Pengantar Teori Bilangan
Kuliah 10
Materi Kuliah
Chinese Remainder Theorem (Teorema Sisa Cina)
2/5/2014 Yanita, FMIPA Matematika Unand 2
Pengantar
• Chinese Remainder Theorem (Teorema sisa Cina) adalah hasil tentang Kongruen di teori bilangan dan digeneralisasi dalam aljabar abstrak.
• Pertama kali dipublikasikan pada abad ke-3 sampai abad ke-5 oleh Sun Tzu seorang matematikawan Cina.
Pertama ditemukan pada teka-teki Cina kuno:
Ada beberapa bilangan yang tidak diketahui.
Bilangan itu dibagi 3, sisanya adalah 2;
Bilangan itu dibagi oleh 5, sisanya adalah 3;
Bilangan itu dibagi oleh 7 sisanya adalah 2;
Bilangan yang manakah itu?
Dalam notasi matematika
𝑥 = 2 (mod 3) 𝑥 = 3 (mod 5) 𝑥 = 2 (mod 7)
2/5/2014 Yanita, FMIPA Matematika Unand 3
Chinese Remainder Theorem
Misalkan 𝑛 1 , 𝑛 2 , … , 𝑛 𝑟 bilangan bulat positif sedemikian sehingga 𝑝𝑝𝑏 𝑛 𝑖 , 𝑛 𝑗 = 1 untuk 𝑖 ≠ 𝑗 . Maka system kongruen linier
𝑥 ≡ 𝑎 1 (𝑚𝑜𝑑 𝑛 1 ) 𝑥 ≡ 𝑎 2 (𝑚𝑜𝑑 𝑛 2 ) 𝑥 ≡ 𝑎 𝑟 (𝑚𝑜𝑑 𝑛 ⋮ 𝑟 )
mempunyai solusi simultan, yang tunggal modulo bilangan bulat 𝑛 1 𝑛 2 … 𝑛 𝑟
2/5/2014 Yanita, FMIPA Matematika Unand 4
Bukti Chinese Remainder Theoremn
Bentuk hasilkali𝑛 = 𝑛1𝑛2 … 𝑛𝑟.
Untuk setiap 𝑘 = 1,2, … , 𝑟, misalkan 𝑁𝑘 = 𝑛𝑛
𝑘 = 𝑛1𝑛2… 𝑛𝑘−1𝑛𝑘+1… 𝑛𝑟. Atau, 𝑁𝑘 adalah hasilkali semua bilangan bulat 𝑛𝑖 dengan factor 𝑛𝑘 dihapuskan.
Diketahui bahwa 𝑝𝑝𝑏 𝑛𝑖, 𝑛𝑗 = 1 untuk 𝑖 ≠ 𝑗 atau 𝑛𝑖 relative prima dengan 𝑛𝑗 untuk 𝑖 ≠ 𝑗. Dengan demikian diperoleh 𝑝𝑝𝑏 𝑁𝑘, 𝑛𝑘 = 1.
Berdasarkan teori kongruen linier tunggal, hal ini memungkinkan untuk menyelesaikan kongruen 𝑁𝑘𝑥 ≡ 1 (mod 𝑛𝑘), sebutlah solusi tunggal𝑥𝑘.
Tujuannya adalah untuk membuktikan bahwa bilangan
𝑥 = 𝑎1𝑁1𝑥1 + 𝑎2𝑁2𝑥2 + ⋯ + 𝑎𝑟𝑁𝑟𝑥𝑟 = 𝑎𝑘𝑁𝑘𝑥𝑘 (𝑚𝑜𝑑 𝑛𝑘) adalah solusi simultan dari system kongruen linier yg diberikan.
Pertama, amati bahwa𝑁𝑖 ≡ 0 (mod 𝑛𝑘) untuk 𝑖 ≠ 𝑘, karena 𝑛𝑘|𝑁𝑖 Hasilnya adalah
𝑥 = 𝑎1𝑁1𝑥1 + 𝑎2𝑁2𝑥2 + ⋯ + 𝑎𝑟𝑁𝑟𝑥𝑟 = 𝑎𝑘𝑁𝑘𝑥𝑘 (𝑚𝑜𝑑 𝑛𝑘)
Tapi 𝑥𝑘 bilangan bulat yang dipilih untuk memenuhi kongruen 𝑁𝑘𝑥 ≡ 1 (mod 𝑛𝑘), yang menyebabkan 𝑥 ≡ 𝑎𝑘. 1 ≡ 𝑎𝑘 (mod 𝑛𝑘)
Ini menunjukkan bahwa solusi untuk system kongruen yang diberikan ada.
Untuk menunjukkan ketuanggalannya, misalkan 𝑥′ adalah sebarang bilangan bulat yang memenuhi system kongruen ini. Maka 𝑥 ≡ 𝑎𝑘 ≡ 𝑥′ (mod 𝑛𝑘) 𝑘 = 1,2, … , 𝑟
dan selanjutnya 𝑛𝑘| 𝑥 − 𝑥′ untuk setiap nilai 𝑘. Karena 𝑝𝑝𝑏 𝑛𝑖, 𝑛𝑗 = 1, maka diperoleh 𝑛1𝑛2… 𝑛𝑟| 𝑥 − 𝑥′, karenanya 𝑥 ≡
𝑥′ (mod 𝑛𝑘). 5
Dengan Chinese Remainder Theorem, maka langkah penyelesaian suatu system kongruen linier adalah:
Misalkan system kongruen linier 𝑥 ≡ 𝑎
1(𝑚𝑜𝑑 𝑛
1)
𝑥 ≡ 𝑎
2(𝑚𝑜𝑑 𝑛
2)
⋮ 𝑥 ≡ 𝑎
𝑟(𝑚𝑜𝑑 𝑛
𝑟)
Maka langkah untuk mencari solusi system ini:
1. Periksa 𝑝𝑝𝑏(𝑛
𝑖, 𝑛
𝑗) untuk 𝑖 ≠ 𝑗, jika 𝑝𝑝𝑏 𝑛
𝑖, 𝑛
𝑗= 1 maka system punya solusi.
2. Tentukan 𝑛 = 𝑛
1𝑛
2… 𝑛
𝑟dan 𝑁
𝑘=
𝑛𝑛𝑘
= 𝑛
1𝑛
2… 𝑛
𝑘−1𝑛
𝑘+1… 𝑛
𝑟, 𝑘 = 1,2, … , 𝑟.
3. Selesaikan 𝑁
𝑘𝑥
𝑘≡ 1 (mod 𝑛
𝑘), 𝑘 = 1,2, … , 𝑟.
4. Solusinya adalah 𝑥 ≡ (𝑎
1𝑁
1𝑥
1+ 𝑎
2𝑁
2𝑥
2+ ⋯ + 𝑎
𝑟𝑁
𝑟𝑥
𝑟) (𝑚𝑜𝑑 𝑛)
2/5/2014 Yanita, FMIPA Matematika Unand 6
Contoh 1
Dengan Chinese Remainder Theorem, carilah solusi untuk system kongruen linier berikut:
𝑥 ≡ 3 (mod 4) 𝑥 ≡ 2 (mod 3) 𝑥 ≡ 4(mod 5)
Perhatikan bahwa system ini terdiri dari 3 persamaan konruen linier, jadi 𝑘 = 1,2,3. Dari system diperoleh 𝑎1 = 3, 𝑎2 = 2, 𝑎3 = 4, 𝑛1 = 4, 𝑛2 = 3, 𝑛3 = 5.
1. Oleh karena 𝑝𝑝𝑏 4,3 = 𝑝𝑝𝑏 4,5 = 𝑝𝑝𝑏 3,5 = 1, maka system ini punya solusi.
2. Nilai 𝑛 = 𝑛1𝑛2𝑛3 = 4.3.5 = 60 dan 𝑁1 = 𝑛
𝑛1 = 60
4 = 15;
𝑁2 = 𝑛𝑛
2 = 603 = 20;
𝑁3 = 𝑛𝑛
3 = 605 = 12.
3. Selesaikan 𝑁𝑘𝑥𝑖 ≡ 1 (mod 𝑛𝑘), 𝑘 = 1,2,3, yaitu 15𝑥1 ≡ 1 mod 4
20𝑥2 ≡ 1 mod 3 12𝑥3 ≡ 1 mod 5
Dengan menggunakan solusi dalam persamaan kongruen linier, maka
solusi untuk 15𝑥1 ≡ 1 mod 4 adalah :
15𝑥1 ≡ 1 mod 4 ekivalen dengan 15𝑥1 − 1 = 4𝑘 . Diperoleh 𝑥1 = 1+4𝑘
15 . Nilai 𝑘 = 11 menyebakan 𝑥1 = 3.
Dengan cara yang sama, diperoleh 𝑥2 = 2, dan 𝑥3 = 3.
4. Solusinya adalah
𝑥 = (𝑎1𝑁1𝑥1 + 𝑎2𝑁2𝑥2 + 𝑎3𝑁3𝑥3) (mod 𝑛)
= (3.15.3 + 2.20.2 + 4.12.3) (mod 60)
= 359 (𝑚𝑜𝑑 60)
= 59 (𝑚𝑜𝑑 60) Jadi solusi untuk
𝑥 ≡ 3 (mod 4) 𝑥 ≡ 2 (mod 3) 𝑥 ≡ 4(mod 5) adalah 𝑥 ≡ 59 (mod 60)
Yanita, FMIPA Matematika Unand 7
Contoh 2
Dengan menggunakan Chinese Remainder Theorem, carilah solusi untuk system kongruen linier berikut:
𝑥 = 2 (mod 3) 𝑥 = 3 (mod 5) 𝑥 = 2 (mod 7)
Perhatikan bahwa system ini terdiri dari 3 persamaan konruen linier, jadi 𝑘 = 1,2,3. Dari system diperoleh 𝑎1 = 2, 𝑎2 = 3, 𝑎3 = 2, 𝑛1 = 3, 𝑛2 = 5, 𝑛3 = 7.
1. Oleh karena 𝑝𝑝𝑏 3,5 = 𝑝𝑝𝑏 3,7 = 𝑝𝑝𝑏 5,7 = 1 , maka system ini punya solusi.
2. Nilai 𝑛 = 𝑛1𝑛2𝑛3 = 3.5.7 = 105 dan 𝑁1 = 𝑛𝑛
1 = 1053 = 35;
𝑁2 = 𝑛𝑛
2 = 1055 = 21;
𝑁3 = 𝑛𝑛
3 = 1057 = 15.
3. Selesaikan 𝑁𝑘𝑥𝑘 ≡ 1 (mod 𝑛𝑘), 𝑘 = 1,2,3, yaitu 35𝑥1 ≡ 1(mod 3)
21𝑥2 ≡ 1 (mod 5) 15𝑥3 ≡ 1 (mod 7)
Dengan menggunakan solusi dalam persamaan kongruen linier, maka
solusi untuk 35𝑥1 ≡ 1 mod 3 adalah :
35𝑥1 ≡ 1 mod 3 ekivalen dengan 35𝑥1 − 1 = 3𝑘.
Diperoleh 𝑥1 = 1+3𝑘35 . Nilai 𝑘 = 23 menyebakan 𝑥1 = 2.
Dengan cara yang sama, diperoleh 𝑥2 = 1, dan 𝑥3 = 1.
4. Solusinya adalah
𝑥 ≡ (𝑎1𝑁1𝑥1 + 𝑎2𝑁2𝑥2 + 𝑎3𝑁3𝑥3) (mod 𝑛)
≡ (2.35.2 + 3.21.1 + 2.15.1) (mod 105)
≡ 233 (mod 105)
≡ 23 (mod 105) Jadi solusi untuk
𝑥 ≡ 3 (mod 4) 𝑥 ≡ 2 (mod 3) 𝑥 ≡ 4(mod 5) adalah 𝑥 ≡ 23 (mod 105)
Yanita, FMIPA Matematika Unand 8
Dengan Chinese Remainder Theorem, langkah penyelesaian jika persamaan kongruen linier yang diketahui:
1. Dari persamaan kongruen linier 𝑎𝑥 ≡ 𝑏 (mod 𝑛), maka cari faktorisasi prima dari 𝑛, yaitu 𝑛 = 𝑛 1 𝑛 2 … 𝑛 𝑟 dengan 𝑛 𝑖 adalah prima, 𝑖 = 1,2, … 𝑟
2. Selesaikan system 𝑎𝑎 𝑘 ≡ 𝑏 (mod 𝑛 𝑖 ) , 𝑘 = 1,2, … , 𝑟 . Untuk mendapatkan nilai 𝑎 𝑖 .
3. Cari 𝑁 𝑘 = 𝑛 𝑛
𝑘 dengan 𝑘 = 1,2, … , 𝑟 dan selesaikan system 𝑁 𝑘 𝑥 𝑘 ≡ 1 (mod 𝑛 𝑘 ) untuk mendapatkan nilai 𝑥 𝑘 .
4. Solusinya adalah
𝑥 ≡ (𝑎 1 𝑁 1 𝑥 1 + 𝑎 2 𝑁 2 𝑥 2 + ⋯ + 𝑎 𝑟 𝑁 𝑟 𝑥 𝑟 ) (mod 𝑛)
2/5/2014 Yanita, FMIPA Matematika Unand 9
Contoh 3: Selesaikan persamaan linier kongruen 17𝑥 ≡ 9 mod 276 dengan dua cara.
Dengan cara biasa (solusi persamaan kongruen linier),
1. 𝑝𝑝𝑏 17,276 = 1
2. Persamaan 17𝑥 ≡ 9 mod 276 ekivalen dengan 17𝑥 − 276𝑘 = 9 atau diperoleh 𝑥 =
9+276𝑘17. Nilai 𝑘 = 2 , menyebabkan 𝑥 = 33
3. Solusinya adalah 𝑥 ≡ 33 (mod 276)
Dengan Chinese Remainder Theorem,
1. faktorisasi prima dari 276 adalah 22. 3.23. Jadi 276 = 3.4.23. Dengan demikian diperoleh 𝑛 = 276, 𝑛1 = 3,
𝑛2 = 4, 𝑛3 = 23.
2. Selesaikan system 17𝑎𝑘 ≡ 9 (mod 𝑛𝑘) , 𝑘 = 1,2,3, yaitu system
17𝑎1 ≡ 9 (𝑚𝑜𝑑 3) 𝑎1 = 3 17𝑎2 ≡ 9 (𝑚𝑜𝑑 4) Diperoleh: 𝑎2 = 5 17𝑎3 ≡ 9 (𝑚𝑜𝑑 23) 𝑎3 = 10 3. Cari nilai
𝑁
𝑘=
𝑛𝑛𝑘
dengan 𝑘 = 1,2,
3, yaitu 𝑁1 = 𝑛𝑛1 =
276
3 = 92; 𝑁2 = 𝑛
𝑛2 = 276
4 = 69; 𝑁3 = 𝑛
𝑛3 = 276
23 = 12.
Selesaikan system
𝑁
𝑘𝑥
𝑘≡ 1 (mod 𝑛
𝑘)
, yaitu:92𝑥1 ≡ 1 (𝑚𝑜𝑑 3) 𝑥1 = 2 69𝑥2 ≡ 1 (𝑚𝑜𝑑 4) Diperoleh 𝑥2 = 1 12𝑥3 ≡ 1 (𝑚𝑜𝑑 23) 𝑥3 = 2 4. Solusinya adalah
𝑥 ≡ (𝑎1𝑁1𝑥1 + 𝑎2𝑁2𝑥2 + 𝑎3𝑁3𝑥3) (mod 𝑛) 𝑥 ≡ (3.92.2 + 5.69.1 + 10.12.2)(mod 276) 𝑥 ≡ 1137 (mod 276)
𝑥 ≡ 33 (mod 276)
2/5/2014 Yanita, FMIPA Matematika Unand 10
Contoh 4: Selesaikan persamaan linier kongruen 13𝑥 ≡ 1 mod 70 dengan dua cara.
Dengan cara biasa (solusi persamaan kongruen linier),
1. 𝑝𝑝𝑏 13,70 = 1
2. Persamaan 13𝑥 ≡
1 mod 70 ekivalen dengan 13𝑥 − 70𝑘 = 1 atau diperoleh 𝑥 =
1+70𝑘13. Nilai 𝑘 = 5 , menyebabkan 𝑥 = 27
3. Solusinya adalah
𝑥 ≡ 27 (mod 70)
Dengan Chinese Remainder Theorem,
1. faktorisasi prima dari 70 adalah 2.5.7. Jadi 70 = 2.5.7.
Dengan demikian diperoleh 𝑛 = 70, 𝑛
1= 2, 𝑛
2= 5, 𝑛
3= 7.
2. Selesaikan system 13𝑎
𝑘≡ 1 (mod 𝑛
𝑘) , 𝑘 = 1,2,3, yaitu system
13𝑎
1≡ 1 (𝑚𝑜𝑑 2) 𝑎
1= 1 13𝑎
2≡ 1 (𝑚𝑜𝑑 5) Diperoleh: 𝑎
2= 2 13𝑎
3≡ 1 (𝑚𝑜𝑑 7) 𝑎
3= 6 3. Cari nilai
𝑁𝑘 = 𝑛𝑛𝑘
dengan
𝑘 = 1,2,3, yaitu
𝑁1 = 𝑛𝑛1 = 702 = 35; 𝑁2 = 𝑛
𝑛2 = 70
5 = 14; 𝑁3 = 𝑛
𝑛3 = 70
7 = 10.
Selesaikan system
𝑁𝑘𝑥𝑘 ≡ 1 (mod 𝑛𝑘),yaitu:
35𝑥1 ≡ 1 (𝑚𝑜𝑑 2) 𝑥1 = 1
14𝑥2 ≡ 1 (𝑚𝑜𝑑 5) Diperoleh 𝑥2 = 4
10𝑥3 ≡ 1 (𝑚𝑜𝑑 7) 𝑥3 = 5
4. Solusinya adalah
𝑥 ≡ (𝑎
1𝑁
1𝑥
1+ 𝑎
2𝑁
2𝑥
2+ 𝑎
3𝑁
3𝑥
3) (mod 𝑛) 𝑥 ≡ (1.35.2 + 2.14.4 + 6.10.5)(mod 70) 𝑥 ≡ 447 (mod 70)
𝑥 ≡ 27 (mod 70)
2/5/2014 Yanita, FMIPA Matematika Unand 11
Solusi Sistem Kongruen Linier dengan dua Variabel
Definisi
Persamaan kongruen linier dengan dua variabel adalah persamaan dalam bentuk 𝑎𝑥 + 𝑏𝑦 ≡ 𝑐 mod 𝑛 , dengan 𝑥, 𝑦 ∈ ℤ.
Teorema 4.9
Sistem kongruen linier
𝑎𝑥 + 𝑏𝑦 ≡ 𝑟 mod 𝑛 c𝑥 + 𝑑𝑦 ≡ 𝑠 mod 𝑛
mempunyai solusi tunggal modulo 𝑛 jika 𝑝𝑝𝑏 𝑎𝑑 − 𝑏𝑐, 𝑛 = 1
2/5/2014 Yanita, FMIPA Matematika Unand 12
Bukti Teorema 4.9
Diketahui system kongruen linier 𝑎𝑥 + 𝑏𝑦 ≡ 𝑟 mod 𝑛
c𝑥 + 𝑑𝑦 ≡ 𝑠 mod 𝑛
Dengan 𝑝𝑝𝑏 𝑎𝑑 − 𝑏𝑐, 𝑛 = 1.
Akan dibuktikan system ini mempunyai solusi tunggal modulo 𝑛.
Misalkan
𝑎𝑥 + 𝑏𝑦 ≡ 𝑟 mod 𝑛 … (1) c𝑥 + 𝑑𝑦 ≡ 𝑠 mod 𝑛 … (2)
Kalikan persamaan (1) dengan 𝑑, dan persamaan (2) dengan 𝑏, maka diperoleh
𝑑(𝑎𝑥 + 𝑏𝑦) ≡ 𝑑𝑟 mod 𝑛 … (1′) 𝑏(c𝑥 + 𝑑𝑦) ≡ 𝑏𝑠 mod 𝑛 … (2′)
Jika pers (1′) dikurangkan dengan pers (2′) maka diperoleh
𝑑𝑎𝑥 − 𝑏𝑐𝑥 ≡ 𝑑𝑟 − 𝑏𝑠 (mod 𝑛) atau 𝑎𝑑 − 𝑏𝑐 𝑥 ≡ 𝑑𝑟 − 𝑏𝑠 (mod 𝑛) … (3) Oleh karena 𝑝𝑝𝑏 𝑎𝑑 − 𝑏𝑐, 𝑛 = 1, maka dijamin bahwa 𝑎𝑑 − 𝑏𝑐 𝑧 ≡ 1 (mod 𝑛) mempunyai solusi tunggal; misalkan solusi tersebut adalah 𝑡.
Jika persamaan (3) dikalikan dengan 𝑡, diperoleh 𝑥 ≡ 𝑡 𝑑𝑟 − 𝑏𝑠 (mod 𝑛).
Dengan cara yang sama dapat dicari nilai 𝑦, yaitu Kalikan persamaan (1) dengan 𝑐, dan persamaan (2) dengan 𝑎, maka diperoleh
𝑐(𝑎𝑥 + 𝑏𝑦) ≡ 𝑐𝑟 mod 𝑛 … (1′′) 𝑎(c𝑥 + 𝑑𝑦) ≡ 𝑎𝑠 mod 𝑛 … (2′′)
Jika pers (1′′) dikurangkan dengan pers (2′′) maka diperoleh
𝑐𝑎𝑥 − 𝑏𝑐𝑦 ≡ 𝑎𝑠 − 𝑐𝑟 (mod 𝑛) atau 𝑎𝑑 − 𝑏𝑐 𝑦 ≡ (𝑎𝑠 − 𝑐𝑟)(mod 𝑛) … (3′)
Oleh karena 𝑝𝑝𝑏 𝑎𝑑 − 𝑏𝑐, 𝑛 = 1, maka dijamin bahwa 𝑎𝑑 − 𝑏𝑐 𝑧 ≡ 1 (mod 𝑛) mempunyai solusi tunggal; misalkan solusi tersebut adalah 𝑡′.
Jika persamaan (3′) dikalikan dengan 𝑡′, diperoleh 𝑦 ≡ 𝑡′ 𝑎𝑠 − 𝑐𝑟 (mod 𝑛).
2/5/2014 Yanita, FMIPA Matematika Unand 13
Contoh
Carilah solusi untuk sitem kongruen linier:
7𝑥 + 3𝑦 ≡ 10 mod 16 … (1) 2𝑥 + 5𝑦 ≡ 9 mod 16 … (2) Penyelsaian
Dari system tersebut diperoleh 𝑎 = 7, 𝑏 = 3, 𝑐 = 2, 𝑑 = 5, 𝑟 = 10, 𝑠 = 9 dan 𝑛 = 16
Perhatikan bahwa 𝑝𝑝𝑏 𝑎𝑑 − 𝑏𝑐, 𝑛 = 𝑝𝑝𝑏 7.5 − 3.2,16 = 𝑝𝑝𝑏 29,16 = 1, maka system ini punya solusi.
Kemudian dengan metode eliminasi, untuk mencari nilai 𝑥:
Dengan solusi untuk persamaan kongruen linier,
29𝑥 ≡ 23 (𝑚𝑜𝑑 16) ekivalen dengan 29𝑥 − 16𝑘 = 23 atau 𝑥 = 23+16𝑘29 . Nilai 𝑘 = 4 menyebabkan 𝑥 = 3. Jadi solusi untuk 29𝑥 ≡ 23 (mod 16) adalah 𝑥 ≡ 3 (mod 16)
Mencari nilai 𝑦
Persamaan 29𝑦 ≡ 43 (𝑚𝑜𝑑 16) ekivalen dengan 29𝑦 − 16𝑘 = 43 atau 𝑥 = 43+16𝑘29 . Nilai 𝑘 = 10 menyebabkan nilai 𝑥 = 7. Jadi solusi untuk 29𝑦 ≡ 43 (mod 16) adalah 𝑦 ≡ 7 (mod 16).
Jadi solusi untuk system adalah
𝑥 ≡ 3 (mod 16) 𝑦 ≡ 7 (mod 16)
2/5/2014 Yanita, FMIPA Matematika Unand 14
Latihan
1. Carilah solusi untuk system 𝑥 ≡ 5 mod 11
𝑥 ≡ 14 (mod 29) 𝑥 ≡ 15 (mod 31)
2. Selesaikan dengan 2 cara (solusi persamaan kongruen linier dan Chinese Remainder Theorem) persamaan 17𝑥 ≡ 3 mod 210 .
3. Carilah solusi untuk system 3𝑥 + 4𝑦 ≡ 5 mod 13 2𝑥 + 5𝑦 ≡ 7 mod 13
2/5/2014 selesai 4 Mei 2014 15