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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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삼성전자, 2분기에만 작년 2배 벌어 [서울=뉴스핌] 김정인 기자 = 삼성전자가 올해 2분기 또 한 번 사상 최대 실적을 새로 썼다. 인공지능(AI) 데이터센터 투자 확대가 고대역폭메모리(HBM)를 넘어 서버용 D램과 범용 메모리 수요까지 끌어올리면서 반도체 사업이 전사 실적을 사실상 견인했다. 특히 2분기 영업이익은 지난해 연간 영업이익의 2배를 넘어섰다. 한 분기 만에 지난해 1년 치 이익을 훌쩍 웃도는 수익을 거둔 셈이다. 메모리 가격 상승과 공급 부족이 맞물리면서 실적 체력이 과거 메모리 슈퍼사이클 때와는 다른 수준으로 올라섰다는 평가가 나온다. [AI 인포그래픽=김정인 기자] ◆ 매출·영업익 모두 최대치 경신 삼성전자는 7일 연결 기준 올해 2분기 잠정실적으로 매출 171조원, 영업이익 89조4000억원을 기록했다고 밝혔다. 전 분기 대비 매출은 27.7%, 영업이익은 56.2% 증가했다. 지난해 같은 기간과 비교하면 매출은 129.3%, 영업이익은 1810.3% 급증했다. 이번 영업이익은 지난해 연간 영업이익 43조6011억원의 약 2배 수준이다. 직전 분기인 올해 1분기 영업이익 57조2328억원도 크게 웃돌았다. 매출 역시 1분기 133조8734억원을 넘어 분기 기준 최대치를 다시 경신했다. ◆ AI 투자 확대에 메모리 전방위 수혜 실적 개선의 중심에는 반도체 사업이 있다. 삼성전자는 이날 잠정실적 발표에서 사업부문별 실적을 공개하지 않았지만, 증권가에서는 디바이스솔루션(DS) 부문이 전사 영업이익의 대부분을 차지했을 것으로 보고 있다. 이는 글로벌 빅테크 기업들이 AI 데이터센터 투자를 공격적으로 늘리면서 메모리 수급이 빠르게 개선된 영향이다. 엔비디아 등 주요 AI 반도체 기업을 중심으로 HBM 수요가 늘어난 데 이어, 서버용 D램과 범용 D램, 낸드까지 수요 회복세가 확산됐다. 공급이 수요를 따라가지 못하는 상황도 가격 상승을 부추겼다. 시장조사업체 디램익스체인지에 따르면 지난달 PC용 범용 D램 평균 고정거래가격은 전월 대비 5% 상승하며 조사 시작 이후 최고 수준을 기록했다. 서버용 D램과 HBM도 AI 서버 투자 확대에 힘입어 높은 가격과 수익성을 유지하고 있는 것으로 파악된다. 업계에서는 세계 최대 메모리 생산능력을 갖춘 삼성전자가 이번 사이클의 수혜를 크게 누린 것으로 본다. HBM처럼 고부가 제품 수요가 늘어나는 동시에 범용 메모리 가격도 오르면서 메모리 사업 전반의 이익률이 개선됐다는 분석이다. 서울 서초구 삼성전자 사옥 전경 [사진=뉴스핌DB] ◆ 충당금 반영하고도 90조 육박 이번 실적에서 또 하나의 변수는 반도체 사업부 특별성과급 충당금이다. 증권가는 삼성전자가 2분기 실적에 DS부문 특별성과급 지급을 위한 충당금을 반영했을 것으로 보고 있다. 앞서 삼성전자와 노사는 DS부문 특별성과급 지급에 합의했다. 증권업계에서는 관련 충당금 규모를 10조원 후반대로 추산한다. 이를 감안하면 회계상 비용을 제외한 기준의 2분기 영업이익은 100조원을 넘어섰을 가능성도 거론된다. 충당금 부담을 반영하고도 영업이익이 90조원에 근접했다는 점은 메모리 업황의 강도를 보여주는 대목이다. 단순한 가격 반등이 아니라 AI 인프라 투자 확대가 장기 공급계약과 고부가 제품 판매 확대로 이어지면서 수익 구조 자체가 개선되고 있다는 해석이 가능하다. ◆ 반도체 쏠림 커진 실적 구조 반면 완제품 사업은 반도체와 온도차를 보인 것으로 추정된다. 디바이스경험(DX) 부문은 스마트폰 사업의 계절적 비수기와 부품 가격 상승에 따른 원가 부담으로 수익성이 둔화했을 가능성이 크다. 증권가에서는 스마트폰을 담당하는 모바일경험(MX)·네트워크 사업부의 2분기 영업이익을 5000억~1조원 수준으로 보고 있다. 1분기 신제품 출시 효과가 약해진 데다 주요 부품 가격 상승이 수익성을 압박한 것으로 풀이된다. TV와 생활가전도 수요 회복이 더디면서 실적 개선 폭이 제한적이었을 것으로 분석된다. 증권가에서는 영상디스플레이(VD)·생활가전(DA) 사업부 영업이익을 1000억원 미만으로 추정하고 있다. 삼성디스플레이는 전년 동기와 비슷한 5000억원 안팎, 전장 자회사 하만은 2000억~3000억원 수준의 영업이익을 기록한 것으로 추산된다. kji01@newspim.com 2026-07-07 08:14
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호날두 '눈물의 라스트 댄스' [서울=뉴스핌] 박상욱 기자 = 크리스티아누 호날두의 마지막 월드컵이 16강에서 막을 내렸다. 포르투갈은 축구계에서 가장 뜨거운 라이벌 매치 중 하나인 '이베리아 더비(Iberian Derby)'에서 스페인의 벽을 넘지 못하고 고개를 숙였다. 스페인(FIFA 랭킹 2위)은 7일 오전 4시(한국시간) 미국 텍사스주 댈러스 스타디움에서 열린 2026 FIFA 북중미 월드컵 16강전에서 포르투갈(7위)을 1-0으로 제압했다. 스페인은 12년 만에 월드컵 8강 무대를 밟았다. 반면 자신의 6번째 월드컵이자 마지막 무대임을 선언했던 호날두는 눈물을 보이며 씁쓸하게 그라운드를 떠났다. [댈러스 로이터=뉴스핌] 박상욱 기자=포르투갈의 호날두가 7일(한국시간) 북중미 월드컵 스페인과의 16강전을 마치고 눈물을 흘리고 있다. 2026.7.7 psoq1337@newspim.com 양 팀은 4-2-3-1 포메이션으로 맞불을 놨다. 스페인은 미켈 오야르사발을 최전방에 뒀고 다니 올모, 라민 야말 등이 지원했다. 포르투갈은 호날두를 필두로 주앙 펠릭스, 브루노 페르난데스가 공격을 이끌었다. 경기 초반은 스페인이 주도했다. 전반 8분 올모의 찔러주기를 받은 오야르사발이 골키퍼와 독대했으나 슈팅은 골대를 벗어났다. 전반 16분 야말과 알렉스 바에나의 연속 슈팅도 디오구 코스타 골키퍼의 선방에 막혔다. 포르투갈도 반격했다. 전반 37분 호날두의 슈팅이 우나이 시몬 골키퍼에게 막혔고 전반 41분 누누 멘데스의 강력한 슈팅은 수비 맞고 크로스바를 강타했다. 후반전에도 팽팽한 흐름은 이어졌다. 포르투갈은 후반 9분 핵심 수비수 멘데스가 부상으로 쓰러지는 악재를 맞았다. 이후 양 팀은 교체 카드를 던지며 총력전에 나섰다. [댈러스 로이터=뉴스핌] 박상욱 기자=스페인의 특급 조커 미켈 메리노가 7일(한국시간) 북중미 월드컵 포르투갈과의 16강전에서 결승골을 넣고 기뻐하고 있다. 2026.7.7 psoq1337@newspim.com 승부는 용병술에서 갈렸다. 루이스 데 라 푸엔테 스페인 감독의 선택이 적중했다. 후반 45분 프리킥 상황에서 빠르게 공이 전개됐다. 교체 투입된 페란 토레스의 패스를 역시 교체로 들어온 미켈 메리노가 왼발 슈팅으로 연결해 포르투갈의 골망을 흔들었다. 포르투갈은 후반 추가시간 베르나르두 실바의 헤더가 윗그물을 때리며 마지막 기회를 날렸다. 결국 경기는 스페인의 1-0 승리로 종료됐다. 이번 대회에서 토너먼트 잔혹사를 끊고 최고령 득점 기록을 세웠던 호날두는 스페인의 견고한 수비에 묶여 '슬픈 라스트 댄스'를 마쳤다. 대회를 마친 스페인은 개최국 미국과 벨기에의 경기 승자와 8강에서 격돌한다. psoq1337@newspim.com 2026-07-07 06:27
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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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