전체기사 최신뉴스 GAM
KYD 디데이
산업 생활경제

속보

더보기

[김정호의 4차혁명 오딧세이] 인공지능 필수지식 '이산수학' 아시나요

기사입력 :

최종수정 :

※ 본문 글자 크기 조정

  • 더 작게
  • 작게
  • 보통
  • 크게
  • 더 크게

※ 번역할 언어 선택

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]  

[뉴스핌 베스트 기사]

사진
추석 연휴 내내 흐리고 비 소식 [서울=뉴스핌] 유재선 기자 = 올해 추석 연휴에는 흐린 날씨와 비 소식으로 밤에 보름달을 보기 어려울 전망이다.  기상청은 22일 정례 예보브리핑에서 연휴 첫날인 24일을 맑다가 추석 당일인 25일에는 흐린 날씨 속에서 일부 지역에 비가 내리겠다고 예보했다. 이번 추석에는 흐린 날씨가 계속되며 밤하늘이 두꺼운 구름에 가려 보름달을 보기 어려울 전망이다. [사진 = 뉴스핌DB] 현재 우리나라는 북쪽 고기압 영향으로 맑은 가운데 아침과 저녁에는 선선하고 낮에는 기온이 오르는 가을 날씨를 보이고 있다. 오는 24일부터 고기압 가장자리에 들면서 구름이 많은 날씨로 접어들겠다. 오는 25일 새벽부터 오전 사이에는 강원 동해안과 산지, 경북 북부 동해안에 비가 내리는 곳이 있겠다. 늦은 밤에는 중부지방부터 비가 시작되겠다. 기상청은 "구름 양이 점차 증가하고 다층운이 겹치면서 구름이 두꺼워진다"며 "중부지방에는 비가 시작되고 26일로 넘어가면서 남부지방에도 비가 내리기 때문에 이번 추석에는 보름달을 보기 어려울 것"이라고 설명했다. 오는 26일에는 중부지방과 남부지방이 모두 흐리겠다. 전날 밤부터 중부지방에서 내리던 비는 새벽까지 이어진 뒤 그치겠다. 다만 남쪽에서 저기압이 접근하면서 남부지방과 제주도를 중심으로 비가 내리겠다. 오는 27일에는 비를 몰던 저기압이 동쪽으로 빠져나가면서 제주도에만 오전까지 비가 내리겠다. 중부지방은 북쪽에서 다시 확장하는 고기압의 영향을 받아 구름이 많겠다. 흐린 날씨와 비 영향으로 연휴 기간 기온은 점차 낮아지겠다. 다음 주인 오는 29일 이후에는 우리나라 주변 기압골과 열대요란의 발달 위치 및 강도에 따라 비가 내릴 가능성이 있다. jason14@newspim.com 2026-09-22 14:53
사진
대미투자 1호 '텍사스 발전소' 국회 보고 [서울=뉴스핌] 송기욱 기자 = 정부가 대미 전략적 투자 1호 사업으로 검토 중인 미국 텍사스 복합화력발전소 사업에 대해 상업적 합리성이 있다고 국회 산업통상자원중소벤처기업위원회에 보고했다. 야당인 국민의힘은 사업이 아직 개발 단계인 만큼 수익성과 향후 변수에 대한 보다 면밀한 검토가 필요하다는 입장을 전달했다. 국민의힘 소속인 김성원 국회 산업통상자원중소벤처기업위원장은 22일 정부의 대미 투자 관련 비공개 보고를 받은 뒤 기자들과 만나 "오늘 주된 안건은 텍사스 복합화력발전소 관련 보고였다"며 "그 외 원전 프레임워크와 알래스카 개발 관련 진행 상황에 대해서도 설명을 들었다"고 밝혔다. [서울=뉴스핌] 장동규 기자 = 김성원 위원장이 12일 서울 여의도 국회에서 열린 제438회 국회(임시회) 제01차 산업통상자원중소벤처기업위원회 전체회의에서 의사봉을 두드리고 있다. 2026.08.12 jk31@newspim.com ◆"국회 동의까지는 특별법상 거론되지 않은 상황" 산자위 야당 간사를 맡고 있는 구자근 국민의힘 의원은 "정부에서는 텍사스 복합화력발전소와 관련해 20년간 상환 계획을 놓고 투자금 이상을 회수할 수 있어 상업적 합리성이 있다고 판단했다"고 설명했다. 구 의원은 "아직 개발 단계이기 때문에 이 과정에서 다른 어떤 변수가 있을지 우려 사항이 제기됐다"며 "상업적 합리성 부분에 있어서 신중을 기해야 한다고 전달했다"고 말했다. 김 위원장도 "정부에서는 상업적 합리성이 담보됐다고 하지만 그 점에 대해서 상당한 우려를 표했다"며 "앞으로 대미 협상 과정에서 좀 더 국익에 맞는 협상을 하기를 당부했다"고 말했다. 대미 투자 사업에 대한 국회 동의 필요성과 관련해 김 위원장은 "상업적 합리성이 담보됐다고 보고됐기 때문에 국회 동의까지는 특별법상 거론되지 않은 상황"이라고 설명했다. 대미 투자 관련 양해각서(MOU) 체결 시점은 아직 정해지지 않았다. 김 위원장은 "대미 협상 후 결정하기로 돼 있기 때문에 조만간 되리라고 생각하지만 아직 날짜가 정해진 것은 아니다"라고 말했다. 이날 구체적인 사업성 보고는 텍사스 발전소 사업을 중심으로 이뤄졌다. 원전과 알래스카 개발 사업에 대해서는 향후 별도 절차가 진행될 예정이다. 김 위원장은 추가 검증 필요성에 대해 "1호 사업에 대해서만 한 것"이라며 나머지 사업에 대해서는 "절차를 또 밟아야 한다"고 밝혔다. oneway@newspim.com 2026-09-22 12:20
기사 번역
결과물 출력을 준비하고 있어요.
종목 추적기

S&P 500 기업 중 기사 내용이 영향을 줄 종목 추적

결과물 출력을 준비하고 있어요.

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.
안다쇼핑
Top으로 이동