Gelanggang (matematika)

Dalam matematika, gelanggang () 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 
Sebuah gelanggang adalah sebuah himpunan R dengan dua operasi biner + dan · yang memenuhi ketiga aksioma berikut, juga disebut aksioma gelanggang

 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).
 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).
 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).
Seperti dijelaskan dalam bagian , 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 .

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 
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 

Contoh paling familiar dari sebuah gelanggang adalah himpunan dari semua bilangan bulat , terdiri dari bilangan

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

Sifat familiar untuk penjumlahan dan perkalian bilangan bulat berfungsi sebagai model untuk aksioma gelanggang.

Contoh: Bilangan bulat modulo 4 

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  atau , sesuai dengan notasi untuk 0, 1, 2, 3. Invers aditif dari setiap  dalam Z4 adalah . Contohnya,

Contoh: Matriks 2-kali-2 

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

Dedekind 
Penelitian gelanggang berawal dari teori gelanggang polinomial dan teori bilangan bulat aljabar. Pada 1871, Richard Dedekind mendefinisikan konsen gelanggang bilangan bulat dari medan bilangan. 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 
Istilah "Zahlring" (gelanggang angka) dibuat oleh David Hilbert pada 1892 dan diterbitkan pada 1897. Menurut Harvey Cohn, Hilbert menggunakan istilah gelanggang yang memiliki sifat "berputar kembali" ke unsur itu sendiri. 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  maka , , , , , dan seterusnya; secara umum, an adalah kombinasi linear integral dari 1, a, dan a2.

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

Identitas perkalian: wajib vs. pilihan 
Fraenkel menetapkan sebuah gelanggang harus memiliki identitas perkalian 1, sedangkan Noether tidak.

Sebagian besar buku aljabar 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, Atiyah dan MacDonald, Bourbaki, Eisenbud, dan Lang. Meskipun begitu, sekarang masih banyak buku yang tidak memerlukan 1.

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." 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".

Dalam kategori kedua, beberapa penulis menggunakan istilah-istilah berikut:

 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, tapi yang kedua bisa jadi membingungkan karena punya arti lain.

Modul 

Konsep modul di atas gelanggang menggeneralisasi konsep ruang vektor (di atas bidang) dengan menggeneralisasi dari perkalian vektor dengan elemen bidang (perkalian skalar) ke perkalian dengan elemen gelanggang. Lebih tepatnya, diberi gelanggang  dengan 1, sebuah modul- dengan  adalah grup abelian dilengkapi dengan operasi  (mengaitkan elemen  ke  elemen  dan elemen ) yang memenuhi aksioma tertentu. Operasi ini biasanya dilambangkan dengan perkalian dan disebut perkalian. Aksioma modul adalah sebagai berikut: untuk  dalam  dan  dalam , maka:
  adalah grup abelian di bawah tambahan.
 
 
 
 
Ketika gelanggang adalah nonkomutatif aksioma-aksioma ini mendefinisikan modul kiri; modul kompleks didefinisikan serupa dengan  dari . Hal ini bukan hanya perubahan notasi, sebagai aksioma terakhir dari modul kanan (yaitu ) menjadi , jika perkalian kiri (dengan elemen gelanggang) digunakan untuk modul kanan.

Contoh dasar modul adalah ideal, termasuk cincin itu sendiri.

Meskipun didefinisikan serupa, teori modul jauh lebih rumit daripada ruang vektor, terutama, karena, tidak seperti ruang vektor, modul tidak dikarakterisasi (hingga isomorfisme) oleh invarian tunggal (dimensi ruang vektor). Secara khusus, tidak semua modul memiliki basis.

Aksioma modul menyiratkan bahwa , di mana minus pertama menunjukkan aditif invers di dalam gelanggang dan minus kedua menunjukkan invers penjumlahan di modul. Menggunakan ini dan menunjukkan penambahan berulang dengan perkalian dengan bilangan bulat positif memungkinkan mengidentifikasi kelompok abelian dengan modul di atas gelanggang bilangan bulat.

Lihat pula 

 Aljabar di atas cincin komutatif
 Kategori gelanggang
 Glosarium teori gelanggang
 Gelanggang non-asosiatif
 Himpunan gelanggang
 Semigelanggang
 Spektrum gelanggang
 Gelanggang komutatif sederhana

Jenis gelanggang khusus:

 Gelanggang Boolean
 Gelanggang Dedekind
 Gelang diferensial
 Gelanggang eksponensial
 Gelanggang terbatas
 Gelanggang Lie
 Gelanggang lokal
 Noetherian dan Gelanggang Artinian
 Gelanggang urutan
 Gelanggang Poisson
 Gelanggang pengurangan
 Gelanggang reguler
 Gelanggang periode
 Gelanggang SBI
 Nilai gelanggang dan gelanggang nilai diskrit

Kutipan

Referensi

Referensi umum 

 
 
 
 
 .
 
 
 
 
 
 
 
 
 .
 
 
 
 .
 
 
 .
 .

Referensi khusus

Sumber primer

Referensi sejarah 

 History of ring theory at the MacTutor Archive 
 Garrett Birkhoff dan Saunders Mac Lane (1996) A Survey of Modern Algebra, edisi ke-5. New York: Macmillan.
 Bronshtein, I. N. dan Semendyayev, K. A. (2004) Handbook of Mathematics, edisi ke-4. New York: Springer-Verlag .
 Faith, Carl (1999) Rings and things and a fine array of twentieth century associative algebra. Mathematical Surveys and Monographs, 65. American Mathematical Society .
 Itô, K. editor (1986) "Rings." §368 dalam Encyclopedic Dictionary of Mathematics, edisi ke-2., Vol. 2. Cambridge, MA: MIT Press.
 Israel Kleiner (1996) "The Genesis of the Abstract Ring Concept", American Mathematical Monthly 103: 417–424 
 Kleiner, I. (1998) "From numbers to rings: the early history of ring theory", Elemente der Mathematik 53: 18–35.
 B. L. van der Waerden (1985) A History of Algebra, Springer-Verlag,

Struktur aljabar
Teori gelanggang