3 teori kongruensi - Info kuliah Dr. Julan Hernadi

3 TEORI KONGRUENSI
Pada bab ini dipelajari aritmatika modular yaitu aritmatika tentang kelas-kelas ekuivalensi, dimana permasalahan dalam teori bilangan disederhanakan dengan cara mengganti setiap bilangan bulat dengan sisanya bila dibagi oleh suatu bilangan bulat tertentu
n.
Ini berdampak pada penggantian himpunan bilangan bulat
bilangan
oleh
Zn
Zn
yang hanya memuat
n
Zn
dengan suatu sistem
elemen. Banyak sifat yang berlaku pada
seperti operasi penjumlahan dan perkalian.
yang terdapat di dalam
Z
Z
diwarisi
Karena hanya berhingga elemen
maka lebih mudah ditangani. Sebelum masuk ke aritmatika
modular diperhatikan dulu masalah sederhana berikut.
Contoh 3.1.
Misalkan hari ini adalah Sabtu, hari apa setelah 100 hari dari sekarang?
Penyelesaian.
Cara 'konyol' menjawab pertanyaan ini adalah menghitung langsung
satu per satu hari-hari pada kalender sampai dengan hari ke 100. Tetapi dengan
mengingat terjadi pengulangan secara periodik setiap 7 hari maka permasalahan
ini mudah diselesaikan dengan menghitung sisanya jika 100 dibagi 7, yaitu
100 = 14 × 7 + 2.
Jadi 100 hari mendatang adalah hari ke 2 dari sekarang, yaitu Senin.
Contoh 3.2.
Apakah 22051946 bilangan kuadrat sempurna?
Penyelesaian.
√
Cara umum untuk menjawab pertanyaan ini adalah dengan menghitung
22051946,
jika hasilnya bulat maka ia kuadrat sempurna. Cara lain adalah den-
gan cara mengkuadratkan bilangan-bilangan bulat, apakah hasilnya ada yang sama
dengan bilangan yang dimaksud. Cara yang paling sederhana adalah dengan menggunakan sifat bilangan kuadrat sempurna, yaitu jika bilangan kuadrat sempurna
dibagi 4 maka sisanya 0 atau 1.
Artinya, jika sisanya selain dari 0 dan 1 maka
dipastikan ia bukan kuadrat sempurna. Diperoleh
22051946 = 220519 × 100 + 46 = 220519 × (25 × 4) + (11 × 4) + 2 = (220519 + 25 + 11) × 4 + 2,
ternyata memberikan sisa 2 sehingga disimpulkan bukan kuadrat sempurna.
39
3 TEORI KONGRUENSI
Kedua contoh ini merupakan masalah sederhana pada aritmatika modular, masih banyak
masalah rumit pada teori bilangan yang hanya dapat diselesaikan dengan mudah melalui
artimatika modular.
3.1 Aritmatika Modular
Denisi 3.1.
dan
b
Misalkan
n
sebuah bilangan bulat positif tertentu. Dua bilangan bulat
dikatakan kongruen modulo
n,
ditulis
a≡b
jika
n
mod(n)
a − b, atau jika a − b = kn untuk suatu bilangan bulat k .
dengan b modulo n, atau a kongruen modulo n dengan b.
membagi selisih
juga, a kongruen
a
Dibaca
Untuk lebih memahami denisi ini kita amati contoh berikut.
Contoh 3.3.
n = 7 maka diperoleh beberapa fakta berikut 3 ≡ 24 mod(7) sebab
3 − 24 = 21 terbagi oleh 7, −31 ≡ 11 mod(7)sebab −31 − 11 = −42 terbagi oleh 7,
−15 ≡ −64 mod(7)sebab −15 + 64 = 49 habis dibagi 7. Tetapi 25 12 mod(7)sebab
25 − 12 = 13 tidak habis dibagi 7, yaitu 25 tidak kongruen dengan 12 modulo 7.
Ambil
Pada bagian lainnya relasi kongruensi ini juga terkadang menggunakan notasi
b(mod n),
atau
a ≡n b.
Bila bilangan modulo
cukup ditulis sederhana dengan
a
sudah dipahami dengan baik maka
a ≡ b.
Bila pada algoritma pembagian, diambil
bulat
n
a ≡
selalu terdapat hasil bagi
q
n
dan sisa
sebagai pembagi maka sebarang bilangan
r
sehingga
a = qn + r, 0 ≤ r < n.
Berdasarkan denisi kongruensi, relasi ini dapat ditulis sebagai
ada
n
pilihan untuk
r
a≡r
mod(n).Karena
maka disimpulkan bahwa setiap bilangan bulat pasti kongruen
0, 1, · · · , n − 1. Khusunya n|a bila hanya bila
a ≡ 0 mod(n). Himpunan bilangan {0, 1, · · · , n−1} disebut residu taknegatif terkecil
modulo n. Secara umum, kumpulan bilangan bulat a1 , a2 , · · · , an dikatakan membangun himpunan lengkap residu modulo n jika setiap bilangan bulat kongruen dengan
salah satu bilangan ak . Dengan kata lain jika a1 , a2 , · · · , an kongruen modulo n dengan
0, 1, · · · , n − 1 dengan urutan yang tidak beraturan.
modulo
n
dengan salah satu bilangan
40
3 TEORI KONGRUENSI
Contoh 3.4.
modulo
7
Bilangan
−12, −4, 11, 13, 22, 82, 91
membentuk himpunan lengkap residu
sebab
−12 ≡ 2, −4 ≡ 3, 11 ≡ 4, 13 ≡ 5, 22 ≡ 1, 82 ≡ 5, 91 ≡ 0.
Jadi prinsipnya dalam suatu himpunan residu lengkap tidak ada dua bilangan yang
saling modulo, misalnya
a2 ≡ a5 .
Berikut sifat dua bilangan bulat sebarang jika mereka
saling modulo.
Teorema 3.1. Untuk sebarang bilangan bulat a dan b, a ≡n b bila hanya bila mereka
memberikan sisa yang sama bila dibagi oleh n.
Bukti.
a ≡n b maka berdasarkan denisi a = b + kn untuk suatu k bulat.
Misalkan b memberikan sisa r jika dibagi n, yaitu b = qn + r , dengan 0 ≤ r < n.
Selanjutnya sisa a jika dibagi n dapat ditemukan sebagai berikut
Karena
a = (qn + r) + kn = (q + k)n + r,
ternyata juga memberikan sisa
yang sama jika dibagi oleh
n,
r.
Sebaliknya, misalkan keduanya memberikan sisa
katakan
a = q1 n + r, b = q2 n + r
maka
a − b = (q1 − q2 )n,
yakni
a ≡ n b.
Kongruensi dapat dipandang sebagai generalisasi dari relasi sama dengan. Bila dua bilangan sama maka mereka kongruen terhadap sebarang modulo. Namun dua bilangan
yang tidak sama boleh jadi mereka kongruen terhadap modulo tertentu. Sebaliknya dua
bilangan yang kongruen modulo tertentu belum tentu sama.
Teorema berikut mem-
berikan sifat-sifat dasar kongruensi.
Teorema 3.2. Misalkan n > 1 sebagai bilangan modulo dan a, b, c, d adalah bilangan
bulat sebarang. Maka pernyataan berikut berlaku :
1. a ≡ a (sifat reeksif)
2. a ≡ b bila hanya bila b ≡ a (simetris)
3. bila a ≡ b dan b ≡ c maka a ≡ c (transitif)
4. bila a ≡ b dan c ≡ d maka a + c ≡ b + d (aditif) dan ac ≡ bd (multiplikatif)
41
3 TEORI KONGRUENSI
5. bila a ≡ b dan k bulat positif sebarang maka ak ≡ bk .
Bukti.
a − a = 0 · n maka disimpulkan a ≡ a. Untuk pernyataan 2, gunakan
denisi yaitu a ≡ b↔ a − b = q · n ↔ b − a = (−q) · n ↔ b ≡ a. Pada pernyataan
3, diketahui a ≡ b dan b ≡ c yaitu a − b = q1 · n dan b − c = q2 · n. Diperoleh
Karena
a − b + b − c = (q1 + q2 ) · n ↔ a − c = q · n,
| {z }
q
a − b = q1 · n dan c − d = q2 · n. Bila
kedua ruas dijumlahkan diperoleh (a+c)−(b+d) = (q1 +q2 )·n, yaitu a+c ≡ b+d.
yakni
a ≡ c.
Untuk pernyataan 4, diketahui
Untuk sifat multiplikatif dicoba sendiri. Pernyataan terakhir dibuktikan dengan
k = 1 maka jelas dipenuhi sebab
k
k
k+1
diketahui a ≡ b. Misalkan berlaku untuk k : a ≡ b maka a
= ak a ≡ bk b = bk+1 ,
yaitu berlaku untuk k + 1.
menggunakan prinsip induksi matematika. Untuk
Contoh 3.5.
Bukti.
Buktikan
41
membagi habis
220 − 1.
Disini kita berhadapan dengan bilangan yang cukup besar sehingga sangat sulit
ditangani langsung.
Dengan menggunakan kongruensi, permasalahan ini dapat
diselesaikan dengan mudah. Ambil bilangan modulo
gan kongruensinya adalah
dalam modulo
4
41.
220 .
41,
arahkan salah satu bilan-
25 ≡ −9
Berangkat dari fakta sederhana
tentunya
Dengan Torema (3.2)(5) maka dengan mempangkatkan dengan
diperoleh
25
sehingga diperoleh
Contoh 3.6.
4
≡ (−9)4 = (81)(81) ≡ (−1)(−1) = 1
220 ≡ 1,
yakni
Tentukan sisanya jika
Penyelesaian.
220 − 1
merupakan kelipatan
1! + 2! + 3! + · · · + 100!
41.
dibagi oleh
12.
Tanpa teori kongruensi masalah ini mungkin tidak dapat diselesaikan.
Mulailah dari suku pada deret tersebut yang habis dibagi
mempunyai
4! = 24 ≡ 0 modulo 12.
12.
Dalam hal ini kita
Karena suku selanjutnya pasti memuat faktor
4! maka suku-suku tersebut juga habis dibagi oleh 12. Jadi, sisanya
1! + 2! + 3! = 9. Karena bilangan ini tidak dapat dibagi 12 maka inilah
dimaksud, yaitu 9.
Pada Teorema (3.2) telah dnyatakan bahwa jika
a≡b
maka
ac ≡ bc
hanyalah
sisa yang
terhadap modulo
yang sama. Sebaliknya, belum ada sifat kanselasi atau pembagian yang membawa
bc
menjadi
a ≡ b.
ac ≡
Ternyata sifat ini tidak berlaku otomatis, seperti diberikan pada
teorema berikut.
42
3 TEORI KONGRUENSI
Teorema 3.3. Jika ac ≡ bc(mod n)maka a ≡ b(mod nd )dimana d = gcd(c, n).
Bukti.
Berdasarkan hipotesis dapat ditulis
(a − b)c = ac − bc = k · n
untuk suatu
s :=
k
bulat. Karena
n
adalah prima relatif.
d
d = gcd(c, n) maka kedua bilangan bulat r := dc dan
Substitusi c = dr dan n = ds ke dalam persamaan
sebelumnya diperoleh
(a − b)dr = k(ds) → (a − b)r = k · s
s|(a−b)r.
a ≡ c(mod nd ).
Jadi,
Karena
gcd(r, s) = 1 maka s|(a−b) yang berarti a ≡ b(mod s)atau
Akibat 3.1. Jika ac ≡ bc(mod n)dan gcd(c, n) = 1 maka a ≡ b(mod n).
c pada ac ≡ bc
p - c maka gcd(p, c) = 1.
Akibat ini menyatakan bahwa kita dapat melakukan kanselasi
dan
n
prima relatif. Amati bahwa jika
p
prima dan
asalkan
c
Fakta ini
menghasilkan akibat berikut.
Akibat 3.2. Jika p prima, p - c dan ac ≡ bc(mod p)maka a ≡ b(mod p).
Contoh 3.7.
Sederhanakan kongruensi berikut:
Penyelesaian.
33 ≡ 15(mod 9)dan −35 ≡ 45(mod 8).
Kongruensi pertama diselesaikan sebagai berikut:
33 ≡ 15(mod 9) ↔ 11 · 3 ≡ 5 · 3(mod 9) ↔ 11 ≡ 5(mod 9)
sebab
gcd(3, 9) = 3.
Untuk kongruensi kedua diselesaikan sejalan,
−35 ≡ 45(mod 8) ↔ 5 · (−7) ≡ 5 · 9(mod 8) ↔ −7 ≡ 9(mod 8)
sebab
5
dan
8
prima relatif.
3.2 Kelas-kelas Ekuivalensi
Pada Teorema (3.2), sifat reeksif, simetris dan transitif menunjukkan bahwa untuk
sebarang
ibatnya,
n bulat positif, relasi kongruensi ≡n merupakan relasi ekuivalensi pada Z. Akhimpunan Z terpartisi atas kelompok-kelompok yang saling asing yang disebut
43
3 TEORI KONGRUENSI
kelas-kelas ekuivalensi.
Kelas-kelas ekuivalensi ini dinyatakan dengan notasi
[a]n dan
didenisikan sebagai
[a]n : = {b ∈ R : a ≡ b(mod n)}
= {· · · , a − 2n, a − n, a, a + n, a + 2n, · · · } .
[a]n merupakan himpunan semua bilangan bulat yang kongruen modulo n dengan a.
Kita memandang para bilangan di dalam [a]n ini sebagai satu kesatuan. Bila bilangan
modulo n sudah dipastikan maka cukup menggunakan notasi [a] untuk maksud [a]n .
Karena pembagian dengan n akan memberikan n kemungkinan sisa r = 0, 1, · · · , n − 1
sehingga setiap bilangan pada Z pasti kongruen dengan salah satu sisa tersebut. Jadi
sesungguhnya bilangan bulat Z terpartisi atas n kelas ekuivalensi, yaitu
Jadi
[0] = {· · · , −2n, n, 0, n, 2n, · · · }
[1] = {· · · , 1 − 2n, 1 − n, 1, 1 + n, 1 + 2n, · · · }
[2] = {· · · , 2 − 2n, 2 − n, 2, 2 + n, 2 + 2n, · · · }
.
.
.
[n − 1] = {· · · , −n − 1, −1, n − 1, 2n − 1, 3n − 1, · · · }
Tidak ada kelas ekuivalensi lainnya. Bila dilanjutkan maka kelas ekuivalensi berikutnya
kembali ke semula. Misalnya,
[n] = {· · · − n, 0, n, 2n, 3n, · · · } = [0].
Secara umum berlaku
[a] = [b] ←→ a ≡ b(mod n).
Contoh 3.8.
Untuk
n=1
hanya terdapat 1 kelas ekuivalensi, yaitu
[0] = {0 + k · 1 : k ∈ Z} = {k : k ∈ Z} = Z.
Untuk
n=2
terdapat dua kelas ekuivalensi, yaitu
[0] = {0 + k · 2 : k ∈ Z} = {2k : k ∈ Z} = 2Z
[1] = {1 + k · 2 : k ∈ Z} = {2k + 1 : k ∈ Z} = 2Z + 1. 44
(3.1)
3 TEORI KONGRUENSI
Denisi 3.2.
Untuk suatu
n≥1
yang diberikan,
kelas-kelas ekuvalensi terhadap modulo
n,
Zn
didenisikan sebagai himpunan
yaitu
Zn := {[0], [1], · · · , [n − 1]}
Selanjutnya, pada
Zn
(3.2)
didenisikan operasi penjumlahan, pengurangan dan perkalian
berikut:
[a] + [b] := [a + b], [a] − [b] = [a − b], [ab] = [a][b]
untuk setiap
Perbedaan
(3.3)
[a], [b] ∈ Zn .
Z
dan
Zn
dapat dijelaskan sebagai berikut:
Z
merupakan himpunan semua
bilangan bulat sehingga banyak anggotanya takberhingga, sedangkan
himpunan yang memuat kelas-kelas ekuivalensi. Jadi banyak anggota
Zn
merupakan
Zn berhingga yaitu
n anggota, sedangkan masing-masing kelas mempunyai takberhingga anggota.
Setiap a ∈ Z, pasti termuat ke dalam salah satu kelas ekuivalensi di dalam Zn . Ilustrasi
hanya
kelas-kelas ekuivalensi ditunjukkan pada Gambar berikut.
[1]
[0]
[3]
[2]
...
[n-1]
Figure 3.1: Kelas-kelas ekuivalensi pada
Contoh 3.9.
Tentukan residu taknegatif terkecil modulo
Penyelesaian.
35.
35
Z
dari
28 × 33.
Pertanyaan ini sama saja dengan menentukan sisa
28 × 33
Gunakan kongruensi,
28 ≡ −7, 33 ≡ −2 −→ 28 × 33 ≡ (−7)(−2) = 14
45
jika dibagi
3 TEORI KONGRUENSI
karena
adalah
0 ≤ 14 < 35
14. Coba cek
maka disimpulkan residu teknegatif terkecil yang dimaksud
pakai kalkulator!
Contoh 3.10.
Tentukan digit terakhir angka desimal dari
Penyelesaian.
Digit terakhir hanya ditentukan oleh suku-suku yang angka desimalnya
tidak 0. Perhatikan pertama bilangan
pasti kelipatan
10.
1! + 2! + 3! + · · · + 10!.
5! = 5·4·3·2·1 = 120.
Bilangan selanjutnya
Jadi dapat ditulis
1! + 2! + 3! + 4! + · · · + 10! = 1 + 2 + 6 + 24 + 10k = 33 + 10k = 3 + (3 + k)10.
0 maka disimpulkan digit
Karena suku kedua bilangan terakhir ini berakhir dengan
terakhir yang dimaksud adalah
3.
3.3 Kongruensi Linier
Denisi 3.3. Sebuah persamaan yang berbentuk ax ≡ b(mod n)disebut kongruensi
linier. Penyelesaiannya adalah setiap bilangan x0 yang memenuhi ax0 ≡ b(mod n).
x0
y0 .
Dengan denisi ini untuk setiap penyelesaian
ax0 − ny = b
ax ≡ b(mod n)
untuk suatu bilangan bulat
berlaku
n|(ax0 − b),
ekuivalen dengan
Jadi menyelesaikan kongruensi linier
sama saja dengan menyelesaikan persamaan Diophantine
ax0 − ny0 = b
Pada kongruensi linier
b,
jadi
x0
ax ≡ b(mod n),
jika
x
penyelesaian dan
juga merupakan penyelesaian. Walaupun
x
dan
x0
x0 ≡ x
maka
ax0 ≡ ax =
berbeda dalam arti biasa
namun mereka dianggap 'sama' karena membentuk kelas ekuivalensi. Sebagai contoh,
x = 3
dan
x = −9
keduanya memenuhi
3x ≡ 9(mod 12)
sebab
3 ≡ −9(mod 12).
Kedua penyelesaian ini dianggap sama. Banyaknya penyelesaian dihitung berdasarkan
banyaknya penyelesaian yang tidak kongruen.
Teorema 3.4. Jika d = gcd(a, n) maka kongruensi linier
ax ≡ b(mod n)
mempunyai penyelesaian jika hanya jika d|b. Jika d|b dan x0 penyelesaian penyelesaian
46
3 TEORI KONGRUENSI
tertentu (khusus) maka penyelesaian umumnya diberikan oleh
x = x0 +
n
t, t ∈ Z.
d
Khususnya, para penyelesaian ini membentuk tepat d kelas-kelas ekuivalensi dengan representasi
n
n
n
, x0 + (2), · · · , x0 + (d − 1).
d
d
d
Bukti. Karena kongruensi linier ax ≡ b(mod n) ekuivalen dengan persamaan Diophantine ax − ny = b maka ia mempunyai penyelesaian jika d = gcd(a, n) membagi b,
yaitu d|b. Bila x0 dan y0 penyelesaian khusus persamaan ini maka penyelesaian
x = x0 , x0 +
umumnya dapat disajikan sebagai
x = x0 +
n
a
t, y = y0 + t.
d
d
d penyelesaian berdasarkan kelas, x0 + (d−1)t
. Untuk ini pertama dibukd
Selanjutnya ditunjukkan hanya terdapat tepat
kelas ekuivalensi
x = x0 , x0 +
t
, x0
d
+
2t
,···
d
tikan tidak ada para panyelesaian ini yang kongruen satu sama lainnya. Andaikan
ada dua yang kongruen, katakan
x0 +
Akhirnya diperoleh
x0 + nd t1
dan
x0 + nd t2
maka diperoleh
n
n
t2 ≡ x0 + t1 (mod n), 0 ≤ t1 ≤ t2 < d
d
d
n
n
t2 ≡
t1 (mod n)
d
d
n n
,n = .
t2 ≡ t1 (mod d), sebab gcd
d
d
d|(t2 − t1 ).
Hal in tidaklah mungkin karena
t2 − t1 < d.
Kontradiksi. Jadi disimpulkan semua penyelesaian ini tidak ada yang kongruen,
atau mereka dianggap penyelesaian yang berbeda. Dibuktikan juga bahwa selain
dari penyelesaian tersebut yaitu
x = x0 + nd t, t = d, d + 1, · · ·
kongruen dengan
salah satu penyelesaian tersebut. Berdasarkan algoritma pembagian, dapat ditulis
t = qd + r, 0 ≤ r < d
sehingga
x0 +
Padahal,
n
n
t = x0 + (qd + r)
d
d
n
= x0 + nq + r
d
n
≡ x0 + r(mod n).
d
x0 + nd r(mod n) merupakan salah satu penyelesaian yang sudah ada.
47
3 TEORI KONGRUENSI
Akibat 3.3. Bila gcd(a, n) = 1 maka kongruensi linier ax ≡ b(mod n) mempunyai tepat
satu penyelesaian.
Contoh 3.11.
Diperhatikan kongruensi linier
ini mempunyai penyelesaian?
18x ≡ 30(mod 42).
Apakah kongruensi
Bila iya, ada berapa penyelesaian berbeda?
Temukan
penyelesaian tersebut!
Penyelesaian.
Karena
d = gcd(18, 42) = 6
dan ia membagi
30
maka disimpulkan kon-
gruensi ini mempunyai penyelesaian, dengan banyak penyelesaian berbeda
6 buah.
Untuk menyelesaikan kongruensi ini, ubah dulu ke dalam bentuk persamaan Diophantine berikut
18x − 42y = 30.
Tapi cara ini cukup panjang. Cara lain dapat
pula dengan melakukan inspeksi langsung, yaitu dapat diperiksa bahwa
x0 = 4
adalah salah satu penyelesaian. Penyelesaian umumnya dapat ditulis sebagai
x = 4 + 7t(mod 42), t = 0, 1, · · · , 5
atau
x = 4, 11, 18, 25, 32, 39(mod 42).
Contoh 3.12.
Selesaikan kongruesi linier berikut
(i) 9x ≡ 21(mod 30)
(ii) 7x ≡ 3(mod 12)
(iii) 10x ≡ 6(mod 12)
3.4 Sistem kongruensi linier satu variabel
Diperhatikan terlebih dulu puzzle berikut
Aku adalah sebuah bilangan. Jika dibagi 3 bersisa 2, dibagi dengan 5 bersisa
3 dan dibagi dengan 7 bersisa 2. Bilangan apakah aku?
Puzzle seperti ini muncul awal abad 1 Masehi pada literatur Cina oleh Sun-Tsu dan
kemudian muncul juga di kalangan matematikawan Yunani sekitar tahun 100 M.
Bentuk umum sistem kongruensi linier satu variabel adalah
a1 x ≡ b1 (mod m1 ), a2 ≡ b2 (mod m2 ), · · · , ar ≡ br (mod mr )
48
(3.4)
3 TEORI KONGRUENSI
Diasumsikan bilangan modulo
mk
prima relatif secara berpasangan. Sebagai ilustrasi,
gcd(m1 , m2 ) = d 6= 1 maka kita dapat menyederhanakan kedua kongruensi a1 x ≡
b1 (mod m1 ) dan a2 x ≡ b2 (mod m2 ). Agar sistem ini mempunyai penyelesaian maka
bila
haruslah tiap-tiap kongruensi mempunyai penyelesaian. Agar tiap-tiap kongruensi mem-
dk |bk untuk setiap k = 1, · · · , r dimana dk = gcd(ak , mk ).
punyai penyelesaian maka haruslah
Pada kongruensi ke
k
dapat ditulis
ak x ≡ bk (mod mk ) → a0k x ≡ b0k (mod nk )
dimana
nk =
mk
,
dk
a0k =
ak
dan
dk
b0k =
bk
. Sekarang sistem kongruensi linier (3.4) menjadi
dk
a01 x ≡ b01 (mod n1 ), a02 x ≡ b02 (mod n2 ), · · · , a0r x ≡ b0r (mod nr )
dimana
gcd(ni , nj ) = 1
untuk
i 6= j
dan
gcd(a0i , ni ) = 1.
(3.5)
Dengan demikian sistem kon-
gruensi (3.5) terjamin mempunyai penyelesaian. Misalkan penyelesaian untuk masingmasing kongruensi adalah sebagai berikut
x ≡ c1 (mod n), x ≡ c2 (mod n2 ), · · · , x ≡ cr (mod nr ).
(3.6)
Bentuk terakhir lebih sederhana inilah yang akan diselesaikan. Kembali ke puzzle sebelumnya, sesungguhnya kita dapat menterjemahkan masalah tersebut ke dalam sistem
kongruensi linier satu variabel berikut,
x ≡ 2(mod 3), x ≡ 3(mod 5), x ≡ 2(mod 7).
Untuk menyelesaikan masalah seperti ini kita pahami dulu Teorema Sisa Cina (TSC)
berikut.
Teorema 3.5. Misalkan n1 , n2 , · · · , nr bilangan bulat positif sehingga gcd(ni , nj ) = 1
untuk i 6= j . Maka sistem kongruensi linier satu variabel berikut
x ≡ a1 (mod n1 )
x ≡ a2 (mod n2 )
..
.
x ≡ ar (mod nr )
mempunyai penyelesaian, dimana penyelesaian tersebut tunggal terhadap modulo n :=
49
3 TEORI KONGRUENSI
n1 n2 · · · nr .
Bukti.
Diketahui
n = n1 n2 · · · nr .
Untuk setiap
Nk =
k = 1, 2, · · · , r
misalkan
n
= n1 · · · nk−1 nk+1 · · · nr .
nk
n1 , n2 , · · · dimana suku nk dihilangkan. Satu fakta yang langsung diketahui adalah nk |Ni bila i 6= k . Karena
para nk prima relatif secara berpasangan maka berlaku gcd(Nk , nk ) = 1. Sekarang
untuk setiap k , dibangun kongruensi linier
Dengan kata lain
Nk
adalah perkalian suku-suku
Nk x ≡ 1(mod nk ).
gcd(Nk , nk ) = 1 maka kongruensi linier
tunggal xk . Sekarang denisikan kombinasi
Karena
ini terjamin mempunyai peyelesa-
ian
linier
x = a1 N1 x1 + a2 N2 x2 + · · · + ar Nr xr .
Karena
nk |Ni
untuk
i 6= k
Ni ≡ 0(mod nk ).
maka berlaku
Karena itu maka
diperoleh
x = a1 N1 x1 + · · · + ak Nk xk + · · · + ar Nr xr ≡ ak Nk xk (mod nk ).
Karena
xk penyelesaian Nk x ≡ 1(mod nk ), yaitu Nk xk ≡ 1(mod nk ) maka haruslah
x ≡ ak · 1(mod nk ) ≡ ak (mod nk ).
Ternyata
x
adalah penyelesaian bersama sistem kongruensi yang dimaksd. Untuk
membuktikan ketunggalannya, misalkan
x0
penyelesaian lainnya. Maka berlaku
x ≡ ak ≡ x0 (mod nk ), k = 1, 2, · · · , r
dengan memenuhi kondisi
0
n := n1 n2 · · · nr |x − x .
nk |x − x0
k . Karena gcd(ni , nj ) = 1
x ≡ x (mod n).
untuk setiap
Jadi, berlaku
50
0
maka
3 TEORI KONGRUENSI
Contoh 3.13.
Kembali ke puzzle di atas yang berupa sistem kongruensi linier berikut
x ≡ 2(mod 3)
x ≡ 3(mod 5)
x ≡ 2(mod 7).
Selesaikan sistem kongruensi linier ini.
Penyelesaian.
Gunakan TSC, yaitu
N1 =
n = 3 · 5 · 7 = 105
dan
n
n
n
= 35, N2 = = 21, N3 = = 15.
3
5
7
Sekarang diperhatikan 3 kongruensi linier
35x ≡ 1(mod 3), 21x ≡ 1(mod 5), 15x ≡ 1(mod 7)
berturut-turut dipenuhi oleh
x1 = 2, x2 = 1, x3 = 1.
Jadi penyelesaian sistem
kongruensi semula adalah
x = 2 · 35 · 2 + 3 · 21 · 1 + 2 · 15 · 1 = 233.
Secara umum penyelesaian tersebut adalah
x ≡ 233(mod 105) ≡ 23(mod 105).
Coba cek
x = 23, 128, · · ·
adalah bilangan yang dimaksud. Bila diminta penyele-
saian bulat positif terkecil maka jawabnya adalah
x = 23.
Diperhatikan kongruensi linier tunggal dipecah ke dalam bentuk sistem kongruensi
seperti pada contoh berikut.
Contoh 3.14.
Diberikan kongruensi linier berikut
17x ≡ 9(mod 276).
Selesaikan kongruensi ini dengan terlebih dahulu membentuk sistem kongruensi linier.
Penyelasaian.
Karena
276 = 3 · 4 · 23
maka kongruensi ini sama saja dengan menen-
tukan penyelesaian sistem kongruensi
17x ≡ 9(mod 3), 17x ≡ 9(mod 4), 17x ≡
51
3 TEORI KONGRUENSI
x ≡ 0(mod 3), x ≡ 1(mod 4), 17x ≡
Untuk kongruensi x ≡ 0(mod 3) memberikan hasil x = 3k , k ∈ Z .
Substitusi hasil ini kedalam kongruensi kedua diperoleh 3k ≡ 1(mod 4). Kedua
ruas dikalikan 3 dan dengan mengingat k ≡ 9k modulo 4 maka diperoleh
9(mod 23),
9(mod 23).
atau disederhanakan menjadi
k ≡ 9k ≡ 3(mod 4).
Jadi
k = 4j + 3, j ∈ Z .
Bentuk baru
x menjadi x = 3(3 + 4j) = 9 + 12j .
Substitusi
hasil ini kedalam kongruensi terakhir diperoleh
17(9 + 4j) ≡ 9(mod 23),
atau
204j ≡ −144(mod 23).
3j ≡ 6(mod 23), yakni j ≡ 2(mod 23). Bentuk ini dipenuhi
j = 2 + 23t, t ∈ Z . Substitusi ke bentuk x = 9 + 12j = 33 + 276t, atau
Hasilnya adalah
oleh
x ≡ 33(mod 276)
adalah penyelesaian
17x ≡ 9(mod 276).
3.5 Sistem kongruensi linier 2 variabel
Di sini kita mempunyai dua kongruensi dengan variabel
x
dan
y
tetapi bilangan modu-
lonya sama. Bentuk umumnya dapat disajikan sebagai berikut
ax + by ≡ r(mod n)
(3.7)
cx + dy ≡ s(mod n).
(3.8)
Eksistensi penyelesaian sistem (3.7)-(3.8) disajikan pada teorema berikut.
Teorema 3.6. Jika gcd(ad−bc, n) = 1 maka sistem (3.7)-(3.8) mempunyai penyelesaian
tunggal.
Bukti.
Eliminasi variabely dengan cara berikut. Kalikan (3.7) dengan
gan
b,
d
dan (3.8) den-
kemudian dikurangkan. Diperoleh hasil
(ad − bc)x ≡ dr − bs(mod n)
52
(3.9)
3 TEORI KONGRUENSI
Dengan asumsi
gcd(ad − bc, n) = 1
1(mod n) mempunyai
t. Kalikan kongruensi
maka menjamin kongruensi
(ad − bc)z ≡
penyelesaian tunggal, katakan penyelesaian tersebut adalah
(3.9) dengan
t
diperoleh
x ≡ t(dr − bs)(mod n).
Variabel
x
dapat dieliminasi dengan cara serupa, hasilnya adalah
(ad − bc)y ≡ as − cr(mod n)
Akhir dengan mengalikan kongruensi ini dengan
t
(3.10)
diperoleh penyelesaian untuk
y
sebagai berikut
y ≡ t(as − cr)(mod n). Diperhatikan bukti eksistensi pada teorema ini adalah konstruktif sehingga dapat digunakan langsunguntuk menentukan penyelesaiannya.
Contoh 3.15.
Diperhatikan sistem kongruensi linier berikut
7x + 3y ≡ 10(mod 16)
2x + 5y ≡ 9(mod 16).
Penyelesaian.
Coba lakukan langkah-langkah seperti pembuktian teorema di atas, beres....
Sekarang semua soal (ada 20 soal) pada Problems 4.4 dapat dibabat habis ..... bis....
53