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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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스페이스X, 데뷔 첫날 19% 급등 [뉴욕=뉴스핌] 김민정 특파원 = 일론 머스크의 스페이스X가 12일(현지시간) 나스닥 데뷔에서 급등하며 기업가치 2조 달러를 돌파했다. 사상 최대 기업공개(IPO) 후 로켓과 인터넷 서비스, 인공지능(AI)을 아우르는 머스크의 거대 제국에 올라타려는 투자자들이 몰려든 결과다. 스페이스X 주가는 이날 공모가 135달러 대비 19.34% 급등한 161.11달러에 거래를 마쳤다. 이로써 스페이스X는 미국 시가총액 6위 기업에 올랐다. 거래 개시는 많은 시장 참가자들의 예상보다 순조로웠다. 이날 오전 늦게 거래가 시작된 주가는 세션 대부분 동안 전날 공모가 대비 15~30% 상승 범위에서 움직였으며 변동성은 크지 않았다. 거래량은 5억 주, 금액 기준으로는 약 800억 달러를 넘어섰다. 최근 기술주 급락으로 AI 관련주의 천문학적 상승에 대한 우려가 커진 가운데 거래소가 이번 상장을 감당할 수 있을지에 대한 불안 속에 치러진 데뷔였다. AJ벨의 댄 코츠워스 마켓 책임자는 "스페이스X는 증시 데뷔 조달액 기록을 깬 것뿐 아니라 다른 거물들을 한참 따돌렸다"며 "시작 밸류에이션이 이미 2조 달러에 육박하는 상황에서 손가락 클릭 한 번에 그만큼의 가치를 더한 것은 인상적"이라고 평가했다. 개인 투자자들은 전체 물량의 약 20%를 배정받았다. 로이터통신에 따르면 통상적인 IPO보다 훨씬 큰 비중으로 단 1주를 배정받고 축하하는 이들도 있었다. 그윈 숏웰 사장과 브렛 존슨 최고재무책임자(CFO) 등 스페이스X 경영진은 이날 개장벨을 울린 후 뉴욕 타임스스퀘어의 나스닥 마켓사이트에서 자축했다. 머스크는 텍사스에서 직원들을 위한 별도 행사를 열었다. 이날 상장은 머스크를 사상 첫 조만장자(트릴리어네어)로 만들었다. 2025년 매출 187억 달러 기준으로 스페이스X의 시가총액은 매출 대비 약 110배로 다른 초대형주들을 한참 웃돈다. 일부 애널리스트들은 이미 긍정적 투자의견을 냈지만 모닝스타 애널리스트들은 이달 적정 가치를 약 7800억 달러로 평가했고 CFRA는 이날 매도 의견으로 커버리지를 개시했다. 12일(현지시간) 나스닥에 상장한 스페이스X 이미지가 미국 뉴욕 타임스스퀘어에 나오고 있다.[사진=로이터 뉴스핌] 2026.06.13 mj72284@newspim.com   mj72284@newspim.com 2026-06-13 05:37
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"한국 32강 진출 확률은 93%" [서울=뉴스핌] 박상욱 기자 = 경쟁국을 꺾은 값진 결실은 예상보다 달콤했다. 홍명보호가 12일(한국시간) 조별리그 A조 1차전에서 체코를 2-1로 역전승을 거둬 32강 토너먼트 진출의 9부 능선을 넘었다. 체코전 승리는 단순한 승점 3점 이상의 가치를 지닌다. 유력 외신들은 한국의 조별리그 통과 가능성을 매우 높게 점쳤다. 미국 매체 디애슬레틱은 경기 직후 자체 시뮬레이션 결과를 공개하며 "1승을 거둔 한국의 32강 진출 확률은 93%에 달한다"고 분석했다. 대회 전 매체가 예측했던 진출 확률 70.35%에서 무려 20%포인트 이상 급상승했다. [과달라하라 로이터=뉴스핌] 박상욱 기자=손흥민(가운데) 등 한국 대표팀 선수들이 북중미 월드컵 A조 조별리그 체코와의 경기에서 2-1로 승리한 후 기쁨을 나누고 있다. 2026.6.13 psoq1337@newspim.com 이번 대회부터 참가국이 48개국으로 늘어나면서 각 조 1, 2위는 물론, 조 3위 중 성적이 좋은 8개 팀까지 32강에 합류한다. 영국 'BBC'는 "통계상 승점 3점에 골득실이 0 이상이면 32강 진출이 가능하다"고 설명했다. 특히 이번 대회는 승점이 같을 때 상대 전적을 가장 먼저 따진다. 한국은 가장 까다로운 조 2위 경쟁자인 체코를 직접 무너뜨리면서 향후 순위 싸움에서 절대적인 우위를 선점했다. 남은 조별리그 일정도 한결 여유로워졌다. 디 애슬레틱은 한국이 오는 19일 멕시코와의 2차전에서 패하더라도 32강 진출 확률은 86%를 유지할 것으로 내다봤다. 마지막 상대인 남아공전이 남아있기 때문이다. 심지어 최악의 시나리오인 '남은 2경기 전패'를 당하더라도 한국이 토너먼트에 오를 확률은 55%로 예상했다. psoq1337@newspim.com 2026-06-13 08:27
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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.
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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