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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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최태원 회장 "울산을 AI시티로" [서울=뉴스핌] 서영욱 기자 = 최태원 SK그룹 회장이 울산의 미래 발전 방향으로 'AI시티(AI City)'를 제시했다. 제조업 경쟁력을 인공지능(AI)으로 끌어올리는 동시에 시민의 일상에 AI를 접목하고, 산업도시에 예술과 감성을 더해 울산을 새로운 형태의 AI 도시로 만들자는 구상이다. 13일 SK에 따르면 최 회장은 지난 11일 울산 울주군 울산전시컨벤션센터에서 열린 '2026 울산포럼' 클로징 세션에서 "미래 울산은 AI시티의 모습이 돼야 한다"며 제조AI와 '모두의 AI', '아트(Art) 울산' 등 세 가지 방향을 제시했다. 최태원 SK그룹 회장이 11일 울산시 울주군 울산전시컨벤션센터(UECO)에서 열린 '2026 울산포럼' 클로징 세션에서 AI시대 울산의 미래 발전 방향에 대해 이야기하고 있다. [사진=SK] 우선 제조AI를 통해 울산의 주력 산업 경쟁력을 높이겠다는 구상이다. 최 회장은 제조 기술과 솔루션, 데이터를 결합해 생산성을 끌어올려야 한다고 강조했다. 특히 AI 경쟁력 확보를 위해서는 개별 기업을 넘어 대규모 데이터를 축적하고 활용할 수 있는 플랫폼이 필요하다고 봤다. 최 회장은 "제조AI는 기술이 중요하고 생산성을 높여야 하지만 규모 있는 데이터 플랫폼이 없다면 쉽지 않다"며 "데이터를 모으고 필요한 데이터의 규모를 키우는 것은 울산만의 문제가 아니라 대한민국의 문제"라고 말했다. AI를 시민 생활로 확장하는 '모두의 AI' 구상도 내놨다. SK가 구상 중인 시민용 AI 에이전트로, 개인에게 맞는 공공·복지 혜택과 생활 정보를 제공하고 행정·교통·의료·교육 등 다양한 서비스를 연결해 이용자의 요청까지 수행하는 것이 목표다. 여기에 '아트 울산'을 통해 제조업 중심의 산업도시에 예술과 감성을 접목한다. 최 회장은 "모두의 AI를 통해 울산 시민들의 행복을 높이고 도시에 감성을 더해 예술이 있는 산업도시로 나아가야 한다"고 강조했다. 최태원 SK그룹 회장(왼쪽 7번째), 김상욱 울산시장(왼쪽 8번째), 이윤철 울산상공회의소 회장(왼쪽 6번째) 등 주요 참석자들이 11일 울산시 울주군 울산전시컨벤션센터(UECO)에서 열린 '2026 울산포럼'에서 기념촬영을 하고 있다. [사진=SK] AI 산업의 지속 가능한 성장 조건으로는 '비즈니스 모델'을 꼽았다. 막대한 자본과 자원이 투입되는 AI가 장기적으로 성장하려면 기술 경쟁을 넘어 수익을 창출하고 이를 다시 투자하는 선순환 구조를 만들어야 한다는 설명이다. 최 회장은 "막대한 자원을 투입한 만큼 더 나은 비즈니스 모델을 만들어 상업화해야 한다"며 "AI가 스스로 이익을 창출하고 다시 투자할 수 있는 지속 가능한 구조까지 가야 한다"고 말했다. SK는 울산의 AI 인프라와 '모두의 AI'를 결합해 지역 특화 AI 생태계를 구축할 계획이다. 이날 포럼에서는 울산 제조업의 AI 전환(AX)을 위한 피지컬 AI 전략과 AI를 활용한 지역사회 문제 해결 방안 등이 논의됐다. 최 회장은 AI 시대에 필요한 청년의 역량으로 '생각 근육', '공감의 힘', '적응 근육', '피지컬 근육'도 제시했다. AI에 사고를 맡기기보다 문제의 본질을 스스로 고민하고 타인과 공감하며, 실패에서 회복하고 직접 경험하는 능력이 중요하다는 의미다. 최태원 SK그룹 회장이 11일 울산시 울주군 울산전시컨벤션센터(UECO)에서 '2026 울산포럼'과 연계해 열린 'WAVE 2026(울산세계미래산업박람회)' 전시장을 둘러보고 전시 콘텐츠를 직접 체험하고 있다. [사진=SK] 최 회장은 "AI 툴을 가지고 사람을 이해하는 것이 앞으로 가야 하는 교육 방향이 될 것"이라고 말했다. 올해로 5회를 맞은 울산포럼은 최 회장의 제안으로 시작돼 기업과 지역사회가 울산의 지속 가능한 성장 방안을 논의하는 자리로 운영되고 있다. 올해 행사에는 울산지역 대학생과 시민 등 1만900여명이 온·오프라인으로 참여해 역대 최대 규모를 기록했다. 최 회장은 "울산포럼이 상시 플랫폼 형태로 자리 잡았다"며 "가능한 생각과 아이디어를 모아 울산의 발전에 견인차 역할을 하도록 돕겠다"고 말했다. syu@newspim.com 2026-09-13 16:15
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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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