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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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김영국 주택토지실장은 누구 [서울=뉴스핌] 최현민 기자 = 40여일간 이어진 공백 끝에 국토교통부 주택정책의 컨트롤타워인 주택토지실장에 김영국 주택공급추진본부장이 전격 발탁되면서 그 배경에 관심이 쏠리고 있다. 이번 인사는 단순한 보직 이동을 넘어 공급 확대에 주력해온 국토부가 향후 시장 관리와 제도 정비 기능까지 강화하며 '시장 안정'에도 무게를 싣겠다는 신호로 해석된다. 주택토지실장은 주택가격 동향 관리부터 청약·임대차 제도, 토지거래허가구역 운영 등 부동산 시장의 핵심 규칙을 설계하는 국토부 내 핵심 요직이다. 지난 3월 30일 이후 한 달 반 가까이 공석 상태가 이어졌던 만큼, 이번 인사를 계기로 시장 안정 대응과 각종 규제·제도 정비 작업에도 속도가 붙을 것이란 전망이 나온다. [AI일러스트 = 최현민기자] ◆ '물량'에서 '관리'로… 40일 공석 깨고 등판한 구원투수 14일 업계에 따르면 최근 신임 주택토지실장에 김영국 주택공급추진본부장이 발탁되면서 국토교통부가 기존 공급 확대 기조를 유지하면서도 시장 관리와 제도 정비 기능 강화에 나선 것 아니냐는 관측이 나온다. 이번 인사는 신도시 개발과 정비사업 등 공급 정책을 총괄하던 수장을 주택 금융과 제도, 시장 관리 정책을 아우르는 핵심 자리로 이동시켰다는 점에서 의미가 크다. 공급 현장에서 쌓은 경험을 바탕으로 실제 시장에서 작동하는 정책 추진력을 높이고, 공급 과정에서 반복적으로 제기돼온 규제와 사업 지연 요인을 해소하려는 의도가 반영됐다는 분석이다. 주택공급추진본부는 기존 공공주택추진단을 실장급 조직으로 격상해 지난해 말 신설된 조직이다. 공공택지 발굴과 3기 신도시 조성, 노후계획도시 정비 등 공급 확대 정책을 실행하며 재개발·재건축과 도심복합사업 등 현 정부의 핵심 공급 과제를 실무에서 담당해왔다. 반면 주택토지실은 주택·토지·주거복지 정책을 총괄하며 임대차 제도와 토지거래허가제, 공시가격, 부동산 소비자 보호 등 시장 전반의 제도와 질서를 관리하는 조직이다. 업계에서는 공급 현장 경험이 풍부한 실무형 인사를 정책 총괄 자리에 배치한 것은 현장과 정책 간 괴리를 줄이고 정책 대응력을 높이기 위한 포석이라는 해석이 나온다. 특히 40일 넘게 이어진 주택토지실장 공백을 깨고 김 실장을 전진 배치한 것은 최근 부동산 시장 불확실성이 커지는 상황에서 정책 컨트롤타워 기능을 강화하려는 의도로 읽힌다. ◆ 공급·시장안정 '투트랙'…규제 정비 본격화하나 시장에서는 이번 인사가 단순한 인적 쇄신을 넘어 공급 확대와 시장 안정을 동시에 추진하기 위한 신호탄이라는 해석도 나온다. 최근 국토부는 토지거래허가구역과 실거주 의무 등 시장 안정과 직결된 제도 조정 이슈 대응에 집중하고 있다. 특히 비거주 1주택자 실거주 의무 유예 확대 등은 시장 안정과 매물 유도, 형평성 문제가 맞물린 대표적인 현안으로 꼽힌다. 공급 전문가인 김 실장이 정책 총괄을 맡게 되면서 공급 과정에서 반복적으로 제기됐던 토지 규제와 정비사업 병목 현상 등에 대한 제도 개선 논의도 속도를 낼 것이란 전망이 나온다. 실제 사업 현장에서 걸림돌로 작용했던 규제와 절차를 보다 현실적으로 손질할 가능성이 크다는 평가다. 다만 이번 인사를 두고 정부가 공급 확대 기조에서 선회한 것으로 보는 시각은 많지 않다. 공급 정책은 유지하되 시장 안정과 제도 정비 기능까지 함께 챙기려는 차원의 인사라는 해석이 나온다. 국토부 관계자는 "김 본부장은 과거 주택정책과장 등을 맡으며 주택 시장 전반을 두루 경험한 인물"이라며 "최근 시장 상황 등을 종합적으로 조망할 수 있는 주택토지실장 자리가 중요한 만큼 당분간 공급과 시장 관리 역할을 함께 맡게 될 것"이라고 설명했다. 이어 "시장 안정 역시 중요한 과제지만 정부의 공급 확대 기조에는 변화가 없다"며 "주택 공급은 가장 중요한 정책 과제라는 점은 분명하다"고 강조했다. 한 부동산학과 교수는 "그동안 공급 확대에 집중했던 국토부가 이제는 불확실한 시장의 안정까지 같이 도모하겠다는 의지를 보인것"이라며 "공급 현장을 잘 아는 인사가 정책 총괄을 맡게 되면 실제 시장에서 작동할 수 있는 현실적인 대책이 나올 가능성이 커질 것"이라고 말했다. min72@newspim.com 2026-05-14 15:01
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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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