Pembelajaran Klasifikasi Geometris dari Transformasi Möbius

Transkripsi

1 SEMINAR NASIONAL MATEMATIKA DAN PENDIDIKAN MATEMATIKA UNY 2015 Pembelajaran Klasifikasi Geometris dari Transformasi Möbius Suatu Sarana Penyampaian Konsep Grup Iden Rainal Ihsan Program Studi Pendidikan Matematika Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan Universitas Islam Nusantara Abstrak Grup dalam aljabar merupakan suatu konsep yang abstrak. Pembelajaran konsep grup memerlukan suatu sarana yang dapat menjadi perantara bagi peserta didik untuk memahami konsep tersebut. Pembelajaran klasifikasi transformasi Möbius dapat dijadikan sarana menyampaikan konsep grup. Transformasi Möbius dapat dikelompokkan berdasarkan banyaknya titik tetap. Di bidang kompleks yang diperluas (C ), setiap transformasi Möbius memiliki titik tetap. Selain dari transformasi identitas, transformasi Möbius paling banyak memiliki dua titik tetap. Pengelompokan transformasi Möbius akan dilihat dari dua kasus, yakni memiliki satu titik tetap atau dua titik tetap. Grup transformasi Möbius isomorfis dengan grup PSL 2 (C). Dengan menggunakan konsep mengenai nilai trace dari suatu matriks yang berkorespondensi, transformasi Möbius dapat dikelompokan ke dalam kelas-kelas konjugasi yang dapat menentukan klasifikasi geometrisnya. Berdasarkan nilai dari trace suatu matriks yang berkorespondensi, transformasi Möbius dapat diklasifikasi menjadi transformasi Möbius parabolic, elliptic, hyperbolic, atau loxodormic. Konsep klasifikasi tersebut dapat dijadikan sarana dalam pembelajaran grup pada perkuliahan struktur aljabar, yakni dalam menyampaikan konsep grup, grup kuosien, homomorfisma grup, isomorfisma, dan kelas konjugasi. Kata kunci: grup, klasifikasi geometris, PSL 2 (C), transformasi Möbius. I. PENDAHULUAN Konsep grup merupakan konsep abstrak dalam bidang aljabar. Mahasiswa Strata-1 yang belum terbiasa berpikir abstrak memerlukan pemodelan atau contoh yang sesuai dengan konteks pemahaman mereka. Pemodelan dan contoh seringnya disampaikan berupa sistem bilangan. Hal tersebut cukup tepat dalam pemilihan desain pembelajaran konsep grup, namun terbatas dan tidak memberi ruang untuk mahasiswa berpikir lebih umum. Melalui pembelajaran yang hanya mempelajari atau memperkenalkan sistem bilangan, hanya operasi tambah dan kali saja yang dipelajari, padahal nyatanya grup tidak terbatas pada operasi tersebut. Muncul kekhawatiran mahasiswa berpikir sempit dengan anggapan bahwa grup hanya berlaku di sistem bilangan dengan operasi tambah dan kali saja. Dengan demikian perlu konsep atau khazanah lain dalam menyampaikan konsep grup. Konsep atau khazanah baru tersebut selain dapat menjadi sarana untuk menyampaikan konsep grup harus dapat juga membuka sekaligus memperkaya pandangan dan wawasan mahasiswa mengenai konsep grup. Pada bidang aljabar dan geometri dibahas topik mengenai transformasi geometri.topik mengenai transformasi geometri sangat penting untuk dikaji. Sejalan dengan pendapat pada rujukan [1] yang memaparkan bahwa transformasi geometri merupakan salah satu teknik yang ampuh untuk membuktikan sifat geometri. Kelebihan transformasi di bidang geometri tersebut melengkapi pembahasan transformasi di bidang aljabar. Transformasi yang secara aljabar dapat dibahas mengenai struktur atau sistemnya dapat diperkaya dengan pembahasan representasi geometrisnya. Pembelajaran mengenai Konsep mengenai klasifikasi geometris transformasi MӦbius dipandang alternatif pilihan tepat sebagai sarana dalam penyampaian konsep grup. Konsep transformasi MӦbius dapat memberi ruang dalam memperkaya pemahaman aljabar yang dilengkapi pemahaman yang terintegrasi dengan geometri. Dalam rujukan [2] dinyatakan pula sistem transformasi MӦbius (M, ) dapat dijadikan sarana dalam menjelaskan grup, grup kuosien, homomorfisma dan isomorfisma. 1

2 ISBN II. PEMBAHASAN Bagian ini memaparkan pembahasan yang terintegrasi mengenai klasifikasi geometris dari transformasi MӦbius. Pemabahasan diawali dari pemetaan dasar yang menjadi acuan awal dalam penentuan sifat geometris dari transformasi MӦbius. Kemudian berlanjut pada pembahasan transformasi MӦbius dari sudut pandang aljabar yakni mengenai grup transformasi MӦbius. Pembahasan selanjutnya adalah mengenai klasifikasi geometris dari transformasi MӦbius. Pada akhir pembahasan dipaparkan relevansi pembelajaran klasifikasi geometris dari transformasi MӦbius terhadap pembelajaran konsep grup dalam aljabar. A. Pemetaan Dasar Terdapat hubungan yang erat antara transformasi MӦbius dengan pemetaan dasar. Pemetan dasar akan sangat membantu dalam menentukan klasifikasi geometris dari transformasi MӦbius. Rujukan [3] memaparkan terdapat lima pemetaan dasar. Lima pemetaan dasar tersebut memetakan bilangan kompleks z ke bilangan kompleks yang lainnya(c C). Pemetaan-pemetaan tersebut adalah: 1. z z + A, untuk suatu A C, yang disebut translasi 2. z cz, untuk suatu c R, yang disebut penskalaan 3. z e iθ z, yang disebut rotasi 4. z z, yang disebut konjugasi kompleks 5. z 1, yang disebut inversi z Pada pembahasan ini pembahasan dipusatkan pada pembahasan mengenai perubahan argumen dan modulo dari suatu bilangan kompleks yang dipetakan oleh pemetaan translasi, penskalaan, dan rotasi. Berdasarkan rujukan [3] dengan pemetaan translasi, dalam pemetaan z menjadi z terjadi perubahan besar modulo dan besar argumen. Dalam penskalaan, yang terjadi adalah perubahan modulo, yaitu z = c z. Dalam pemetaan penskalaan, besar argumen dari z sama dengan argumen z. Dengan rotasi, tidak terjadi perubahan modulo, yaitu z = z. Namun dalam pemetaan rotasi, terjadi perubahan besar argumen, yaitu arg(z ) = arg(z) + θ. B. Grup Transformasi MӦbius TransformasiMӦbius dikenal pula dengan istilah homographic transformations, linear fractional transformations, atau bilinear transformations. Sebagai penghormatan dan dedikasi kepada yang pertama kali membahas dan mengedepankannya, yaitu Auguste Ferdinand MӦbius [5], dinamakanlah transformasi MӦbius yang didefinisikan sebagai berikut az + b f(z) = cz + d, a, b, c, d C, Δ = ad bc 0 (1) Terdapat sifat penting mengenai ketidaktunggalan dari koefisien transformasi MӦbius. Misalkan terdapat transformasi MӦbius(z) = az+b, yang disebut koefisien dalam hal ini adalah a, b, c, dan d. c +d Apabila terdapat k C yang tidak sama dengan nol, maka az + b kaz + kb (2) = f(z) = cz + d kcz + kd Dengan sifat ketidaktunggalan ini, transformasi MӦbius dan inversnya dapat direpresentasikan secara tidak unik. Dengan kata lain perkalian scalar dengan koefisien-koefisien transformasi MӦbius sama sekali tidak merubah transformasinya [4]. Berdasarkan definisi, transformasi MӦbius dapat dikatakan sebagai himpunan tak hampa. Hal tersebut dikarenakan kita dapat membentuk transformasi MӦbius dengan memilih a, b, c, d C, ad bc 0. Kemudian pada transformasi MӦbius berlaku juga operasi komposisi fungsi. Dengan demikian transformasi MӦbius dengan operasi komposisi fungsi membentuk sistem matematika, misalkan kita simbolkan (M, ). Sistem tersebut merupakan grup terhadap operasi komposisi dengan unsur identitas e(z) = z dan m(z) = az+b cz+d M m 1 (z) = dz+b cz a M m(z) m 1 (z) = e(z) = m 1 (z) m(z) Terdapat suatu koneksi atau hubungan antara koleksi transformasi MӦbius dengan koleksi matriks bilangan kompleks berorde 2 2 yang memiliki invers(invertible). Matriks bilangan kompleks yang memiliki invers disebut GL 2 (C). Matriks bilangan kompleks yang memiliki determinan sama dengan 1 disebut SL 2 (C). grup kuosien dari grup SL 2 (C) yaitu SL 2 (C)/± atau grup yang diberi nama PSL 2 (C). Berdasarkan rujukan [4] terdapat hubungan sebagai berikut 2

3 SEMINAR NASIONAL MATEMATIKA DAN PENDIDIKAN MATEMATIKA UNY 2015 Gambar 1. Hubungan SL 2 (C), PSL 2 (C), dan M Sumber : I.R. Ihsan (2015) [4] Berdasarkan teorema isomorfisma grup, dapat dikatakan grup PSL 2 (C) isomorfis dengan grup M. Sifat isomorfis inilah yang digunakan dalam pembahasan selajutnya, yakni mengenai klasifikasi geometris dari transformasi MӦbius. Hal tersebut karena m M dapat dikaitkan dan disajikan dengan bentuk ±M dengan M PSL 2 (C). Dengan penyajian dalam bentuk matriks, nilai trace dapat digunakan dalam mengklasifikasikan penyajian geometris dari transformasi MӦbius. C. Kelas Konjugasi dari Grup Transformasi MӦbius Suatu transformasi MӦbius memetakan suatu bilangan kompleks menjadi bilangan kompleks. Misal terdapat transformasi MӦbius f, sedemikian sehingga f(z 1 ) = z 2 ; z 1 z 2 C. Pemetaan bilangan kompleks oleh suatu transfomasi MӦbius tidak selalu menjadi bilangan kompleks lainnya. Ada kalanya suatu transformasi MӦbius memetakan suatu bilangan kompleks kembali menjadi bilangan kompleks yang sama. Misalkan terdapat transformasi MӦbius f dan z 0 C, sedemikian sehingga f(z 0 ) = z 0. Dalam hal ini z 0 disebut sebagai titik tetap (fixed point). Misalkan f(z 0 ) = z 0, sehingga az 0+b cz 0 +d = z 0. Apabila proses aljabar dilanjutkan, maka didapat persamaan cz (d a)z 0 b = 0 (3) Karena persamaan (3) adalah persamaan kuadrat, maka persamaan tersebut memiliki paling banyak dua penyelesaian. Apabila f bukan fungsi identitas, maka f paling banyak memiliki dua titik tetap. Sedangkan apabila f merupakan transformasi identitas, maka f memiliki titik tetap tak hingga banyaknya. Di bidang kompleks yang diperluas, setiap transformasi MӦbius memiliki titik tetap. Terdapat teorema mengenai titik tetap pada transformasi MӦbius. Teorema tersebut adalah sebagai berikut Teorema. Suatu Transformasi MӦbius dapat ditentukan secara tunggal (unik) oleh pemetaan yang dilakukan terhadap tiga titik berlainan di C [4]. Kelas konjugasi transformasi MӦbius adalah suatu kumpulan dari conjugateatau konjugasi dari koleksi atau himpunan transformasi MӦbius. Dua transformasi MӦbius disebut sebagai conjugate atau saling berkonjugasi apabila memenuhi definisi sebagai berikut Definisi. Misalkan terdapat f, g PSL 2 (C) saling berkonjugasi apabila terdapat h PSL 2 (C) sedemikian sehingga f = g h g 1 [4]. Pengelompokkan berdasarkan konjugasi ini bertujuan untuk mengklasifikasikan bentuk geometris dari transformasi MӦbius. Misalkan simbol ~ menyatakan relasi conjugate atau saling berkonjugasi, sehingga untuk transformasi MӦbius f dan g, ekspresi f~g menyatakan f dan g adalah saling berkonjugasi. Relasi ~ merupakan relasi ekivalen yang memenuhi sifat refleksif, simetris dan transitif [4]. Dengan terpenuhinya sifat refleksif, simetris dan transitif, relasi ~ merupakan relasi ekivalen. Dengan demikian untuk setiap transformasi MӦbius g, kita dapat mendefiniskan suatu sub himpunan dari M yang berkaitan dengan g. Subhimpunan tersebut terdiri semua transformasi f M yang mempunyai relasi ~ dengan g atau (f~g), dengan definisi sebagai berikut k(g) = {f f M; f~g} 3

4 ISBN Sub himpunan k(g) disebut kelas ekivalen yang memuat g. Pengelompokan berdasarkan kelas inilah yang akan dibahas dalam klasifikasi dari M. Terdapat suatu kelas konjugasi dari grup transformasi MӦbius yang memuat unsur atau pemetaan identitas (e). Kelas tersebut tidak memuat elemen lain di dalamnya. Hal tersebut karena untuk setiap g M kita miliki g e g 1 = e. Sebagaimana telah dibahas pada bab sebelumnya bahwa transformasi MӦbius memiliki titik tetap. Dalam hal ini titik tetap memiliki peranan penting dalam menentukan klasifikasi dari grup transformasi MӦbius. Misalkan z 0 merupakan titik tetap dari transformasi MӦbius f, maka h(z 0 ) merupakan titik tetap bagi h f h 1 dengan h merupakan suatu transformasi MӦbius. Berdasarkan hubungan tersebut dapat dikatakan bahwa setiap transformasi MӦbius memiliki titik tetap sama banyaknya dengan banyaknya titik tetap yang dimiliki pasangan konjugasinya. Terdapat teorema yang dikedepankan yang menjadi awalan penggunaan titik tetap dalam mengelompokkan transformasi MӦbius. Teorema tersebut adalah sebagai berikut Teorema. Misal f PSL 2 (C) dengan f(z) = az+b cz+d. Jika (a + d)2 4, maka f memiliki dua titik tetap di C. Jika (a + d) 2 = 4 dan f bukan pemetaan identitas, maka f memilliki satu titik tetap [4]. Berdasarkan rujukan [4] dikatakan suatu transformasi MӦbius f saling berkonjugasi f λ. Sehingga secara umum, jika f PSL 2 (C) bukan identitas, maka terdapat beberapa λ C/{0}, sedemikian hingga f saling berkonjugasi dengan f λ PSL 2 (C) yang didefinisikan sebagai berikut [4] λz, λ 0 dan λ 1 f λ (z) = { z + 1, λ = 1 Pembahasan dilanjutkan dengan mengelompokkan transformasi MӦbius berdasarkan penyajian geometrisnya. Pembahasan ini merupakan kelanjutan dari sub bab sebelumnya, karena penyajian geometris memiliki kaitan dengan kelas konjugasi. Pada sub bab ini akan dikaji pembahasan tentang sifat limit dari kelas konjugasi. Sifat tersebut ditentukan dari multiplier atau faktor pengali λ. Misalkan λ = 1, maka transformasi f 1 = z + t, t C memiliki tr 2 = (1 + 1) 2 = 4 dan memiliki sebagai satu-satunya titik tetap. Transformasi yang berkonjugasi dengan f 1 = z + t disebut transformasi MӦbius parabolic. Berikut ini adalah bentuk penyajian secara geometris dari transformasi MӦbius parabolic dengan tanda panah menunjukan arah perpindahan titik. Gambar: Transformasi MӦbius Parabolic Pembahasan dilanjutkan dengan asumsi suatu transformasi MӦbius f memiliki dua titik tetap. Misalkan tr 2 (f) 4 dan f bukan transformasi identitas. Misalkan terdapat f λ PSL 2 (C) dengan λ = 1, sehingga λ = e iθ. Dengan demikian f λ merupakan kelas rotasi dengan nilai 2 λ + 1 λ 2. Sehingga suatu transformasi f merupakan transformasi MӦbius elliptic jika dan hanya jika 0 tr 2 (f) 4. Berikut adalah bentuk penyajian transformasi MӦbius elliptic 4

5 SEMINAR NASIONAL MATEMATIKA DAN PENDIDIKAN MATEMATIKA UNY 2015 Gambar: Transformasi MӦbius Elliptic Pembahasan dapat dilanjutkan dengan membahas dua masalah atau kasus yang tersisa. Dua masalah tersebut adalah λ < 1 dan λ > 1. Dapat digeneralisasi bahwa f λ = λz dapat berupa kelas penskalaan dan dilasi. Jika λ R, maka f λ = λz merupakan kelas penskalaan. Pada penskalaan terjadi perubahan modulo namun tidak terjadi perubahan aegumen. Kelas transformasi f λ = λz merupakan transformasi MӦbius hyperbolic tr 2 (f) > 4 yang secara geometris dapat disajikan sebagai berikut Gambar: Transformasi MӦbius Hyperbolic Suatu transformasi MӦbius f λ = λz akan berupa dilasi apabila λ R. Kelas f λ = λz merupakan transformasi MӦbius loxodormic Jika dan hanya jika tr 2 (f) < 0 atau λ R. yang secara geometris dapat disajikan sebagai berikut Gambar: Transformasi MӦbius loxodormic D. Relevansi Pembelajaran Sistem Transformasi MӦbius terhadap Penyampaian Konsep Grup Melalui pembelajaran sistem transformasi MӦbius,berdasarkan rujukan [2] mahasiswa memiliki ruang untuk mempelajari konsep grup. Diawali dari memeriksa suatu operasi koposisi terdefinisi dengan baik atau tidak pada himpunan transformasi MӦbius (M). Pada proses tersebut mahasiswa dapat diarahkan untuk memahami pengertian dari sifat tertutup suatu operasi. Pembelajaran dilanjutkan pada proses pemeriksaan struktur sistem transformasi MӦbius (M, ). Mahasiswa diarahkan memeriksa kevalidan (M, ) sebagai suatu grup. Pembelajaran dilanjutkan pada proses yang sama, namun pada himpunan dan sistem yang berbeda. Pembelajaran dapat dilanjutkan pada pembahasan grup matriks bilangan kompleks berorde 2 2 yang memiliki invers yang disebut GL 2 (C). Pembelajaran berlanjut pada pembahasan grup matriks bilangan kompleks 2 2 yang memiliki determinan sama dengan 1 yakni SL 2 (C) Pada pembelajaran dapat diperkenalkan pula contoh grup kuosien, yakni SL 2 (C)/± atau grup yang diberi nama PSL 2 (C). Setelah proses tersebut, mahasiswa dapat diarahkan untuk mengetahui hubungan (M, ), GL 2 (C), SL 2 (C), dan PSL 2 (C). Dengan proses tersebut, terdapat ruang bagi mahasiswa untuk 5

6 ISBN memahami isomorfisma grup. Kemudin pembelajaran klasifikasi geometris memberi ruang bagi mahasiswa untuk mempelajari konsep kelas konjugasi. III. SIMPULAN DAN SARAN Berdasarkan pemaparan pembahasan, didapat suatu simpulan yang menjadi jawaban permasalah dalam tulisan ini. Sebagai penutup disampaikan juga saran untuk kajian-kajian atau penelitian-penelitian yang lebih lanjut. A. Simpulan Melalui pembelajaran klasisfikasi transformasi M bius konsep mengenai grup dapat disampaikan kepada mahasiswa. Selain tersampaikannya konsep grup, dalam pembelajaran terdapat ruang bagi mahasiswa untuk dapat mengkonstruksi pemahaman mengenai grup. Mahasiswa mendapat ruang untuk mempelajari grup dari operasi lain, yakni operasi komposisi fungsi dan perkalian matriks. Berdasarkan pembahasan terdapat beberapa konsep grup yang dapat disampaikan melalui pembelajaran mengenai sistem transformasi MӦbius (M, ). Mahasiswa dapat diarahkan untuk memahami sifat ketertutupan dari suatu operasi. Mahasiswa dapat pula diarahkan untuk menunjukan suatu sistem termasuk grup atau bukan. Dengan pengaitan dengan L 2 (C), SL 2 (C), dan PSL 2 (C) mahasiswa dapat diarahkan untuk memahami konsep grup kuosien. Kemudian dengan pengaitan tersebut pula, mahasiswa dapat diarahkan untuk memahami konsep isomorfis. Dengan proses ini mahasiswa memiliki ruang untuk mengembangkan pemahamannya untuk memahami konsep abstrak. Pembelajaran mengenai sistem transformasi MӦbius (M, ) dipandang cocok, karena selain dapat menjadi sarana menyampaikan konsep abstrak, pembelajaran membantu mahasiswa berpikir lebih general, tidak terpaku pada sistem bilangan saja. Mahasiswa diberi ruang untuk mempelajari grup selain dari sistem bilangan. B. Saran Sebagai bahan lanjutan, dapat dilakukan penelitian-penelitian dan kajian-kajian yang dapat memperkaya pembahasan ini. Dapat diteliti ada atau tidakya pengaruh pembelajaran klasifikasi geometris dari transformasi MӦbius terhadap pemahaman mahasiswa mengenai konsep grup. Kemudian dapat dikaji pula secara lebih lanjut agar dapat menjembatani penyampaian konsep grup yang lebih lanjut seperti grup Fushian, grup Modular dan lain sebagainya. DAFTAR PUSTAKA [1] W. Setya-Budhi, Langkah Awal Menuju ke Olimpiade Matematika, Jakarta : C.V. Ricardo, [2] I.R. Ihsan, G.M. Muhammad, Pembelajaran Sistem Transformasi MӦbius (M, ) sebagai Sarana Menyampaikan Konsep Grup, Makalah disampaikan pada seminar nasional pendidik matematika Universitas Islam Nusantara pada tanggal 30 September [3] J. Olsen, The Geometry of MӦbius Transformations, Rochester : University of Rochester, [4] I.R. Ihsan, Klasifikasi Geometris dari Transformasi MӦbius, Tesis, Bandung : Institut Teknologi Bandung, [5] R. Deaux, Introduction to The Geometry of Complex Numbers, New York : Dover Publications Inc, [6] T. Needham, Visual Complex Analysis, Oxford : Oxford University Press, 1997 [7] A. Arifin, Aljabar, Bandung : Penerbit ITB, [8] J.W. Anderson, Hyperbolic Geometry, London : Springer-Verlag, [9] G.A. Jones, D, Singerman, Complex Function : An Algebraic and Geometric Viewpoint, Cambridge : Cambridge University, [10] H, Schwerdtfeger, Complex Numbers: Circle Geometry, Moebius Transformation, Non-Euclidean Geometry, New York : Dover Publication Inc, [11] D, Tall (Ed), Advance Mathematical Thinking, New York : Kluwer Academic Publisher, 2002 [12] I.M. Yaglom, Complex Numbers in Geometry, London : Academic Press, 1968.,. 6