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

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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]  

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UAE "바라카 원전, 드론 피격" [서울=뉴스핌] 오상용 기자 = 아랍에미리티(UAE)의 아부다비 당국은 17일 "알다프라 지역에 위치한 바라카 원자력 발전소에서 드론 공격에 의한 화재가 발생했다"고 밝혔다. 로이터에 따르면 아부다비 공보국은 "원전 내부 경계선 바깥에 위치한 발전기가 드론 공격을 당했다"며 "당국이 화재 발생에 대응하고 있다"고 알렸다. 이어 "인명 피해는 보고되지 않았고 방사선 안전 수준에도 영향이 없다"며 "연방 원자력 당국은 발전소의 주요 시스템이 정상적으로 작동하고 있음을 확인했다"고 전했다. 해당 드론이 어디서 발사됐는지에 대해서는 아직 알려진 게 없다.  앞서 이란 최고지도자의 수석 고문인 모하마드 모흐베르는 자신의 X 계정에 "이란은 수년간 걸프 국가(이웃 아랍 국가)들을 친구이자 형제로 여겼지만, 그들은 독립성을 버리고 팔레스타인과 이란의 적들에게 자신들 조국의 운명을 맡겼다"고 비난했다. 그는 "이란은 미 중부사령부의 임대 전초 기지(중동 역내 미군 기지)들에 대해 전면적 대응을 하지 않았지만 이런 자제가 영원하지는 않을 것"이라고 했다. 모흐베르 고문은 해당 게시글에 #쿠웨이트와 #아랍에미리트(UAE)라는 해시태그를 붙여 자신의 비난이 쿠웨이트와 UAE에 맞춰져 있음을 시사했다. 지난 13일 쿠웨이트 당국은 부비얀섬에 침투하려던 이란 이슬람혁명수비대 대원 4명을 체포했다고 발표, 이란과 긴장 수위를 높였다. 이번 전쟁에서 UAE는 중동 내 가장 두드러진 반(反)이란 노선을 취하고 있다. 지난달 이스라엘과 공조해 이란 본토 공격을 감행한 것으로 알려져 있다. UAE 당국은 공식적으로는 부인했지만, 주요 외신들을 통해서는 베냐민 네타냐후 이스라엘 총리가 전쟁 중 UAE를 은밀히 방문했다는 보도도 나온 바 있다. 지난 1일(현지시간) 아랍에미리트(UAE) 두바이 제벨알리 항만 인근에서 연기가 솟고 있는 모습. [사진=로이터 뉴스핌] osy75@newspim.com 2026-05-17 19:52
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北 내고향축구단, 19일 기자회견 [서울=뉴스핌] 남정훈 기자 = 수원FC 위민과의 남북 맞대결을 앞둔 북한 여자축구 클럽팀 내고향여자축구단이 17일 오후 인천국제공항을 통해 한국 땅을 밟았다. 내고향여자축구단은 2025-2026 아시아축구연맹(AFC) 여자 챔피언스리그(AWCL) 4강전 참가를 위해 방한했다. 통일부는 지난 14일 내고향여자축구단의 남한 방문을 승인했고, 대한축구협회가 통보한 선수단 및 관계자 총 39명이 이날 입국했다. [영종도=뉴스핌] 이형석 기자 = 북한 내고향축구단이 17일 오후 인천공항을 통해 방남하고 있다. 2026.05.17 leehs@newspim.com 북한 여자 축구 클럽팀이 한국을 찾은 것은 이번이 처음이다. 북한 축구팀의 방한 자체도 2018년 강원도 춘천·인제에서 열린 아리스포츠컵 국제축구대회 참가 이후 8년 만이며, 성인 여자 축구팀 기준으로는 2014 인천 아시안게임 이후 12년 만이다. 당시 북한 여자대표팀은 금메달을 차지했고, 남자대표팀은 은메달을 획득한 바 있다. 내고향여자축구단은 지난 13일부터 16일까지 중국 베이징에서 경유지 캠프를 차리며 현지 훈련을 진행했고, 이날 한국에 입성했다. 입국 직후에는 숙소로 이동했으며, 이후 훈련 일정은 비공개로 진행될 예정이다. 아시아축구연맹(AFC) 규정상 공식 훈련 이전 비공개 훈련은 문제 없다. 북한 평양을 연고로 한 내고향여자축구단은 2012년 창단된 기업형 구단이다. 소비재 기업 '내고향'의 후원을 받고 있으며, 북한 여자축구 1부 리그에서 여러 차례 우승한 강호로 평가받는다. 이번 대회에서도 강력한 우승 후보로 꼽힌다. [영종도=뉴스핌] 이형석 기자 = 북한 내고향축구단이 17일 오후 인천공항을 통해 방남하고 있다. 2026.05.17 leehs@newspim.com 실제 내고향여자축구단은 예선리그를 3전 전승으로 통과했고, 이 대회 조별리그 C조에서는 2승 1패로 8강 토너먼트에 진출했다. 특히 조별리그에서 성사된 수원FC 위민과의 첫 남북 클럽 맞대결에서는 3-0 완승을 거두며 강한 인상을 남겼다. 이어 8강에서는 베트남 호찌민을 3-0으로 완파하고 준결승 무대까지 올랐다. 수원FC 위민에는 한국 여자 축구의 전설 지소연을 비롯해 김혜리, 최유리 등 전·현직 한국 국가대표가 포진해 있다. 지난 3월 대회 8강전에서는 디펜딩 챔피언 우한 장다(중국)를 4-0으로 완파하며 준결승에 올랐다. 남북 클럽팀의 맞대결은 오는 20일 오후 7시 수원종합운동장에서 열린다. 승리 팀은 23일 오후 2시 같은 장소에서 멜버른 시티(호주)와 도쿄 베르디 벨레자(일본) 경기 승자와 결승전을 치른다. 이번 대회는 여자축구 클럽 차원의 남북 대결이라는 점에서 큰 관심을 받고 있다. 대한축구협회에 따르면 4강전 티켓은 예매 시작 약 12시간 만에 일반 판매분 7087장 모두 매진됐다. [영종도=뉴스핌] 이형석 기자 = 방남한 북한 내고향축구단이 17일 오후 인천공항에서 버스에 탑승하고 있다. 2026.05.17 leehs@newspim.com 내고향여자축구단은 오는 19일 수원종합운동장에서 공식 훈련과 기자회견을 진행하며 한국 팬들에게 처음 공개된다. 다만 대회 규정상 공식 기자회견은 팀별로 따로 열려 수원FC 위민 선수단과 직접 만나는 장면은 경기 당일까지 미뤄질 예정이다. 20일 경기 종료 후에는 공동취재구역(믹스트존)이 운영된다. 내고향여자축구단 선수단도 규정에 따라 해당 구역을 지나가야 하지만, 인터뷰 요청에 응하지 않을 가능성도 있다. 한편 통일부는 이번 준결승전 현장 응원이 남북 상호 이해 증진에 도움이 된다고 판단해 남북협력기금 3억원 지원을 결정했다. 지원금에는 경기 티켓과 응원도구 제작, 남북교류협력지원협회의 행정 비용 등이 포함된 것으로 알려졌다.  wcn05002@newspim.com 2026-05-17 15:48
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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.
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