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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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한국 FIFA 랭킹 32위로 '7계단 추락' [서울=뉴스핌] 남정훈 기자 = 2026 북중미 월드컵 조별리그 탈락의 후폭풍이 국제축구연맹(FIFA) 랭킹에도 고스란히 반영됐다. FIFA가 20일(현지시간) 발표한 2026년 7월 남자 축구 세계랭킹에서 한국은 랭킹 포인트 1558.72점을 기록하며 32위에 자리했다. 북중미 월드컵 직전 25위였던 한국은 한 달 만에 7계단 하락했고, 2021년 12월(33위) 이후 처음으로 30위권 밖으로 내려갔다. 올해 1월만 해도 22위를 기록했던 것을 감안하면 불과 반년 만에 10계단이나 순위가 떨어졌다. [과달라하라 로이터=뉴스핌] 박상욱 기자=손흥민이 12일(한국시간) 북중미 월드컵 A조 조별리그 체코와의 경기에서 득점에 실패하자 아쉬워하고 있다. 2026.6.13 psoq1337@newspim.com 순위 하락의 가장 큰 원인은 월드컵 성적이다. 홍명보 전 감독이 이끈 한국은 조별리그 A조에서 체코를 상대로 2-1 승리를 거뒀지만, 이후 멕시코와 남아프리카공화국에 연달아 0-1로 패하며 1승 2패로 탈락했다. 48개국 체제로 확대된 이번 대회에서 32강 진출이 유력할 것으로 예상됐지만 기대를 밑도는 성적을 남겼다. 특히 남아공전 패배의 여파가 컸다. FIFA 랭킹은 엘로(Elo) 방식으로 계산되며 경기 결과뿐 아니라 상대 전력과 대회의 중요도를 함께 반영한다. 월드컵 본선은 가장 높은 가중치가 적용되는 만큼 승패에 따른 포인트 변동 폭도 크다. 한국은 멕시코와 남아공전에서 잇따라 패하면서 랭킹 포인트를 크게 잃었고, 토너먼트 진출 실패로 추가 점수를 획득할 기회마저 사라졌다. 반면 경쟁국들은 월드컵에서 좋은 성적을 거두며 순위를 끌어올렸다. 그 결과 한국의 7계단 하락은 이번 발표에서 30위권 국가 가운데 가장 큰 낙폭으로 기록됐다. [서울=뉴스핌] 박상욱 기자 = 홍명보 감독. [사진=로이터] 2026.06.29 psoq1337@newspim.com 아시아 내 위상도 한 단계 내려갔다. 일본은 월드컵 32강 진출과 함께 17위로 한 계단 상승하며 아시아 최고 순위를 유지했다. 이란은 22위, 호주는 28위에 자리했고 한국은 호주에도 밀리며 아시아 4위로 내려앉았다. 월드컵 전만 해도 일본과 이란에 이어 아시아 3위였던 한국은 이번 대회를 거치며 순위 경쟁에서 한발 뒤처지게 됐다. 한국과 같은 조에서 경쟁했던 국가들의 순위도 눈길을 끌었다. 멕시코는 월드컵 성과를 바탕으로 10위까지 올라 처음으로 톱10에 진입했고, 체코는 48위, 남아프리카공화국은 54위에 자리했다. 세계 랭킹 최상단에도 변화가 있었다. 월드컵 우승을 차지한 스페인이 결승에서 아르헨티나를 꺾으며 1위 자리를 탈환했고, 준우승한 아르헨티나는 2위로 내려갔다. 프랑스와 잉글랜드는 각각 3위와 4위를 유지했고, 브라질과 모로코, 포르투갈, 벨기에, 네덜란드, 멕시코가 톱10을 형성했다. [이스트 러더퍼드 로이터=뉴스핌] 박상욱 기자=노르웨이의 엘링 홀란이 6일(한국시간) 북중미 월드컵 16강전 브라질 대 노르웨이전에서 선제골을 넣은 뒤 환호하고 있다. 2026.7.6 psoq1337@newspim.com 이번 발표에서 가장 큰 상승세를 보인 국가는 노르웨이였다. 엘링 홀란(맨체스터 시티)을 앞세워 사상 첫 월드컵 8강 진출에 성공한 노르웨이는 31위에서 19위로 무려 12계단을 뛰어오르며 가장 큰 폭의 순위 상승을 기록했다. 월드컵 실패와 함께 FIFA 랭킹까지 급락한 한국은 향후 국제대회 시드 배정과 월드컵 예선 조 추첨에서도 이전보다 불리한 위치에 설 가능성이 커졌다.  wcn05002@newspim.com 2026-07-21 09:37
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수도권·강원 오늘 최대 120㎜ 폭우 [서울=뉴스핌] 송은정 기자 = 화요일인 21일은 수도권에 120㎜ 폭우 등 전국에 장맛비가 내릴 전망이다. 기상청과 케이웨더에 따르면 이날 중부지방을 중심으로 돌풍과 천둥·번개를 동반한 강한 비가 내리겠다. 화요일인 21일은 전국이 대체로 흐린 가운데 곳에 따라 비가 내릴 것으로 전망된다. [사진=뉴스핌 DB] 예상 강수량은 수도권 30~80mm(많은 곳 120mm 이상), 강원내륙·산지 30~80mm(많은 곳 강원중·북부내륙 120mm 이상), 강원동해안 5~40mm, 충청권 30~80mm(많은 곳 충남북부서해안 100mm 이상), 전라권 5~40mm, 경남서부내륙, 대구·경북 5~40mm, 제주도 5mm 안팎이다. 아침 최저기온은 22∼26도로 예보됐다. ▲서울 24도 ▲인천 24도 ▲수원 25도 ▲춘천 23도 ▲강릉 24도 ▲청주 25도 ▲대전 24도 ▲전주 26도 ▲광주 25도 ▲대구 25도 ▲부산 26도 ▲울산 26도 ▲제주 27도다. 낮 최고기온은 26∼37도로 예상된다. ▲서울 29도 ▲인천 28도 ▲수원 30도 ▲춘천 27도 ▲강릉 31도 ▲청주 31도 ▲대전 31도 ▲전주 32도 ▲광주 32도 ▲대구 34도 ▲부산 31도 ▲울산 34도 ▲제주 34도다. 바다 물결은 서해 앞바다 0.5~1.0m, 남해 앞바다 0.5~1.5m, 동해 앞바다 0.5~1.5m로 일겠다. 에어코리아에 따르면 이날 미세먼지 농도는 전 권역이 '좋음'으로 예상된다.  yuniya@newspim.com 2026-07-21 06:30
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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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