전체기사 최신뉴스 GAM
KYD 디데이
산업 생활경제

속보

더보기

[김정호의 4차혁명 오딧세이] 인공지능 필수지식 '이산수학' 아시나요

기사입력 :

최종수정 :

※ 본문 글자 크기 조정

  • 더 작게
  • 작게
  • 보통
  • 크게
  • 더 크게

※ 번역할 언어 선택

1, 2차 산업혁명에 기여한 '미적분학'

전자공학에서 대학 2, 3 학년때 배우는 가장 기초적인 과목이 전자기학, 전기회로, 전자공학이다. 그리고 반도체 물성이론도 같이 배운다. 이 과목들에서 반도체로 이루어진 프로세서, 센서, 메모리, 무선통신 반도체 회로를 설계하고 제작하는데 필요한 기본 이론을 얻는다. 그래서 2, 3 학년 과목들이 제일 중요하다.

        김정호 교수

이러한 과목에 사용되는 가장 중요한 수학적 방법론이 미적분학이다. 단순히 미분, 적분 문제 해법을 넘어서 미분으로 이루어진 미분방정식, 적분으로 이루어진 적분 방정식을 푸는 연습을 하게 된다. 특히 전자기학에서는 경계 조건과 구조의 대칭을 이용한 벡터의 미분방정식을 많이 풀게 된다.

이러한 이론은 5G 무선통신용 전송선, 안테나 설계에 활용된다. 전기 및 전자 회로 문제에서는 시간의 변화에 대한 미분 방정식을 많이 푼다. 전자 소자의 특성이 전압 또는 전류의 미분으로 표현되기 때문이다. 회로 미분 방정식은 초기 시작점의 전류 전압 조건을 이용해서 미분 방정식 문제를 푸는데, 경우에 따라 주파수 영역으로 이동해서 대수적으로 문제를 풀기도 한다.

이처럼 기존의 공학에 필요한 수학은 미적분이 많이 활용되었다. 미적분학이 자연과 공학 문제에 대한 모델 수립, 수학적 해법을 제공하면서 동시에 공학 문제에 대한 통찰력과 이해력을 키워준다. 하지만 요즘 실제 공학 문제가 이렇게 단순한 선형 미분방정식으로 표현되는 경우는 이제 거의 없다.

예를 들어 반도체 내부만 하더라도 수억 또는 수조 개의 트랜지스터가 있게 되는데, 인간이 미분 방정식으로 동시에 모두 풀기 불가능하다. 그래서 대부분 요즈음은 컴퓨터로 미분방정식을 풀고 있다. 그래서 MATLAB으로 알려진 수학 전용 소프트웨어를 잘 사용해야 한다. 이제는 미적분의 개념만 잘 알면 된다.

전자파 해석, 안테나 설계에 사용되는 Maxwell Equation들. 미적분 방정식으로 표현되어 있다. [출처: Researchgate]


인공지능 알고리즘에 꼭 필요한 '이산수학'

요즈음 4차 산업혁명에 필요한 빅데이터는 모두 ‘0’ 과 ‘1’ 의 2진수로 표현되는 디지털 신호로 표시된다. 특히 인공지능을 위한 알고리즘 계산도 컴퓨터 내에서 디지털 신호 계산으로 이루어 진다. 신경세포(Perceptron)에서의 덧셈, 곱셈 작업도 모두 디지털 계산으로 구현된다. 데이터도, 계산도, 저장도 모두 디지털 반도체에서 이루어지고 있다. 이처럼 데이터가 디지털인 이유는 반도체 메모리 저장 장치 자체가 디지털 소자이기 때문이다. 또한 데이터 전송을 위한 광통신 네트워크, 무선 통신도 모두 디지털 신호 전송으로 수행된다. 따라서 4차 산업혁명의 토대는 ‘0’과 ‘1’로 표현되는 2진수 수학에 있다고 본다. 그 수학을 ‘이산수학(Discrete Mathematics)’라고 부른다.

기존의 미적분학은 연속되는 함수의 기울기를 구하거나 면적을 구한다. 그런데 디지털 신호는 ‘0’ 과 ‘1’은 급격하게 불연속적으로 신호가 변화한다. 그 변화 시점에서 함수 값이 불연속적이다. 그러니 그 불연속 시점에서 함수를 미분하면 무한대가 된다. 따라서 디지털 신호 처리와 인공지능 알고리즘의 구현과 해석은 기존의 미적분으로 해결할 수가 없다. 그래서 디지털 신호의 해석에 가장 필요한 수학이 ‘이산수학(Discrete Mathematics)’가 되고 있다. 이산수학은 ‘2 진수 수학’ 혹은 ‘디지털 수학’이라고 부를 수도 있다.

이산수학에서는 디지털 세계의 기본적인 개념, 원리, 법칙을 활용하여 실생활에서 일어나는 디지털 상황의 문제를 수학적으로 정의 할 수 있는 능력을 배양한다. 그리고 이를 바탕으로 논리적으로 사고하고 합리적으로 문제를 해결하는 능력과 태도를 기를 수 있다. 특히 디지털 이산적 개념을 적용하는 디지털 컴퓨터 사용이 지속적으로 증가함에 따라 요구되는 컴퓨터공학, 정보통신, 소프트웨어 등의 정보기술(IT) 분야에서 이산수학을 바탕으로 시스템을 설계하거나 컴퓨터를 이용해 문제를 해결하는 방법을 학습 할 수 있다.

추가적으로 이산수학과 관련된 지식은 인공지능 알고리즘과 학습 방법을 개발하고, 인공지능 머신러닝의 구조를 설계하는데 학문적 기반이 된다. 예를 들어 디지털 행렬 계산과 논리회로도 이산수학에 포함된다. 결국 이산수학은 인공지능의 수학적 토대가 된다.

이산 수학을 이용한 논리 계산을 위한 기본 수식들, [출처: KAIST]
연속 함수 수학과 이산 수학의 비교, [출처: 네이버 블로그]

 

수학도 바뀐다 

여기에 더해 이산수학이 컴퓨터 소프트웨어 제작에 필요한 논리적 사고력을 함양하는 데 큰 도움이 된다. 컴퓨터 프소프트웨어의 가장 기본적인 구조인 제어문, 반복문, 서브루틴의 개념에는 순차적인 논리 사고가 필요하며, 이산수학으로 단련되어 논리적 사고를 할 수 있는 프로그래머가 더 높은 생산성과 훌륭한 성과물을 보인다. 마지막으로 컴퓨터 프로그램 제작을 위한 추상화와 알고리즘에 이산수학의 이론들이 실제로 사용된다.

이산수학은 디지털 정보이론, 그래프이론, 알고리즘과 같은 이산적인 분야를 다룬다. 이처럼 이산 수학은 컴퓨터 과학의 기초이론으로서 가장 중요한 위치를 차지하고 있다. 더 나아가 이산수학의 개념은 4차 산업혁명의 빅데이터, 인공지능에 필요한 수학적 근간이 된다고 말할 수 있다.

특히 인공지능 연구에 필요한 기초 수학이 디지털 미적분, 행렬, 확률과 통계이다. 더 나아가 전문가가 되기 위해서는 디지털 게임이론, 정보이론 등도 필요하다. 여기에 꼭 기초가 되는 수학이 이산수학이다. 그래서 앞으로 이산수학이 전공을 불문하고 대학 1,2 학년 때 꼭 필수적으로 수강해야 하는 과목으로 생각한다. 1,2,3 차 산업에 필요한 수학이 있었고, 이제 4차 산업혁명에 더욱 중요한 수학이 새로이 등장하고 있다. 이산수학이 그 중의 기초이다.

이산수학에 기초한 디지털 세계에서의 문제 추상화, 모델링, 계산 과정, [출처=KAIST]

 

joungho@kaist.ac.kr 

  

[김정호 카이스트 전기 및 전자공학과 교수]  

[뉴스핌 베스트 기사]

사진
낸드 시장도 1Q '가격 쇼크' [서울=뉴스핌] 김아영 기자 = 올해 1분기 낸드(NAND) 플래시 시장에 전분기 대비 40% 이상의 유례없는 가격 폭등이 예상된다. 인공지능(AI) 데이터센터 투자 확대로 기업용 고성능 SSD(eSSD) 수요가 폭증한 반면, 제조사들이 투자 자원을 D램(DRAM)에 집중하면서 발생한 심각한 공급 부족이 가격 상승을 견인하고 있다. 특히 북미 클라우드 업체들의 수요가 몰리는 기업용 SSD는 최대 58%까지 가격이 상승할 것으로 보여 상반기 내내 강세가 지속될 것으로 분석된다. SK하이닉스가 세계 최초로 양산한 모바일용 낸드 설루션 제품 'ZUFS 4.1' [사진=SK하이닉스] 3일 시장조사업체 카운터포인트리서치에 따르면, 1분기 기가바이트(GB)당 낸드 플래시 평균 가격은 40% 인상될 전망이다. 특히 공급 우선순위에서 밀린 소비자용 제품의 타격이 크다. PC에 쓰이는 저사양 128GB 제품은 최근 50% 수준의 프리미엄이 붙어 거래되고 있다. 이러한 수급 불균형은 주요 공급사들이 AI 서버용 물량을 우선 배정하며 소비자용 생산을 감축한 영향이 크다. 여기에 작년 12월 마이크론이 리테일 사업 철수를 발표한 점도 시장 불안을 키우고 있다. 최정구 카운터포인트 수석 연구원은 "4분기 디램에서 보았던 레거시 디램 가격 폭등이 1분기 낸드에서 재현되는 양상"이라고 언급했다. 현재 삼성전자와 SK하이닉스, 마이크론이 증설을 추진 중이나 실제 양산까지는 시차가 존재한다. 작년 가동한 키옥시아의 기타카미(Kitakami) 팹2 역시 올해 하반기에야 생산량에 유의미한 기여를 할 것으로 보여, 단기적인 가격 강세는 불가피할 전망이다. 업계에서는 특히 북미 클라우드 서비스 제공업체(CSP)의 주문이 집중되면서 기업용 SSD 가격은 이번 분기에만 전 분기 대비 53~58% 급등할 것으로 예상한다. 데이터 저장장치인 낸드가 AI 메모리 열풍의 한 축으로 부상하며 기업용 시장을 중심으로 강력한 가격 상승 압박을 받는 것으로 분석된다. aykim@newspim.com 2026-02-03 14:57
사진
올해부터 제헌절도 '쉰다' [서울=뉴스핌] 김미경 기자 = 7월 17일 제헌절이 올해부터 다시 공휴일이 된다. 공휴일에서 제외된 2008년 이후 18년 만이다. 인사혁신처는 3일 제헌절을 공휴일로 지정하는 내용을 담은 공휴일에 관한 법률 개정안의 공포안이 국무회의에서 의결됐다고 밝혔다. 이 법안은 공포 3개월 뒤부터 시행된다. 이재명 대통령이 지난해 7월 15일 서울 용산 대통령실에서 31회 국무회의를 주재하고 있다. [사진=청와대] 제헌절은 대한민국 헌법이 공포된 1948년 7월 17일을 기념하는 날이다. 1949년 국경일·공휴일로 지정됐으나 '주5일제' 도입 이후 공휴일을 조정하면서 2008년에 공휴일에서 제외됐다. 이재명 정부는 헌법 정신을 되돌아보는 계기를 마련하고자 제헌절을 공휴일로 재지정하는 방안을 추진, 지난달 29일 국회 본회의에서 공휴일법 개정안이 통과됐다. 개정된 공휴일법이 시행되면 5대 국경일(3·1절, 제헌절, 광복절, 개천절, 한글날)이 모두 공휴일이 된다. 인사처는 '관공서의 공휴일에 관한 규정' 개정 등 후속 조치를 신속히 추진할 계획이다. the13ook@newspim.com 2026-02-03 16:37
기사 번역
결과물 출력을 준비하고 있어요.
종목 추적기

S&P 500 기업 중 기사 내용이 영향을 줄 종목 추적

결과물 출력을 준비하고 있어요.

긍정 영향 종목

  • Lockheed Martin Corp. Industrials
    우크라이나 안보 지원 강화 기대감으로 방산 수요 증가 직접적. 미·러 긴장 완화 불확실성 속에서도 방위산업 매출 안정성 강화 예상됨.

부정 영향 종목

  • Caterpillar Inc. Industrials
    우크라이나 전쟁 장기화 시 건설 및 중장비 수요 불확실성 직접적. 글로벌 인프라 투자 지연으로 매출 성장 둔화 가능성 있음.
이 내용에 포함된 데이터와 의견은 뉴스핌 AI가 분석한 결과입니다. 정보 제공 목적으로만 작성되었으며, 특정 종목 매매를 권유하지 않습니다. 투자 판단 및 결과에 대한 책임은 투자자 본인에게 있습니다. 주식 투자는 원금 손실 가능성이 있으므로, 투자 전 충분한 조사와 전문가 상담을 권장합니다.
안다쇼핑
Top으로 이동