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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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트럼프 "19일 서명·해협 개방 동시에" [워싱턴=뉴스핌] 박정우 특파원 = 도널드 트럼프 미국 대통령은 14일(현지시간) 이란과의 협정 체결을 계기로 호르무즈 해협이 재개방될 것이라고 밝히며, 중동 지역의 긴장 완화와 원유 수송 정상화에 대한 기대를 재차 강조했다. 트럼프 대통령은 이날 소셜미디어 트루스 소셜에 올린 게시글을 통해 "이번 위대한 합의는 중동 전역에 평화와 안보를 가져올 것"이라며 "금요일(19일) 협정 서명과 동시에 해협이 개방되고, 기뢰 제거 작업을 위해 일정 시간이 필요하다"고 밝혔다. 이어 "이를 통해 역내는 물론 전 세계를 향한 원유 흐름이 양방향으로 다시 정상화될 것"이라고 주장했다. 그는 또 "많은 미국 대통령들이 이란과의 평화를 시도했지만 모두 실패했다"며 "역내 지도자들은 처음으로 진정한 평화를 달성할 수 있도록 도울 대통령을 찾았다"고 자평했다. 이는 자신이 추진 중인 대이란 협상이 기존 외교적 시도, 특히 버락 오바마 전 대통령의 이란 핵협정(JCPOA)rhk 차별화된 성과를 낼 것이라는 점을 부각하려는 발언으로 풀이된다. 앞서 트럼프 대통령은 별도의 게시글을 통해 이란 항구에 대한 미 해군의 봉쇄 조치를 "즉각 해제하도록 승인했다"고 밝힌 바 있어, 이번 발언은 군사적 긴장 완화와 해상 교통 정상화를 병행하는 조치의 연장선으로 해석된다. 다음은 트럼프 대통령의 게시글 전문 번역이다. "이번 위대한 합의는 중동 전역에 평화와 안보를 가져올 것이다. 많은 대통령들이 이란과의 평화를 만들려고 시도했지만, 나 이전에는 모두 실패했다. 역내 지도자들은 처음으로 진정한 평화를 달성할 수 있도록 도울 수 있는 대통령을 찾았다. 금요일 협정 서명과 함께 해협이 개방되면, 기뢰 제거를 위한 목적에서 일정 시간이 소요되겠지만, 역내와 전 세계를 향한 원유가 양방향으로 다시 흐르게 될 것이다. 도널드 J. 트럼프 대통령" 도널드 트럼프 미국 대통령의 소셜미디어 트루스소셜 게시글. [사진=트루스 소셜] dczoomin@newspim.com 2026-06-15 08:19
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김명수 前합참의장 구속심사 출석 [서울=뉴스핌] 박민경 기자 = 12·3 비상계엄에 가담한 혐의를 받는 김명수 전 합동참모본부 의장이 15일 구속 전 피의자 심문(영장실질심사)을 받기 위해 법원에 출석했다. 서울중앙지법 부동식 내란영장전담 부장판사는 이날 오전 9시 30분부터 내란중요임무종사 혐의를 받는 김 전 의장에 대한 영장실질심사에 들어갔다.  12·3 비상계엄에 가담한 혐의를 받는 김명수 전 합동참모본부 의장이 15일 구속 전 피의자 심문(영장실질심사)을 받기 위해 법원에 출석했다. 사진은 서울 서초구 서울중앙지법 전경. [사진=뉴스핌DB] 이날 심문에 참석한 2차 종합특별검사팀의 김정민 특검보는 "계엄 당시 상황을 잘 설명드리고 당시 합참이 국민이 바라는 바를 전혀 이행하지 못했다는 점을 강조할 것"이라며 "조사 과정에서 계엄을 막고자 행동했던 사람들은 영장 청구 대상에서 제외했고, 현재 심사 대상이 된 사람들은 국민적 요구를 제대로 이행하지 못한 것이 가장 큰 잘못"이라고 말했다. 김 전 의장이 혐의를 부인하는 것과 관련해서는 "법의 세세한 규정을 가지고 의무가 있느냐 없느냐를 따지는 것은 형식 논리"라며 "현역 군인 군령권자 서열 1위인 합참의장이 이 사태에 대해 아무것도 하지 않았고, 이후 '아무것도 할 수 없었다'고 변명하는 것은 국민 상식에 반한다"고 지적했다. 이어 "이번 심사에서는 김 전 의장이 실제로 아무것도 할 수 없는 위치가 아니었다는 점을 정확히 지적할 것"이라고 덧붙였다. 김 특검보는 김 전 의장의 행위가 단순 부작위에 그치지 않았다고도 주장했다. 그는 "계엄 상황실 조성에 협조했고 계엄사 부사령관, 기조실장, 상황실 핵심 인력 대부분이 합참 요원이었다"며 "단편 명령 역시 적극적 지원 행위의 한 예"라고 설명했다. 이어 "참모들과 국가안보실장까지 국회에 투입된 병력 철수를 건의했지만 이를 묵살했다"며 "이는 단순한 도덕적 문제가 아니라 명확한 법적 의무 위반이라고 보고 있다"고 강조했다. 같은 혐의를 받는 이재식 전 합참 전비태세검열차장과 정진팔 전 합참 차장, 김흥준 전 육군본부 정책실장의 영장실질심사는 각각 15일 오전 11시, 오후 2시, 오후 3시 30분에 열린다. 이들은 모두 내란중요임무종사 혐의를 받고 있다. 2차 종합특검은 지난 9일 김 전 의장 등 4명에 대해 사전구속영장을 청구했다.  서울중앙지법 부동식 내란영장전담 부장판사는 15일 오전 9시 30분부터 내란중요임무종사 혐의를 받는 김명수 전 의장에 대한 영장실질심사를 진행한다. 사진은 김명수 전 합참의장이 지난 5월 27일 2차 종합특별검사팀에 출석하는 모습. 2026.05.27 yek105@newspim.com 특검은 김 전 의장이 비상계엄 당시 합참 지휘통제실에서 국회 등에 군 병력이 투입되는 상황을 인지하고도 계엄사령부 구성에 참여하고, 특전사와 수방사에 '계엄 사무를 우선하라'는 취지의 지시를 내린 것으로 보고 있다. 특검은 또 김 전 의장이 계엄 선포 절차의 위법성 문제와 국회 투입 병력 철수 필요성에 대한 보고를 받았음에도 별다른 조치를 하지 않았다는 진술과 관련 자료를 확보한 것으로 알려졌다. 반면 김 전 의장은 특검 조사 과정에서 윤석열 전 대통령의 비상계엄 계획을 사전에 알지 못했으며, 당시 군은 안보 공백 방지와 우발적 충돌 예방을 위한 임무를 수행했을 뿐이라는 입장을 밝혔다. 김 전 의장 등의 비상계엄 가담 의혹은 종합특검의 첫 인지 사건으로, 이번 영장실질심사 결과는 향후 특검 수사의 향방을 가를 첫 분수령이 될 것으로 보인다. pmk1459@newspim.com 2026-06-15 10:17
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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.
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