kunci utama dalam pembentukan grup kuosien. Setelah itu, kita akan membangun definisi formal grup kuosien, membuktikan sifat-sifatnya, dan menyajikan berbagai contoh ilustratif. Terakhir, kita akan mengeksplorasi teorema-teorema isomorfisme yang terkenal dan membahas berbagai aplikasi serta signifikansi grup kuosien dalam berbagai bidang matematika.
Konsep Dasar Prasyarat
Sebelum kita dapat menyelam lebih dalam ke grup kuosien, penting untuk memastikan pemahaman yang kokoh tentang beberapa konsep dasar dalam teori grup. Ini adalah fondasi di mana gagasan grup kuosien dibangun.
Grup dan Subgrup
Dalam aljabar abstrak, sebuah grup adalah himpunan tak kosong G yang dilengkapi dengan sebuah operasi biner (sering dinotasikan dengan * atau ·, atau hanya dengan konkatenasi) yang memenuhi empat aksioma berikut:
-
Tertutup (Closure): Untuk setiap
a, b ∈ G, hasil daria * bjuga merupakan elemen dariG. -
Asosiatif (Associativity): Untuk setiap
a, b, c ∈ G, berlaku(a * b) * c = a * (b * c). -
Elemen Identitas (Identity Element): Terdapat sebuah elemen
e ∈ Gsehingga untuk setiapa ∈ G, berlakua * e = e * a = a. Elemeneini unik. -
Elemen Invers (Inverse Element): Untuk setiap
a ∈ G, terdapat sebuah elemena⁻¹ ∈ Gsehinggaa * a⁻¹ = a⁻¹ * a = e. Elemen invers ini unik untuk setiapa.
Jika operasi biner juga komutatif (yaitu, a * b = b * a untuk setiap a, b ∈ G), maka grup tersebut disebut grup Abelian.
Contoh grup yang umum meliputi:
- Bilangan bulat
(Z, +)di bawah operasi penjumlahan. Identitasnya adalah0, invers dariaadalah-a. - Bilangan rasional tak nol
(Q*, ·)di bawah operasi perkalian. Identitasnya adalah1, invers dariaadalah1/a. - Grup simetri dari sebuah poligon beraturan (grup dihedral), yang merupakan contoh grup non-Abelian.
Sebuah subgrup H dari grup G adalah himpunan bagian dari G (H ⊆ G) yang juga merupakan grup di bawah operasi biner yang sama dengan G. Dengan kata lain, H harus memenuhi keempat aksioma grup itu sendiri. Untuk menguji apakah suatu himpunan bagian H adalah subgrup, kita dapat menggunakan kriteria subgrup: H adalah subgrup dari G jika dan hanya jika:
Htidak kosong.- Untuk setiap
a, b ∈ H,a * b⁻¹ ∈ H(di manab⁻¹adalah invers daribdiG).
Setiap grup G selalu memiliki setidaknya dua subgrup trivial: himpunan yang hanya berisi elemen identitas {e} dan grup G itu sendiri.
Koset Kiri dan Kanan
Konsep koset adalah jembatan pertama menuju pemahaman grup kuosien. Misalkan G adalah grup dan H adalah subgrup dari G. Untuk setiap elemen a ∈ G, kita dapat mendefinisikan:
-
Koset kiri dari
Hyang dibangkitkan olehasebagai himpunanaH = {ah | h ∈ H}. -
Koset kanan dari
Hyang dibangkitkan olehasebagai himpunanHa = {ha | h ∈ H}.
Penting untuk dicatat bahwa dalam kasus umum, aH tidak selalu sama dengan Ha. Jika grup G adalah Abelian, maka aH = Ha untuk semua a ∈ G karena operasi komutatif.
Koset memiliki beberapa sifat penting:
- Elemen
aselalu ada diaH(karenae ∈ H, makaae = a ∈ aH). - Dua koset kiri
aHdanbHadalah sama jika dan hanya jikaa⁻¹b ∈ H. - Koset-koset kiri (atau koset-koset kanan) dari
Hmembentuk partisi dariG. Artinya, setiap elemeng ∈ Gtermasuk dalam tepat satu koset kiri (dan tepat satu koset kanan). - Semua koset kiri (dan semua koset kanan) memiliki jumlah elemen yang sama dengan
H. JikaGberhingga, maka|aH| = |H|.
Contoh: Misalkan G = (Z, +) dan H = 3Z = {..., -6, -3, 0, 3, 6, ...} adalah subgrup dari bilangan bulat yang kelipatan 3. Koset-koset kiri dari H adalah:
0 + 3Z = {..., -6, -3, 0, 3, 6, ...} = 3Z1 + 3Z = {..., -5, -2, 1, 4, 7, ...}2 + 3Z = {..., -4, -1, 2, 5, 8, ...}
Perhatikan bahwa 3 + 3Z akan sama dengan 0 + 3Z, dan 4 + 3Z akan sama dengan 1 + 3Z, dan seterusnya. Ini menunjukkan bagaimana koset-koset tersebut mempartisi Z menjadi kelas-kelas ekuivalensi berdasarkan sisa pembagian dengan 3.
Subgrup Normal: Kunci Pembentukan Grup Kuosien
Setelah memahami koset, kita sampai pada konsep paling krusial untuk grup kuosien: subgrup normal. Tidak semua subgrup dapat digunakan untuk membentuk grup kuosien. Hanya subgrup normal yang memungkinkan pembentukan struktur grup dari himpunan koset.
Definisi Subgrup Normal: Sebuah subgrup
Ndari grupGdisebut subgrup normal jika untuk setiap elemeng ∈ G, berlakugN = Ng. Ini berarti koset kiri dan koset kanan yang dibangkitkan oleh elemen yang sama adalah identik.
Secara ekuivalen, N adalah subgrup normal jika dan hanya jika untuk setiap g ∈ G dan setiap n ∈ N, elemen gng⁻¹ juga berada dalam N. Ekspresi gng⁻¹ ini disebut konjugasi dari n oleh g. Dengan kata lain, N adalah normal jika ia "tertutup di bawah konjugasi" oleh elemen-elemen dari G.
Mengapa Subgrup Normal Itu Penting?
Ketika kita ingin membentuk grup baru dari himpunan koset, kita perlu mendefinisikan operasi biner pada koset-koset tersebut. Misalkan kita ingin mendefinisikan operasi perkalian pada koset-koset kiri aN dan bN sebagai (aN)(bN) = (ab)N. Agar operasi ini terdefinisi dengan baik (well-defined), hasilnya tidak boleh bergantung pada pilihan representatif dari koset. Artinya, jika aN = a'N dan bN = b'N, maka kita harus memiliki (ab)N = (a'b')N.
Mari kita buktikan mengapa kondisi subgrup normal diperlukan. Misalkan aN = a'N dan bN = b'N. Ini berarti a' = an₁ dan b' = bn₂ untuk beberapa n₁, n₂ ∈ N. Kita ingin menunjukkan bahwa (ab)N = (a'b')N. Ini ekuivalen dengan menunjukkan bahwa (ab)⁻¹(a'b') ∈ N.
(ab)⁻¹(a'b') = b⁻¹a⁻¹(an₁bn₂) = b⁻¹(a⁻¹a)n₁bn₂ = b⁻¹en₁bn₂ = b⁻¹n₁bn₂
Agar ekspresi terakhir b⁻¹n₁bn₂ selalu berada di N, kita membutuhkan b⁻¹n₁b untuk berada di N (karena n₂ ∈ N, dan N adalah subgrup, jadi hasil kali dua elemen di N juga ada di N). Ini persis adalah kondisi subgrup normal, di mana b⁻¹Nb ⊆ N (yang ekuivalen dengan bN = Nb). Jadi, operasi pada koset hanya terdefinisi dengan baik jika dan hanya jika subgrup yang digunakan adalah subgrup normal.
Setiap grup memiliki setidaknya dua subgrup normal trivial: {e} dan G itu sendiri. Grup Abelian juga memiliki sifat istimewa di mana setiap subgrupnya adalah subgrup normal.
Pembentukan Grup Kuosien
Dengan pemahaman tentang subgrup normal, kita sekarang siap untuk mendefinisikan dan membangun grup kuosien secara formal.
Definisi Formal Grup Kuosien
Definisi Grup Kuosien: Misalkan
Gadalah grup danNadalah subgrup normal dariG. Himpunan semua koset kiri (yang sama dengan koset kanan) dariNdiG, dinotasikan sebagaiG/N = {aN | a ∈ G}, bersama dengan operasi biner yang didefinisikan sebagai(aN)(bN) = (ab)Nuntuk setiapaN, bN ∈ G/N, membentuk sebuah grup yang disebut grup kuosien atau grup faktor dariGolehN.
Pembuktian Sifat Grup pada G/N
Untuk membuktikan bahwa G/N memang adalah sebuah grup, kita harus memverifikasi empat aksioma grup:
1. Operasi Terdefinisi dengan Baik (Well-Defined) dan Tertutup (Closure)
Kita telah membahas sebelumnya mengapa normalitas N sangat penting. Karena N adalah subgrup normal, operasi (aN)(bN) = (ab)N sudah dipastikan terdefinisi dengan baik. Artinya, jika kita memilih representatif yang berbeda untuk koset yang sama, hasil operasi akan tetap menghasilkan koset yang sama. Selain itu, karena a ∈ G dan b ∈ G, maka ab ∈ G (karena G adalah grup dan tertutup). Oleh karena itu, (ab)N adalah sebuah koset di G/N, yang berarti operasi ini tertutup di G/N.
Pembuktian Detail Well-Defined:
Misalkan aN = a'N dan bN = b'N. Kita perlu menunjukkan bahwa (ab)N = (a'b')N.
Dari aN = a'N, kita tahu bahwa a⁻¹a' ∈ N. Sebut n₁ = a⁻¹a'. Jadi a' = an₁.
Dari bN = b'N, kita tahu bahwa b⁻¹b' ∈ N. Sebut n₂ = b⁻¹b'. Jadi b' = bn₂.
Sekarang, kita ingin mengevaluasi (ab)⁻¹(a'b'):
(ab)⁻¹(a'b') = (b⁻¹a⁻¹)(an₁bn₂)
= b⁻¹(a⁻¹a)n₁bn₂
= b⁻¹en₁bn₂
= b⁻¹n₁bn₂
Karena N adalah subgrup normal, kita tahu bahwa untuk setiap g ∈ G dan n ∈ N, gng⁻¹ ∈ N. Namun, kondisi subgrup normal juga ekuivalen dengan gN = Ng, atau g⁻¹Ng = N. Dengan kata lain, g⁻¹ng ∈ N untuk setiap g ∈ G, n ∈ N.
Dalam kasus ini, n₁ ∈ N dan b ∈ G, jadi b⁻¹n₁b ∈ N (karena b⁻¹Nb = N).
Jadi, b⁻¹n₁b adalah elemen dari N. Misalkan b⁻¹n₁b = n₃ ∈ N.
Maka (ab)⁻¹(a'b') = n₃n₂. Karena n₃ ∈ N dan n₂ ∈ N, dan N adalah subgrup (tertutup di bawah operasi), maka n₃n₂ ∈ N.
Karena (ab)⁻¹(a'b') ∈ N, ini berarti (ab)N = (a'b')N. Operasi ini terdefinisi dengan baik.
2. Asosiatif (Associativity)
Misalkan aN, bN, cN ∈ G/N. Kita perlu menunjukkan bahwa ((aN)(bN))(cN) = (aN)((bN)(cN)).
Sisi kiri:
((aN)(bN))(cN) = (ab)N (cN) = ((ab)c)N
Sisi kanan:
(aN)((bN)(cN)) = (aN) ((bc)N) = (a(bc))N
Karena G adalah grup, operasi di G bersifat asosiatif, sehingga (ab)c = a(bc). Oleh karena itu, ((ab)c)N = (a(bc))N. Jadi, operasi pada G/N bersifat asosiatif.
3. Elemen Identitas (Identity Element)
Elemen identitas dari G adalah e. Pertimbangkan koset eN = N. Ini adalah sebuah elemen di G/N. Mari kita periksa apakah ini adalah elemen identitas:
Untuk setiap aN ∈ G/N:
(aN)(eN) = (ae)N = aN
(eN)(aN) = (ea)N = aN
Jadi, N (koset yang mengandung identitas dari G) adalah elemen identitas dari G/N.
4. Elemen Invers (Inverse Element)
Untuk setiap aN ∈ G/N, kita perlu menemukan elemen xN sedemikian rupa sehingga (aN)(xN) = N (elemen identitas). Pertimbangkan a⁻¹N, di mana a⁻¹ adalah invers dari a di G.
(aN)(a⁻¹N) = (aa⁻¹)N = eN = N
(a⁻¹N)(aN) = (a⁻¹a)N = eN = N
Jadi, untuk setiap aN ∈ G/N, inversnya adalah a⁻¹N.
Karena semua aksioma grup terpenuhi, kita dapat menyimpulkan bahwa G/N, himpunan semua koset N di G dengan operasi yang didefinisikan, memang merupakan sebuah grup. Orde dari grup kuosien G/N adalah indeks dari N di G, dinotasikan |G:N|, yang sama dengan |G|/|N| jika G berhingga.
Contoh-contoh Penting Grup Kuosien
Mari kita lihat beberapa contoh konkret untuk memperjelas konsep grup kuosien.
1. Bilangan Bulat Modulo n: (Z/nZ, +)
Ini adalah contoh grup kuosien yang paling sering ditemui dan paling intuitif, yang mendasari aritmetika modular.
Misalkan G = (Z, +) adalah grup bilangan bulat di bawah operasi penjumlahan.
Misalkan N = nZ = {..., -2n, -n, 0, n, 2n, ...} adalah himpunan semua kelipatan bilangan bulat n (di mana n adalah bilangan bulat positif).
nZ adalah subgrup dari Z. Karena Z adalah grup Abelian, setiap subgrupnya adalah normal. Jadi nZ adalah subgrup normal dari Z.
Koset-koset dari nZ di Z adalah:
0 + nZ = {..., -n, 0, n, 2n, ...}
1 + nZ = {..., -n+1, 1, n+1, 2n+1, ...}
2 + nZ = {..., -n+2, 2, n+2, 2n+2, ...}
...
(n-1) + nZ = {..., -1, n-1, 2n-1, 3n-1, ...}
Setiap koset ini terdiri dari semua bilangan bulat yang memiliki sisa yang sama ketika dibagi dengan n. Himpunan semua koset ini adalah Z/nZ = {0+nZ, 1+nZ, ..., (n-1)+nZ}, yang sering dinotasikan sebagai Z_n = {0, 1, ..., n-1}.
Operasi penjumlahan pada Z/nZ didefinisikan sebagai (a+nZ) + (b+nZ) = (a+b)+nZ. Ini persis sama dengan penjumlahan modulo n. Misalnya, jika n=4, maka Z/4Z = {0, 1, 2, 3} (dengan kelas ekuivalensi).
(2+4Z) + (3+4Z) = (2+3)+4Z = 5+4Z = 1+4Z (karena 5 ≡ 1 (mod 4)).
Grup ini memiliki elemen identitas 0+nZ dan invers dari a+nZ adalah (-a)+nZ (yang sama dengan (n-a)+nZ jika a ≠ 0).
2. Bilangan Real Modulo Bilangan Bulat: (R/Z, +)
Misalkan G = (R, +) adalah grup bilangan real di bawah penjumlahan.
Misalkan N = Z adalah subgrup bilangan bulat. Z adalah subgrup normal dari R karena R adalah grup Abelian.
Koset-koset dari Z di R adalah r + Z = {r + k | k ∈ Z} untuk setiap r ∈ R.
Setiap koset ini mewakili kelas ekuivalensi dari bilangan real yang memiliki bagian pecahan yang sama. Sebagai contoh, 0.5 + Z = {..., -1.5, -0.5, 0.5, 1.5, ...}.
Himpunan R/Z secara intuitif dapat dipandang sebagai interval [0, 1), di mana titik 0 dan 1 diidentifikasi. Ini secara topologis isomorfik dengan lingkaran unit (S¹) di bidang kompleks, yang merupakan grup di bawah perkalian. Elemen r + Z dalam R/Z berkorespondensi dengan e^(2πir) pada lingkaran unit.
Operasinya adalah penjumlahan: (r₁ + Z) + (r₂ + Z) = (r₁ + r₂) + Z. Jika hasilnya lebih besar dari atau sama dengan 1, kita mengambil bagian pecahannya.
3. Grup Dieder D₄ dan Subgrup Rotasi R₄
Mari kita pertimbangkan contoh grup non-Abelian. Grup dieder D₄ adalah grup simetri dari persegi. Orde dari D₄ adalah 8, dan elemen-elemennya adalah:
- Empat rotasi:
e(rotasi 0°),r(rotasi 90°),r²(rotasi 180°),r³(rotasi 270°). - Empat refleksi:
s(melintasi sumbu horizontal),sr(melintasi diagonal utama),sr²(melintasi sumbu vertikal),sr³(melintasi diagonal lainnya).
Operasi adalah komposisi transformasi. Perhatikan bahwa rs ≠ sr (ini adalah non-Abelian).
Misalkan N = {e, r, r², r³} adalah subgrup dari semua rotasi. Subgrup ini memiliki orde 4. Apakah N subgrup normal dari D₄?
Kita perlu memeriksa apakah gNg⁻¹ = N untuk semua g ∈ D₄.
Jika g adalah elemen rotasi, maka gNg⁻¹ = N karena N itu sendiri adalah grup siklik Abelian (sehingga setiap subgrupnya normal di N, dan r^i r^j (r^i)⁻¹ = r^j).
Jika g adalah elemen refleksi, misalnya g = s. Kita perlu memeriksa sNs⁻¹.
Kita tahu bahwa srs⁻¹ = sr (s) = s (sr³) = s²r³ = r³ (karena s²=e dan srs=r⁻¹).
Jadi, srs⁻¹ = r⁻¹ = r³ ∈ N.
Dengan cara yang sama, sr²s⁻¹ = r² dan sr³s⁻¹ = r.
Karena semua elemen gng⁻¹ (untuk g = s dan n ∈ N) tetap berada di N, maka N adalah subgrup normal dari D₄.
Sekarang kita bisa membentuk grup kuosien D₄/N. Indeks |D₄:N| = |D₄|/|N| = 8/4 = 2. Ini berarti D₄/N hanya memiliki dua koset.
Koset-kosetnya adalah:
N = {e, r, r², r³}sN = {s, sr, sr², sr³}(himpunan semua refleksi)
Grup kuosien D₄/N memiliki dua elemen, N dan sN. Operasinya adalah:
N · N = NN · sN = sNsN · N = sNsN · sN = (s·s)N = eN = N
Struktur grup ini persis sama dengan grup Z₂ = ({0, 1}, +), di mana N bertindak sebagai 0 dan sN bertindak sebagai 1. Jadi, D₄/N isomorfik dengan Z₂.
Contoh ini menunjukkan bagaimana grup kuosien dapat menyederhanakan grup non-Abelian yang kompleks (D₄) menjadi grup Abelian yang sangat sederhana (Z₂), dengan "mengabaikan" detail struktur internal dari N.
Teorema Isomorfisme Grup
Grup kuosien menjadi sangat kuat ketika dikombinasikan dengan konsep homomorfisme grup. Tiga teorema isomorfisme adalah pilar dalam teori grup yang menghubungkan homomorfisme, subgrup normal, dan grup kuosien.
1. Teorema Isomorfisme Pertama (Fundamental Theorem of Homomorphisms)
Ini adalah teorema yang paling penting dan paling sering digunakan, yang menghubungkan citra homomorfisme dengan grup kuosien.
Teorema Isomorfisme Pertama: Misalkan
φ: G → G'adalah homomorfisme grup. Maka:
ker(φ)(kernel dariφ) adalah subgrup normal dariG.Im(φ)(citra dariφ) adalah subgrup dariG'.- Grup kuosien
G/ker(φ)isomorfik denganIm(φ). Secara matematis,G/ker(φ) ≅ Im(φ).
Penjelasan dan Pembuktian Singkat:
Bagian 1: Kernel adalah Subgrup Normal.
Kernel dari homomorfisme φ adalah himpunan elemen di G yang dipetakan ke identitas e' di G': ker(φ) = {g ∈ G | φ(g) = e'}.
ker(φ)tidak kosong karenaφ(e) = e', jadie ∈ ker(φ).- Untuk
a, b ∈ ker(φ), kita perlu menunjukkanab⁻¹ ∈ ker(φ).φ(ab⁻¹) = φ(a)φ(b⁻¹) = φ(a)(φ(b))⁻¹(karenaφadalah homomorfisme)= e'(e')⁻¹ = e'e' = e'. Jadi,ab⁻¹ ∈ ker(φ), sehinggaker(φ)adalah subgrup. - Untuk menunjukkan bahwa
ker(φ)normal, kita perlu menunjukkang(ker(φ))g⁻¹ ⊆ ker(φ)untuk setiapg ∈ G. Misalkank ∈ ker(φ). Makaφ(k) = e'. Pertimbangkanφ(gkg⁻¹) = φ(g)φ(k)φ(g⁻¹) = φ(g)e'φ(g)⁻¹ = φ(g)φ(g)⁻¹ = e'. Karenaφ(gkg⁻¹) = e', makagkg⁻¹ ∈ ker(φ). Jadi,ker(φ)adalah subgrup normal.
Bagian 2: Citra adalah Subgrup.
Im(φ) = {φ(g) | g ∈ G}.
Im(φ)tidak kosong karenae' = φ(e) ∈ Im(φ).- Untuk
x, y ∈ Im(φ), adaa, b ∈ Gsedemikian rupa sehinggax = φ(a)dany = φ(b). Kita perlu menunjukkanxy⁻¹ ∈ Im(φ).xy⁻¹ = φ(a)(φ(b))⁻¹ = φ(a)φ(b⁻¹) = φ(ab⁻¹). Karenaab⁻¹ ∈ G, makaφ(ab⁻¹) ∈ Im(φ). Jadi,Im(φ)adalah subgrup dariG'.
Bagian 3: Isomorfisme G/ker(φ) ≅ Im(φ).
Definisikan pemetaan ψ: G/ker(φ) → Im(φ) oleh ψ(a ker(φ)) = φ(a).
- Well-defined: Misalkan
a ker(φ) = b ker(φ). Makaa⁻¹b ∈ ker(φ). Ini berartiφ(a⁻¹b) = e'. Karenaφadalah homomorfisme,φ(a⁻¹)φ(b) = e', atau(φ(a))⁻¹φ(b) = e'. Mengalikan dari kiri denganφ(a), kita dapatkanφ(b) = φ(a). Jadi,ψ(a ker(φ)) = φ(a) = φ(b) = ψ(b ker(φ)). Pemetaan ini terdefinisi dengan baik. - Homomorfisme:
ψ((a ker(φ))(b ker(φ))) = ψ((ab) ker(φ)) = φ(ab). Karenaφadalah homomorfisme,φ(ab) = φ(a)φ(b). Danψ(a ker(φ))ψ(b ker(φ)) = φ(a)φ(b). Jadi,ψ((a ker(φ))(b ker(φ))) = ψ(a ker(φ))ψ(b ker(φ)).ψadalah homomorfisme. - Surjektif (Onto): Untuk setiap
y ∈ Im(φ), adaa ∈ Gsedemikian rupa sehinggaφ(a) = y. Makaψ(a ker(φ)) = φ(a) = y. Jadiψsurjektif. - Injektif (One-to-one): Misalkan
ψ(a ker(φ)) = ψ(b ker(φ)). Makaφ(a) = φ(b). Ini berartiφ(a)(φ(b))⁻¹ = e', atauφ(a)φ(b⁻¹) = e', atauφ(ab⁻¹) = e'. Ini berartiab⁻¹ ∈ ker(φ). Karenaab⁻¹ ∈ ker(φ), makaa ker(φ) = b ker(φ). Jadiψinjektif.
Karena ψ adalah homomorfisme yang bijektif (injektif dan surjektif), maka ψ adalah isomorfisme. Ini membuktikan G/ker(φ) ≅ Im(φ).
Teorema ini sangat kuat karena memungkinkan kita untuk memahami struktur grup yang dihasilkan oleh sebuah homomorfisme hanya dengan melihat kernel dan citra. Setiap citra homomorfik dari sebuah grup G selalu isomorfik dengan grup kuosien G oleh kernelnya.
2. Teorema Isomorfisme Kedua
Teorema Isomorfisme Kedua (Diamond Isomorphism Theorem): Misalkan
Gadalah grup,Hadalah subgrup dariG, danNadalah subgrup normal dariG. Maka:
HN = {hn | h ∈ H, n ∈ N}adalah subgrup dariG.H ∩ Nadalah subgrup normal dariH.H / (H ∩ N) ≅ HN / N.
Teorema ini sering disebut "diamond" karena diagram subgrup yang terlibat membentuk bentuk berlian. Ia memberikan cara untuk menghubungkan struktur kuosien dari subgrup H dengan subgrup normal N.
3. Teorema Isomorfisme Ketiga
Teorema Isomorfisme Ketiga: Misalkan
Gadalah grup, danNdanKadalah subgrup normal dariGsedemikian rupa sehinggaN ⊆ K. Maka:
K/Nadalah subgrup normal dariG/N.(G/N) / (K/N) ≅ G/K.
Teorema ini memungkinkan kita untuk "membatalkan" faktor normal yang sama dari grup kuosien. Ini mirip dengan cara kita membatalkan pecahan: (G/N) / (K/N) terlihat seperti (G/N) * (N/K) secara intuitif, yang "membatalkan" N dan menghasilkan G/K. Ini berguna untuk memahami hierarki grup kuosien.
Aplikasi dan Signifikansi Grup Kuosien
Grup kuosien bukanlah sekadar konstruksi teoretis; ia memiliki aplikasi yang luas dan mendalam di berbagai cabang matematika.
1. Penyederhanaan Struktur Grup
Seperti yang telah kita lihat dengan D₄/N ≅ Z₂, grup kuosien memungkinkan kita untuk mengekstrak informasi penting dari sebuah grup dengan "mengabaikan" detail-detail yang ada dalam subgrup normal. Ini adalah alat yang ampuh untuk memahami struktur internal grup yang kompleks. Jika kita memiliki grup G yang besar dan rumit, kita dapat mencari subgrup normal N. Kemudian, kita mempelajari N dan G/N. Dengan memahami kedua grup yang lebih kecil ini, kita bisa mendapatkan wawasan tentang struktur G itu sendiri. Ini adalah prinsip dasar di balik analisis struktur grup, seperti grup terpecahkan (solvable groups) dan grup nilpoten (nilpoten groups), yang didefinisikan berdasarkan keberadaan rantai subgrup normal dengan grup kuosien Abelian.
2. Konstruksi Grup Baru
Grup kuosien tidak hanya menyederhanakan, tetapi juga merupakan cara fundamental untuk membangun grup baru dari grup yang sudah ada. Contoh paling sederhana adalah Z_n, yang merupakan grup kuosien dari Z. Banyak grup penting dalam matematika, termasuk grup siklik hingga dan grup unit dari gelanggang bilangan bulat modulo n, dapat dipahami sebagai grup kuosien dari grup yang lebih besar.
3. Koneksi dengan Teori Bilangan (Aritmetika Modular)
Seperti yang dibahas dalam contoh Z/nZ, grup kuosien adalah fondasi aritmetika modular. Konsep kongruensi (a ≡ b (mod n)) secara formal diungkapkan oleh koset a + nZ. Bidang kriptografi modern, seperti algoritma RSA, sangat bergantung pada prinsip-prinsip aritmetika modular, yang pada gilirannya berakar pada teori grup kuosien. Ini menunjukkan bagaimana konsep aljabar abstrak yang murni dapat memiliki dampak praktis yang signifikan.
4. Topologi Aljabar (Grup Fundamental)
Dalam topologi aljabar, konsep grup kuosien muncul secara alami dalam definisi grup fundamental. Grup fundamental dari ruang topologi (π₁(X, x₀)) adalah grup dari kelas-kelas homotopi loop yang dimulai dan berakhir pada titik dasar x₀. Untuk beberapa konstruksi ruang, terutama ketika membangun ruang kuosien (seperti tori atau permukaan lainnya dari poligon), grup fundamental dari ruang kuosien sering kali dapat dinyatakan sebagai grup kuosien dari grup fundamental ruang aslinya. Misalnya, grup fundamental dari lingkaran adalah Z, dan grup fundamental dari torus (yang dapat dilihat sebagai R²/Z²) adalah Z × Z. Hubungan antara grup-grup ini sering dijelaskan melalui homomorfisme dan kernelnya.
5. Generalisasi ke Struktur Aljabar Lain
Ide di balik grup kuosien tidak terbatas pada grup. Konsep ini digeneralisasi ke struktur aljabar lainnya:
-
Gelanggang Kuosien (Quotient Rings): Dalam teori gelanggang, kita memiliki ideal, yang merupakan analog dari subgrup normal. Jika
Radalah gelanggang danIadalah ideal dariR, maka himpunan kosetR/I = {r+I | r ∈ R}membentuk sebuah gelanggang kuosien. Ini sangat penting dalam aljabar komutatif dan teori Galois, di mana gelanggang kuosien digunakan untuk membangun ekstensi medan dan mempelajari akar-akar polinomial. -
Ruang Kuosien (Quotient Spaces) / Modul Kuosien (Quotient Modules): Dalam aljabar linear, jika
Vadalah ruang vektor danWadalah subruang dariV, kita dapat membentuk ruang kuosienV/W, di mana elemen-elemennya adalah kosetv+W. Ini merupakan ruang vektor, dan dimensinya adalahdim(V) - dim(W). Konsep yang sama berlaku untuk modul kuosien dalam teori modul.
Generalisasi ini menunjukkan bahwa gagasan fundamental dari "mengidentifikasi elemen-elemen yang ekuivalen" untuk membentuk struktur aljabar baru yang lebih sederhana atau lebih terfokus adalah tema yang berulang dan kuat di seluruh aljabar abstrak.
Kesimpulan
Grup kuosien adalah salah satu konstruksi paling mendalam dan bermanfaat dalam aljabar abstrak. Berawal dari konsep dasar grup dan subgrup, kita melihat bagaimana ide koset dan persyaratan krusial dari subgrup normal memungkinkan kita untuk membentuk sebuah struktur grup baru—grup kuosien G/N. Operasi pada koset, yang terdefinisi dengan baik hanya jika subgrupnya normal, memberikan cara yang elegan untuk "memproyeksikan" grup ke dalam bentuk yang lebih sederhana.
Melalui contoh-contoh seperti Z/nZ, R/Z, dan D₄/N, kita telah menyaksikan bagaimana grup kuosien muncul dalam konteks yang berbeda, dari aritmetika modular yang sehari-hari hingga struktur grup non-Abelian yang lebih kompleks. Teorema isomorfisme, khususnya Teorema Isomorfisme Pertama, secara fundamental menghubungkan homomorfisme dengan grup kuosien, mengungkapkan bahwa setiap citra homomorfik dari sebuah grup secara esensial adalah sebuah grup kuosien dari grup aslinya dengan kernelnya.
Dampak grup kuosien meluas jauh melampaui teori grup itu sendiri, membentuk tulang punggung aritmetika modular, memberikan alat penting dalam topologi aljabar, dan menjadi prinsip dasar di balik konstruksi gelanggang kuosien dan ruang kuosien dalam aljabar yang lebih tinggi. Ini adalah konsep yang tidak hanya menyederhanakan, tetapi juga memperkaya pemahaman kita tentang struktur aljabar dan hubungan di antara mereka.
Menguasai grup kuosien membuka pintu untuk pemahaman yang lebih dalam tentang arsitektur matematika dan merupakan langkah esensial dalam perjalanan eksplorasi aljabar abstrak. Keindahannya terletak pada kemampuannya untuk mengambil kompleksitas dan mengungkap pola-pola fundamental yang mendasarinya, mengubah "kebisingan" menjadi "sinyal" yang bermakna dalam bahasa struktur matematika.