전체기사 최신뉴스 GAM
KYD 디데이
산업 생활경제

속보

더보기

[김정호의 4차혁명 오딧세이] 인공지능과 엔트로피

기사입력 :

최종수정 :

※ 본문 글자 크기 조정

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

※ 번역할 언어 선택

김정호 교수.

엔트로피의 정의와 인공지능의 요구

'엔트로피'라는 단어는 1865년 독일의 물리학자 루돌프 클라우지우스가 처음으로 사용했다. 엔트로피라는 단어는 에너지라는 뜻의 그리스 어원에서 출발했다. 엔트로피는 일반적으로 무질서도라고 알려져 있기도 하며, 미시적 상태의 무질서한 정도를 표현한다.

그런데 열역학 제2법칙에서는 항상 전체 계(System)의 엔트로피가 증가하는 방향으로 사건이 일어난다고 한다. 이 법칙에 따르면 시스템은 엔트로피가 증가하는 쪽으로, 즉 무질서해지는 쪽으로 변하려 한다고 한다. 그래서 전 우주에서 부분으로 뭉쳐있는 에너지가 전체에 걸쳐 평평하게 흩어져가는 과정이 엔트로피의 증가과정이라고 본다. 즉, 엔트로피의 증가는 평형 상태로의 이동이며 에너지적으로 볼 때는 안정화되는 방향이다.

그런데 반대로 인공지능에서는 엔트로피가 감소하는 방향으로 학습을 최적화하기도 한다. 물리 법칙과 인공지능이 반대인 경우이다.

한편, 전자공학의 한 학문 분야인 ‘정보 공학’ 분야에서도 엔트로피 개념이 사용된다. 특히 인공지능과 관련해 정보 이론을 이용해서 인공지능 네트워크를 최적화하고, 그 이론을 뒷받침하려는 연구가 있다. 이러한 새로운 시도는 정보 이론 수학과 인공지능의 만남이다. 엔트로피로 대표되는 정보공학 이론이 인공지능 발전에 어떠한 기여를 할지 미래가 궁금하다.

정보 이론에서 정보의 양을 지수 I로 표현한다. 어떤 일이 일어날 확률을 P(x)라고 할 때, 그것이 갖는 정보량은 I=-Log2(P(x))로 표현된다. 정보를 확률의 로그 함수로 표현한다. 예를 들어 확률이 50%인 P(x)=1/2=0.5라고 하면 정보량 I=-Log2(1/2)=1이 되어 I=1이 된다. 그 뜻은 그 정보를 1비트의 2진수로 표현할 수 있다는 뜻이 된다.

통신이론 내용인 정보이론에서 정의된 엔트로피 수식. [출처=KAIST]

이러한 정의와 수식에 따라 확률이 낮을수록 정보량이 커진다. 거꾸로 확률이 높으면 정보량이 적어진다. 이 같은 확률에는 학교 성적 분포를 예로 들 수 있다. 학교 성적이 넓게 골고루 퍼져 있으면 정보량(I)이 많다. 점수가 골고루 분포돼야 학생의 능력을 구별하기 쉽고, 성적 주기도 편하다.

반면에 높은 성적과 낮은 그룹이 확 구별되면 성적이 특정 점수대에 몰려 있게 된다. 이때 정보량이 낮다. 학점은 2개 종류밖에 없게 된다.

여기에 더 나아가 정보 이론에서는 엔트로피(Entropy)가 정의된다. 엔트로피는 정보량과 확률 곱의 결과물이다. 정보량과 마찬가지로 넓게 골고루 분포하면 엔트로피가 높고, 특정 지점에 확률이 몰려있으면 엔트로피가 낮다.

예를 들어 주사위의 경우, 모두 6개의 면이 나올 확률이 1/6이다. 그래서 확률이 넓게 퍼져있다. 이 경우 엔트로피가 높다. 반면 윷놀이는 도(4/16), 개(6/16), 걸(4/16), 윷(1/16), 모(1/16)가 나올 확률이 각각 다르다. 분포가 균등하지 않다. 결국 윷놀이의 엔트로피가 낮다. 각각 확률의 차이가 크기 때문이다.

이러한 개념의 엔트로피가 인공지능에도 그대로 사용된다. 인공지능에서는 결과가 잘 구별되도록 엔트로피를 낮게 최적화한다. 인공지능에서는 주사위보다는 윷놀이를 원한다.

인공지능에서 출력 결과 값이 분명할수록 좋다. 그래야 인공지능이 미래를 명확하게 판단할 수 있고 미래를 예측한다. 알파고가 게임을 할 때도 인공지능이 이길 승률이 가장 높은 수를 명확히 알려 주어야 한다. 그래서 인공지능의 출력의 확률 분포는 엔트로피가 낮을수록 좋다고 볼 수 있다. 인공지능은 엔트로피 작은 방향을 선호한다.

인공지능에서 사용되는 엔트로피 비용함수

인공지능인 딥 뉴럴 네트워크(Deep Neural Network, DNN)는 대표적으로 두 종류로 나누어진다. 이미 정답을 알고 있고, 그 정답을 이용해서 인공지능을 교육하는 지도학습 (Supervised Learning)과 정답 없이 인공지능 스스로 학습하는 비지도 학습(Unsupervised Learning)으로 나누어진다.

지도 학습의 경우, 입력 데이터를 넣고, 인공지능 예측 결과를 얻는다. 예를 들어 사진을 입력으로 넣고, 고양이인지 호랑이인지 판독한다. 이때 주어진 정답과 인공지능 출력이 같을 수도 있고, 다를 수도 있다. 이때 정답과 인공지능 출력, 두 개의 차이를 함수로 정의하는 데 이를 수학적으로 비용함수(Cost Function)라고 한다.

이 비용함수를 최소화하기 위해서 인공지능 네트워크 변수들을 정해간다. 이를 학습(Training)이라고 부른다. 비용 함수의 선택에 따라 학습의 속도, 정확성에 차이가 난다.

가장 이해하기 쉽고 많이 쓰이는 비용함수가 제곱 오차 함수(Mean Square Error, MSE)이다. 즉, 정답과 인공지능 결과의 차이를 제곱해서 모두 더하는 것이다. 그래서 두 차이가 클수록 비용함수 값이 커진다. 최종 학습 결과로 비용함수가 ‘0’이 되면 제일 좋다. 그때 이 비용 함수의 미분도 ‘0’이 된다. 이처럼 비용함수가 최소화할 때까지 학습을 계속해 간다.

인공지능 최적화에 사용되는 MSE 비용함수 수식. [출처=KAIST]

그런데 또 다른 매우 용한 비용함수가 정보 이론에서 제시하는 엔트로피 함수이다. 엔트로피 함수를 사용하면 학습이 좀 더 빠르다. 다른 말로 혼란을 최소화하고, 분명한 결과를 내려면 엔트로피 값이 최소화된다.

이처럼 엔트로피 개념과 함수가 인공지능에서 유용하게 사용된다.

인공지능 최적화에 사용되는 크로스 엔트로피(Cross-Entropy) 수식. [출처=KAIST]

우리가 사는 세상의 엔트로피

인간 사회도 정보이론의 엔트로피로 표현할 수 있다. 다이내믹 코리아(Dynamic Korea)로 표현되는 우리 사회는 엔트로피가 높다고 할 수 있다. 에너지가 넘치고, 그 결과, 시간이 지나면 사회가 평형을 이룬다.

이렇게 엔트로피가 증가하는 방향은 사회 전체가 평등하다고 볼 수 있다. 사회의 자본, 정보 그리고 기회가 이렇게 골고루 퍼지면 좋다. 또한 누구나 열심히 일하면 계층이동을 할 수 있다. 이런 사회가 엔트로피가 높다.

반면에 사회의 자본, 정보 그리고 기회를 소수가 독점된 사회는 엔트로피가 낮다. 빈부격차가 큰 사회는 엔트로피가 낮다. 좌우 갈등이 높으면 엔트로피가 낮다.

인공지능은 빠르고 냉철한 지능을 가지려고 엔트로피가 낮은 방향으로 학습한다. 그렇게 보면 인공지능은 효율적이지만 냉정한 지능이다. 따뜻한 가슴이 없다.

 

[김정호 카이스트 전기 및 전자공학과 교수] joungho@kaist.ac.kr

[뉴스핌 베스트 기사]

사진
새 법원행정처장에 노경필 대법관 [서울=뉴스핌] 김영은 기자 = 조희대 대법원장이 넉 달 넘게 공석이던 법원행정처장에 노경필 대법관을 임명했다. 대법원은 10일 "조 대법원장이 오는 14일자로 노 대법관을 신임 법원행정처장에 임명했다"고 밝혔다. 10일 대법원에 따르면 조희대 대법원장이 넉 달 넘게 공석이던 법원행정처장에 노경필 대법관을 임명했다. 노 대법관. 법원행정처장은 대법원장의 지휘를 받아 전국 법원의 인사·예산·조직 등 사법행정 사무를 총괄하는 자리로, 대법관 가운데 1명이 맡는다. 노 신임 처장은 사법연수원 23기로, 1997년 법관으로 임용됐다. 이후 대법원 재판연구관과 서울고법 고법판사, 광주고법 부장판사, 수원고법 부장판사·수석부장판사 등을 거쳐 2024년 8월 대법관에 임명됐다. 대법원은 노 신임 처장이 대법원 재판연구관으로 5년간 근무하면서 헌법·행정법 관련 분쟁을 심도 있게 검토해 국민의 기본권과 행정절차 참여권, 조세 정의를 실현하는 데 기여했다고 설명했다. 또 전문적인 법률 지식과 합리적이고 공정한 판단 능력, 도덕성과 인품을 두루 갖춰 법원 안팎의 신망을 받고 있다고 밝혔다. 대법원 관계자는 이날 "노 신임 처장은 경청과 포용의 리더십으로 법원 구성원은 물론 사회 각계와 소통해 국민을 위한 신속하고 공정한 사법제도를 구현하고, 사법부에 대한 국민의 신뢰를 높이는 데 헌신할 적임자"라고 말했다. 법원행정처장 자리는 박영재 대법관이 지난 2월 27일 사의를 표명한 뒤 4개월 넘게 공석이었다. 박 대법관은 올해 1월 16일 취임했으나 법왜곡죄·재판소원·대법관 증원 등 이른바 '사법개혁 3법' 입법에 반발하는 뜻으로 취임 42일 만에 물러났다. 이후 기우종 법원행정처 차장이 처장 직무를 대행해왔다. 대법관 공석이 이어지는 상황에서 현직 대법관을 법원행정처장으로 임명한 만큼, 향후 후임 대법관 제청 논의가 재판 인력 공백 문제와 맞물려 속도를 낼지도 주목된다. yek105@newspim.com 2026-07-10 14:50
사진
"국정농단" 한학자 총재 13년 구형 [서울=뉴스핌] 이바름 기자 = '정교유착' 의혹의 중심 인물인 한학자 통일교 총재에게 민중기 특별검사팀이 징역 13년을 구형했다. 특검팀은 10일 오전 서울중앙지법 형사합의27부(재판장 우인성) 심리로 열린 한 총재의 정치자금법 위반 등 혐의 결심 공판에서 징역 13년을 선고해달라고 재판부에 요청했다. 함께 재판에 넘겨진 정원주 천무원 부원장에게는 징역 10년, 윤영호 전 세계본부장에게는 징역 3년 6개월, 이신애 전 재정국장에게는 징역 3년을 선고해달라고 재판부에 요청했다. [서울=뉴스핌] 사진공동취재단 = 윤석열 정부와의 '정교유착' 혐의로 기소된 한학자 통일교 총재가 10일 서울 서초구 서울중앙지방법원에서 열리는 결심 공판에 출석하고 있다. 2026.07.10 photo@newspim.com 특검팀은 이 사건에 대해 "대한민국의 헌법 질서를 혼란하게 하고, 교인들의 헌금을 사금고처럼 사용하면서 국정을 농단한 사건"이라며 "다시는 이와 같은 종교단체들에 대한 정교유착과 국정농단 행위가 일어나지 않도록 엄중한 형을 선고해달라"고 언급했다. 특검팀은 "피고인들은 통일교와 자신들의 이권 및 영향력를 확대하고자 이 사건 범행을 저질렀다"며 "정교일치를 목표로 종교단체의 막대한 자금력을 이용해 정치와 결탁했고, 선거에 불법 개입했으며 대한민국의 공권력을 불법부당하게 이용하려고 했다"고 지적했다. 특검팀은 정치권과 지속적으로 접촉하며 청탁 행위를 한 윤 전 세계본부장이 한 전 총재의 의사에 반해 행동할 수 없었다는 점을 수차례 강조했다. 특히 윤석열 전 대통령과 독대하면서 통일교 정책을 부탁하고, '건진법사' 전성배 씨를 통해 김건희 여사에게 샤넬 가방과 그라프목걸이 등을 제공한 것 역시 한 전 총재의 승인 없이는 이뤄질 수 없는 행동이었다고 설명했다. 특검팀은 또한 지난 2022년 3월 한 총재가 특별집회에 참석해 사실상 '윤석열 후보 지지' 의사를 밝힌 뒤 통일교 각 지부에서 국민의힘에 재정적 지원을 한 점을 들며, 모든 사건이 한 총재로부터 시작됐다고 주장했다. 특검팀은 "한학자는 이 사건 정교유착의 최종 수혜자"라고 밝혔으며, 정 부원장에 대해서는 "한 총재의 비서실장이자 최측근으로, 한 총재의 주요의사결정에 적극적으로 조력해 큰 영향력을 행사한 사람"이라고 정의했다. 한 총재는 정 부원장, 윤 전 본부장과 공모해 지난 2022년 1월께 국민의힘 권성동 의원에게 윤석열 정부의 통일교 지원을 요청하며 정치자금 1억 원을 전달한 혐의(정치자금법 위반)를 받는다. 같은 해 3∼4월 통일교 단체 자금 1억4400만 원을 국민의힘 소속 의원 등에게 쪼개기 후원한 혐의(정치자금법 위반)도 있다. 이들은 그해 7월께 전 씨를 통해 김 여사에게 고가 목걸이와 샤넬백을 건네며 교단 현안을 청탁한 혐의(청탁금지법 위반)도 받는다. 한 총재와 정 부원장에게는 같은해 10월께 자신들의 카지노 원정도박과 관련한 수사 정보를 얻고 윤 전 본부장에게 증거인멸을 지시한 혐의(증거인멸교사)도 적용됐다. 한 총재는 지난 2022년 7월 네팔 국회의원에게 선거자금 10만 달러를, 세네갈 대통령에 선거자금 50만 달러를 각각 제공한 혐의도 적시됐다. right@newspim.com 2026-07-10 12:18
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