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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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14~15일 중부 최대 120㎜ 폭우 예고 [서울=뉴스핌] 김지나 기자 = 행정안전부가 14일 오후부터 중부지방을 중심으로 강풍을 동반한 집중호우가 예보됨에 따라 관계기관 대책회의를 열고 침수·산사태 우려 지역에 대한 선제 점검과 통제 강화를 지시했다. 행정안전부는 14일 윤호중 장관 주재로 관계기관 대책회의를 개최하고 호우와 강풍에 대비한 대응 상황을 점검했다고 밝혔다. 회의에는 행정안전부와 농림축산식품부, 기상청 등 10개 중앙행정기관과 16개 지방자치단체, 한국공항공사 등이 참석했다. 폭우가 쏟아진 9일 오전 서울역 인근에서 우산을 쓴 시민들이 발걸음을 재촉하고 있다. [사진=뉴스핌DB] 기상청에 따르면 이날 저녁부터 15일 새벽까지 수도권과 강원, 충청권을 중심으로 돌풍과 천둥·번개를 동반한 시간당 20~30㎜, 경기·강원 북부는 시간당 30~50㎜의 매우 강한 비가 내릴 것으로 예보됐다. 예상 강수량은 수도권 30~100㎜(경기 북부 최대 120㎜ 이상), 강원 내륙·산지 30~80㎜(많은 곳 100㎜ 이상), 충청권과 전북 30~80㎜, 전남과 제주 20~60㎜ 등이다. 행안부는 퇴근 시간대와 심야 시간에 강한 비가 집중될 것으로 예상되는 만큼 인명피해 예방에 중점을 두고 대응할 것을 관계기관에 주문했다. 우선 상습 침수지역과 피해 우려지역에 대한 사전 점검을 강화하고, 지하차도와 하상도로 등 침수 취약 구간은 실시간 모니터링을 통해 필요 시 선제적으로 출입을 통제하도록 했다. 빗물받이 이물질 제거와 반복 점검도 실시해 침수 피해를 최소화할 방침이다. 반지하주택과 하천변 산책로 등 침수 취약지역에 대한 예찰도 강화한다. 지난 8~10일 내린 비로 지반이 약해진 산지와 급경사지 등 붕괴 우려 지역은 사전 점검을 실시하고, 위험 징후가 확인되면 주민들이 신속히 대피할 수 있도록 안내할 계획이다. 특히 고령자 등 자력 대피가 어려운 주민은 주민대피지원단과 연계해 1대1 지원 체계를 재점검하도록 했다. 강풍에 대비한 안전조치도 강화된다. 행안부는 순간풍속 초속 20m 이상의 강풍이 예상됨에 따라 옥외광고물과 가로수, 건설현장 크레인, 공사장 가설시설 등 전도와 낙하 위험 시설물은 사전에 고정하거나 철거하도록 요청했다. 또 재난문자와 마을방송 등 다양한 매체를 활용해 기상정보와 국민행동요령을 신속히 전파하고 외출 자제와 위험지역 접근 금지 등을 적극 안내할 계획이다. 김용균 자연재난실장은 "정부는 집중호우와 강풍으로 인한 피해를 최소화하기 위해 대응체계를 빈틈없이 유지하겠다"며 "국민 여러분께서도 기상정보와 재난문자를 수시로 확인하고, 안전수칙을 준수해 주시길 바란다"라고 말했다.   abc123@newspim.com 2026-07-14 10:02
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트럼프 "호르무즈 통행료 20% 징수" [워싱턴=뉴스핌] 박정우 특파원 = 도널드 트럼프 미국 대통령은 13일(현지시간) 이란 항구에 대한 미 해군의 봉쇄조치를 재개한다고 선언했다. 또 미국이 호르무즈 해협을 통과하는 선박들에 안전을 제공하는 비용으로 선적 화물의 20%를 부과할 것이라고 밝혔다. 트럼프 대통령은 이날 소셜미디어 트루스소셜을 통해 "호르무즈 해협은 열려 있을 것이며, 이란이 원하든 원하지 않든 유지될 것"이라며 "이란 봉쇄(THE IRANIAN BLOCKADE) 조치를 재개한다"고 밝혔다. 이어 이란과 관련 물류 수송을 제외한 "다른 모든 국가들은 해협을 공정하고 자유롭게 이용할 수 있다"고 덧붙였다. 트럼프 대통령은 그러면서 미국이 '호르무즈 해협의 수호자(THE GUARDIAN OF THE HORMUZ STRAIT)'가 될 거라며 안전 제공 비용을 청구할 것이라고 선언했다. 그는 미국이 "수호자로서, 그리고 공정함의 차원에서, 이 불안정한 세계 요충지에 안전과 보안을 제공하는 업무에 필요한 모든 비용에 대해 선적 화물의 20% 비율로 보상(비용 청구)을 받을 것"이라며 관련 절차가 즉시 시작된다고 덧붙였다. 트럼프 대통령의 이날 대 이란 봉쇄 재개와 호르무즈 안전 제공 비용 징수 선언은 이란이 미국의 호르무즈해협 개방 요구를 거부하고 폐쇄를 선언한 뒤 나왔다. 미군은 이란에 대한 추가 공격에 나서 방공망과 드론 전력 등을 타격했다. 이로써 이란과 휴전 합의로 종료됐던 이란 항구에 대한 미군의 해상 봉쇄가 3주 만에 재개됐다. 트럼프 대통령은 특히 호르무즈해협을 미국이 관리하고 그 대가를 받겠다는 입장을 밝히며 사실상 해협 통제권 확보 의지를 드러냈다는 평가다. 반면 이란 군은 어떠한 경우에도 미국이 해협 관리에 개입하는 것을 허용하지 않겠다고 반발하고 있어 양측의 충돌이 격화될 가능성이 커 보인다는 평가다. 월스트리트저널(WSJ)은 "양측의 대립은 해협 통제권을 둘러싼 대치 상태가 지속될 가능성을 예고한다"며 "글로벌 석유 시장에 추가적인 압박을 가할 위험이 있다"고 경고했다. 실제 호르무즈 해협을 둘러싼 미국과 이란 간 대치 격화 속에 이날 브렌트유 가격은 배럴당 79달러대까지 오르며 약 4% 상승한 것으로 집계됐다. 호르무즈 통행량 회복세도 이미 꺾이는 등 해상 물류 위축 움직임은 이미 현실화하고 있다는 지적이다. 선박 추적 데이터 업체 케플러(Kpler)는 지난 주말 호르무즈 해협을 통과한 것으로 확인된 선박 수가 전주 대비 절반 이상 감소한 19척에 불과했다고 밝혔다. 이는 미국과 이란 간 예비 평화 협정인 양해각서(MOU)가 체결되기 전과 비슷한 수준으로 케플러는 대부분의 선박이 이란이 승인한 항로나 비밀 경로를 이용했으며, 미국이 지원하는 오만 인근 통로를 통한 통행은 끊겼다고 전했다. WSJ은 미국이 트럼프 대통령이 공언한 대로 호르무즈 해협을 군사적으로 장악하려면 상당한 규모의 지상군 침공이나 위험한 해군 작전이 필요할 것으로 전망했다.  도널드 트럼프 미국 대통령의 트루스소셜 게시글. [사진=트루스소셜] dczoomin@newspim.com 2026-07-14 00:17
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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.
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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