Himpunan terhitung

himpunan dengan kardinalitas yang sama dengan suatu himpunan bagian dari himpunan bilangan asli

Dalam matematika, suatu himpunan dikatakan terhitung[1][2][3], tercacah[4], atau terbilang[5] jika himpunannya berhingga atau dapat dibuat korespondensi satu-ke-satu dengan himpunan bilangan asli.[6] Dengan kata lain, suatu himpunan disebut terhitung jika terdapat suatu fungsi injektif dari himpunan tersebut ke bilangan asli; ini artinya setiap elemen pada himpunan tersebut dapat dilabeli dengan tepat satu bilangan asli, atau elemen-elemen dari himpunannya dapat dihitung satu demi satu, walau mungkin saja proses perhitungannya mustahil selesai akibat jumlah elemen yang tak hingga banyaknya.

Dengan menggunakan istilah teknis, jika diasumsikan aksioma pemilihan terhitung, suatu himpunan disebut terhitung jika kardinalitasnya (banyaknya elemen pada himpunan tersebut) tidak lebih dari kardinalitas bilangan asli. Suatu himpunan terhitung yang bukan merupakan himpunan berhingga disebut terhitung tak terhingga.

Konsep ini diatribusikan kepada Georg Cantor, yang membuktikan keujudan dari himpunan-himpunan tak terhitung, yaitu himpunan-himpunan yang bukan merupakan himpunan terhitung; seperti contohnya himpunan semua bilangan riil.

Catatan penggunaan istilah

sunting

Walaupun artikel ini menggunakan istilah "terhitung" dan "terhitung tak terhingga" yang cukup umum digunakan, kedua istilah tersebut tidaklah universal.[7] Beberapa referensi menggunakan istilah terhitung sebagai apa yang dimaksud disini sebagai terhitung tak terhingga, dan paling banyak terhitung sebagai apa yang dimaksud disini sebagai terhitung.[8][9]

Istilah enumerable[10] dan denumerable[11][12][13] juga terkadang digunakan untuk berturut-turut menyatakan himpunan terhitung dan terhitung.[14]

Definisi

sunting

Suatu himpunan   dikatakan terhitung jika:

  • Himpunan   adalah himpunan hingga atau terhitung tak berhingga.[11]
  • Kardinalitasnya (dinotasikan dengan  ) tidak lebih dari   (alef nol), yaitu kardinalitas dari himpunan bilangan asli  .[15]
  • Terdapat suatu fungsi injektif dari   ke  .[16][17]
  • Himpunan   merupakan himpunan kosong atau terdapat suatu fungsi surjektif dari   ke  .[17]
  • Terdapat suatu fungsi bijektif antara   dan suatu himpunan bagian dari  .[18]

Semua definisi di atas ekuivalen satu sama lain.

Suatu himpunan   dikatakan terhitung tak terhingga jika:

  • Kardinalitasnya (yaitu  ) sama dengan  .[15]
  • Terdapat suatu pemetaan injektif dan surjektif antara   dan  .
  • Himpunan   memiliki korespondensi satu-ke-satu dengan  .[19]
  • Elemen dari himpunan   dapat disusun dalam suatu barisan tak terhingga  , dengan   ketika  , dan setiap elemen pada   terdaftar.[20][21]

Suatu himpunan disebut tak terhitung jika himpunannya tidak terhitung, atau dengan kata lain, kardinalitasnya lebih dari  .[15]

Sejarah

sunting

Pada tahun 1874, dalam artikel teori himpunan pertama miliknya, Cantor membuktikan bahwa himpunan bilangan riil merupakan himpunan tak terhitung, yang menunjukkan bahwa tidak semua himpunan tak terhingga merupakaan himpunan terhitung.[22] Pada tahun tersebut, Cantor menggunakan korespondensi satu-ke-satu untuk mendefinisikan dan membandungkan kardinalitas.[23] Pada tahun 1883, beliau memperluas bilangan asli dengan bilangan ordinal takhingga miliknya, dan menggunakan himpunan ordinal untuk membuat tak terhingga banyaknya himpunan yang memiliki kardinalitas yang beda-beda.[24]

Pengantar

sunting

Himpunan adalah sekumpulan elemen, dan dapat dinyatakan dengan berbagai cara, salah satunya ialah dengan mendaftar anggota-anggotanya; sebagai contoh, himpunan yang terdiri dari bilangan  ,  , dan   dapat dituliskan sebagai  , yang disebut sebagai bentuk roster.[25] Akan tetapi, hal ini hanya efektif untuk himpunan yang kecil. Untuk himpunan yang besar, metode roster akan memakan waktu yang lama serta rawan terjadi galat. Daripada mendaftar setiap elemen satu per satu, terkadang tanda elipsis (" ") digunakan untuk mewakilkan banyak elemen diantara elemen awal dan akhir pada suatu himpunan, jika penulis yakin bahwa pembaca dapat menebak dengan mudah apa yang tanda elipsis wakilkan; sebagai contoh,   mungkin saja menyatakan himpunan bilangan bulat dari   sampai dengan  . Dalam kasus ini, semua elemennya masih mungkin didaftarkan, sebab banyak elemennya berhingga. Jika setiap elemen dari himpunan  ,  , dan seterusnya, sampai   diberi label, maka hal ini menjadi definisi dari "himpunan berukuran  ".

 
Pemetaan bijektif dari bilangan bulat ke bilangan genap

Beberapa himpunan merupakan himpunan tak terhingga; himpunan-himpunan ini memiliki lebih dari   elemen, dengan   adalah sembarang bilangan asli. Tidak peduli seberapa besar nilai   nya (seperti  ), himpunan tak terhingga memiliki lebih dari   elemen. Misalnya, himpunan bilangan asli, yang dinyatakan sebagai  ,[6] memiliki tak hingga banyaknya elemen, sehingga ukuran himpunannya tidak dapat dinyatakan dengan bilangan asli apa pun. Salah satu hal yang wajar dilakukan ialah membagi himpunan-himpunan yang ada menjadi beberapa kelas: Satukan semua himpunan yang memiliki satu elemen; semua himpunan yang memiliki dua elemen; ...; dan terakhir, satukan semua himpunan tak hingga dan anggaplah mereka memiliki ukuran yang sama. Cara pandang ini dapat dilakukan untuk himpunan terhitung tak terhingga, dan menjadi asumsi yang berlaku sebelum penemuan Geog Cantor. Sebagai contoh, terdapat tak hingga banyaknya bilangan ganjil, tak hingga banyaknya bilangan genap, dan tak hingga banyaknya bilangan bulat secara keseluruhan. Semua himpunan tadi dapat dipandang memiliki ukuran yang sama, sebab setiap bilangan genap dapat dilabeli dengan tunggal menggunakan suatu bilangan bulat:   dan secara umum,   (lihat gambar di kanan). Proses yang baru saja terjadi ialah mengonstruksikan korespondensi satu-ke-satu (atau bijeksi), yaitu suatu fungsi yang menghubungkan dua himpunan dengan syarat setiap elemen pada masing-masing himpunan dikawankan dengan tepat satu elemen pada himpunan lainnya. Gagasan matematika dari "ukuran", kardinalitas, adalah dua himpunan memiliki ukuran yang sama jika dan hanya jika terdapat suatu fungsi bijektif yang menghubungkan keduanya. Semua himpunan yang memiliki korespondensi satu-ke-satu dengan bilangan bulat disebut sebagai himpunan terhitung tak terhingga dan kardinalitasnya dinotasikan dengan  .

Georg Cantor menunjukkan bahwa tidak semua himpunan tak terhingga merupakan himpunan terhitung tak terhingga. Misalnya, himpunan bilangan riil tidak dapat dibuat korespondensi satu-ke-satu dengan bilangan asli. Himpunan bilangan riil memiliki kardinalitas yang lebih dari himpunan bilangan asli, dan disebut sebagai tak terhitung.

Kajian formal

sunting

Berdasarkan definisi, suatu himpunan   disebut terhitung jika terdapat suatu fungsi bijektif dari   ke himpunan bagian dari bilangan asli  . Sebagai contoh, didefinisikan pemetaan   Oleh karena setiap elemen dari himpunan   dikawankan dengan tepat satu elemen dari himpunan   (dan begitu juga sebaliknya), maka pemetaannya bersifat bijektif, dan menjadi bukti bahwa   adalah himpunan terhitung. Dengan cara serupa, maka dapat ditunjukkan bahwa setiap himpunan berhingga merupakan himpunan terhitung.

Pada kasus himpunan tak terhingga, suatu himpunan   dikatakan terhitung tak terhingga jika terdapat suatu fungsi bijektif dari   ke himpunan bilangan asli  . Sebagai contoh, himpunan bilangan genap positif   merupakan himpunan terhitung tak terhingga, sebab terdapat korespondensi satu-ke-satu   sebagai berikut:   Setiap himpunan bagian dari bilangan asli merupakan himpunan terhitung. Secara umum,

Teorema — Setiap himpunan bagian dari suatu himpunan terhitung merupakan himpunan terhitung.[26]

 
Fungsi pemasang Cantor mengawankan setiap bilangan asli dengan suatu pasangan bilangan asli.

Himpunan semua pasangan terurut (atau hasil-kali Kartesius) dari himpunan bilangan cacah   merupakan himpunan terhitung tak terhingga. Hasil pemetaannya dapat dilihat pada gambar di bagian kanan dan dilakukan sebagai berikut   Pemetaan ini meliput seluruh pasangan terurut.

Bentuk pemetaan segitiga ini dapat diperumum secara rekursif menjadi bilangan asli rangkap- , yaitu   dengan   untuk setiap  , dengan cara memetakan secara berulang dua elemen pertama dari rangkap-  nya ke suatu bilangan asli. Sebagai contoh,   dapat ditulis sebagai  . Perhatikan bahwa   dipetakan ke  . Akibatnya,   dipetakan ke  , yang kemudian dipetakan ke  . Oleh karena rangkap-  yang berbeda, yaitu pasangan terurut seperti  , dipetakan ke bilangan asli yng berbeda, maka perbedaan dua rangkap-  pada setidaknya satu elemen saja sudah cukup untuk menjamin rangkap-  nya dipetakan ke bilangan asli yang berbeda, sehingga terbukti bahwa terdapat suatu fungsi injektif dari himpunan rangkap-  ke himpunan bilangan asli  . Secara umum, maka

Teorema — Hasil-kali Kartesius dari berhingga banyaknya himpunan terhitung merupakan himpunan terhitung.[27]

Bukti —

Perhatikan bahwa   merupakan himpunan terhitung, sebab terdapat fungsi injektif[28]   dengan   Jika   dan   merupakan himpunan terhitung, maka terdapat fungsi surjektif   Berdasarkan informasi tersebut, fungsi   bersifat surjektif, sehingga   merupakan himpunan terhitung. Hasil ini dapat diperumum menjadi hasil-kali Kartesius dari berhingga banyaknya himpunan terhitung dengan menggunakan induksi matematika.

Himpunan semua bilangan bulat   dan himpunan semua bilangan rasional   secara intuitif terlihat lebih besar dari  , namun penampilan bisa menipu. Jika pasangan terurut   dipandang sebagai pembilang dan penyebut dari suatu pecahan biasa[29], maka setiap pecahan bernilai positif dapat dikawankan dengan suatu bilangan asli yang berbeda satu sama lain. Representasi ini juga memuat bilangan asli, sebab setiap bilangan asli   dapat dinyatakan sebagai pecahan  , sehingga dapat disimpulkan bahwa jumlah bilangan rasional positif sama banyaknya dengan bilangan bulat positif. Hal ini juga berlaku untuk seluruh bilangan rasional, seperti pada pernyataan berikut.

Teorema — Himpunan semua bilangan bulat  , himpunan semua bilangan rasional  , dan himpunan semua bilangan aljabar   merupakan himpunan terhitung.

Bukti —
  1. Himpunan   merupakan himpunan terhitung, sebab terdapat fungsi injektif   dengan  
  2. Himpunan   merupakan himpunan terhitung, sebab terdapat suatu fungsi surjektif   dengan  
  3. Berdasarkan definisi, setiap bilangan aljabar (termasuk bilangan kompleks merupakan akar persamaan dari suatu polinomial dengan koefisien bilangan bulat. Diberikan sembarang  , dan misalkan   adalah suatu polinomial dengan koefisien bilangan bulat sedemikian sehingga   adalah akar ke-  dari polinomial tersebut, dengan akar-akarnya diurutkan berdasarkan nilai mutlaknya dari kecil ke besar, lalu argumennya diurutkan dari kecil ke besar. Himpunan   merupakan himpunan terhitung, sebab terdapat suatu fungsi injektif   dengan   dimana   menyatakan bilangan prima ke- .

Dalam beberapa kasus, penggunaan lebih dari satu pemetaan adalah hal yang membantu. Misalkan akan dibuktikan bahwa suatu himpunan   merupakan himpunan terhitung dan   bersifat injektif ke himpunan lain (katakanlah)  , maka himpunan   terbukti merupakan himpunan terhitung jika   bersifat injektif ke himpunan bilangan asli. Sebagai contoh, terdapat suatu fungsi injektif dari himpunan semua bilangan rasional positif ke pasangan (rangkap- ) bilangan asli, salah satunya ialah   (dengan syarat  ). Oleh karena   memiliki korespondensi satu-ke-satu dengan   (seperti yang telah ditunjukkan sebelumnya), maka himpunan bilangan rasional positif terbukti merupakan himpunan terhitung.

Teorema — Setiap gabungan berhingga dari himpunan-himpunan terhitung juga merupakan himpunan terhitung.[30][31]

Bukti —

Misalkan   dan  . Jika   adalah himpunan terhitung untuk setiap  , maka terdapat fungsi-fungsi   yang bersifat surjektif. Akibatnya, fungsi   juga bersifat surjektif, dengan  . Oleh karena himpunan   merupakan himpunan terhitung, maka   juga merupakan himpunan terhitung.

Dengan pengetahuan bahwa terdapat himpunan tak terhitung, maka terlintas pikiran untuk mendorong lebih jauh hasil terakhir ini, dan jawabannya adalah "iya" dan "tidak"; Hasil ini dapat diperluas, namun perlu diasumsikan suatu aksioma tambahan sebagai berikut.

Teorema — Dengan mengasumsikan aksioma pemilihan terhitung, maka setiap gabungan terhitung dari himpunan-himpunan terhitung juga merupakan himpunan terhitung.

Bukti —

Misalkan  . Jika   adalah himpunan terhitung untuk setiap  , maka berdasarkan aksioma pemilihan terhitung, terdapat fungsi-fungsi   yang bersifat surjektif.[32] Oleh karena fungsi   bersifat surjektif, dan bukan injektif, maka tidak ada syarat bahwa himpunannya harus bersifat saling asing.

 
"Pelabelan" dari terhitung banyaknya himpunan terhitung

Sebagai contoh, diberikan himpunan terhitung  ,  ,  , dan seterusnya. Pertama, setiap elemen dari masing-masing himpunan akan dilabeli oleh suatu rangkap, lalu setiap rangkap akan dilabeli dengan suatu indeks menggunakan varian pemetaan segitiga kelak-kelok yang telah ditunjukkan sebelumnya:  

Aksioma pemilihan terhitung diperlukan untuk memberikan indeks kepada semua himpunan  ,  ,  ,  , secara bersamaan.

Teorema — Misalkan   dan   adalah himpunan.

  1. Jika fungsi   bersifat injektif dan   adalah himpunan terhitung, maka   juga merupakan himpunan terhitung.
  2. Jika fungsi   bersifat surjektif dan   adalah himpunan terhitung, maka   juga merupakan himpunan terhitung.
Bukti —

Kedua hal ini merupakan akibat dari definisi himpunan terhitung sebagai fungsi injektif / surjektif.

  1. Jika   adalah himpunan terhitung, maka terdapat fungsi injektif  . Oleh karena fungsi   bersifat injektif, maka fungsi komposisi   juga bersifat injektif, sehingga terbukti bahwa   merupakan himpunan terhitung.
  2. Jika   adalah himpunan terhitung, maka terdapat fungsi surjektif  . Oleh karena fungsi   bersifat surjektif, maka terdapat dua kasus yang mungkin terjadi: himpunan   dan   sama-sama merupakan himpunan kosong, atau fungsi komposisi   juga bersifat surjektif. Berdasarkan kedua kasus yang diperoleh, terbukti bahwa   merupakan himpunan terhitung.

Teorema Cantor menyatakan bahwa jika   adalah suatu himpunan dan   adalah himpunan kuasa dari   (yaitu himpunan seluruh himpunan bagian dari  ), maka tidak ada fungsi surjektif dari   ke  . Pembuktian dari pernyataan ini dapat dilihat pada artikel teorema Cantor. Salah satu akibat dari teorema ini ialah

Teorema — Himpunan   bukan merupakan himpunan terhitung; atau dengan kata lain, himpunannya tak terhitung.

Lihat juga

sunting

Rujukan

sunting
  1. ^ Warsito (2021). Pengantar Matematika (BMP). Tanggerang Selatan: Universitas Terbuka. 
  2. ^ Setiadji (2009). Himpunan & logika samar serta aplikasinya. Yogyakarta: Graha Ilmu. 
  3. ^ Fatihah, Nurul; Haripamyu, Haripamyu; Ekariani, Shelvi (2020-06-29). "Ukuran Luar Lebesgue di  ". Jurnal Matematika UNAND. 9 (2): 76–83. doi:10.25077/jmu.9.2.76-83.2020. ISSN 2721-9410. 
  4. ^ "Daftar Istilah". Pasti (Padanan Istilah). Badan Pengembangan dan Pembinaan Bahasa. Diakses tanggal 21 Oktober 2024. 
  5. ^ Umam, Ahmad Khairul. "ANALISIS REAL 1" (PDF). Repositori Universitas Billfath. hlm. 2. Diakses tanggal 21 Oktober 2024. 
  6. ^ a b Oleh karena terdapat bijeksi antara bilangan asli   dan bilangan cacah  , maka tidak masalah apabila bilangan   dianggap sebagai bilangan asli atau bukan. Mengesampingkan hal tersebut, artikel ini mengikuti ISO 31-11 dan konvensi standar dalam logika matematika, yang menyatakan bahwa   adalah bilangan asli.
  7. ^ Manetti, Marco (19 June 2015). Topology [Topologi] (dalam bahasa Inggris). Springer. hlm. 26. ISBN 978-3-319-16958-3. 
  8. ^ Rudin 1976, Chapter 2
  9. ^ Tao 2016, hlm. 181
  10. ^ Kamke 1950, hlm. 2
  11. ^ a b Lang 1993, §2 of Chapter I
  12. ^ Apostol 1969, hlm. 23, Chapter 1.14
  13. ^ noorma_yulia. "Himpunan Terhitung". Menara Ilmu Analisis Real. Universitas Gajah Mada. Diakses tanggal 22 Oktober 2024. 
  14. ^ Thierry, Vialar (4 April 2017). Handbook of Mathematics (dalam bahasa Inggris). BoD - Books on Demand. hlm. 24. ISBN 978-2-9551990-1-5. 
  15. ^ a b c Yaqub, Aladdin M. (24 October 2014). An Introduction to Metalogic [Pengantar Metalogika] (dalam bahasa Inggris). Broadview Press. ISBN 978-1-4604-0244-3. 
  16. ^ Singh, Tej Bahadur (17 May 2019). Introduction to Topology [Pengantar Topologi] (dalam bahasa Inggris). Springer. hlm. 422. ISBN 978-981-13-6954-4. 
  17. ^ a b Katzourakis, Nikolaos; Varvaruca, Eugen (2 January 2018). An Illustrative Introduction to Modern Analysis [Pengantar Ilustratif Analisis Modern] (dalam bahasa Inggris). CRC Press. ISBN 978-1-351-76532-9. 
  18. ^ Halmos 1960, p. 91
  19. ^ Kamke 1950, p. 2
  20. ^ Dlab, Vlastimil; Williams, Kenneth S. (9 June 2020). Invitation To Algebra: A Resource Compendium For Teachers, Advanced Undergraduate Students And Graduate Students In Mathematics (dalam bahasa Inggris). World Scientific. hlm. 8. ISBN 978-981-12-1999-3. 
  21. ^ Tao 2016, hlm. 182
  22. ^ Stillwell, John C. (2010), Roads to Infinity: The Mathematics of Truth and Proof [Jalan Menuju Tak Hingga: Matematika dari Kebenaran dan Bukti] (dalam bahasa Inggris), CRC Press, hlm. 10, ISBN 9781439865507, Penemuan himpunan tak terhitung oleh Cantor pada 1874 merupakan salah satu kejadian yang paling tidak terduga dalam sejarah matematika. Sebelum tahun 1874, tak terhingga bahkan tidak dianggap sebagai topik matematika yang sah oleh banyak orang, sehingga keperluan untuk membedakan antara himpunan terhitung tak terhingga dan himpunan tak terhitung tak terhingga tidak dapat dibayangkan. 
  23. ^ Cantor 1878, p. 242.
  24. ^ Ferreirós 2007, pp. 268, 272–273.
  25. ^ "What Are Sets and Roster Form?" [Apa Itu Himpunan dan Bentuk Roster?]. expii. 2021-05-09. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2020-09-18. 
  26. ^ Halmos 1960, hlm. 91
  27. ^ Halmos 1960, hlm. 92
  28. ^ Avelsgaard 1990, hlm. 182
  29. ^ Pecahan dalam bentuk  , dengan   dan   adalah suatu bilangan bulat
  30. ^ Avelsgaard 1990, hlm. 180
  31. ^ Fletcher & Patty 1988, hlm. 187
  32. ^ Hrbacek, Karel; Jech, Thomas (22 June 1999). Introduction to Set Theory, Third Edition, Revised and Expanded (dalam bahasa Inggris). CRC Press. hlm. 141. ISBN 978-0-8247-7915-3. 

Referensi

sunting