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
한국, 호주 꺾고 기적의 미국행 [서울=뉴스핌] 이웅희 기자·한지용 인턴기자=한국 야구 대표팀이 정규이닝 기준 2실점 이하 5점 이상으로 승리해야 하는 어려운 상황을 기어이 극복했다. 2009년 이후 17년 만에 월드베이스볼클래식(WBC) 8강에 극적으로 진출했다. 한국은 9일 일본 도쿄돔에서 열린 2026 WBC 1라운드 C조 조별리그 마지막 4차전 호주와의 경기에서 7-2로 승리했다. [도쿄 로이터=뉴스핌] 한지용 인턴기자 = 한국 선수단이 9일 일본 도쿄돔에서 열린 2026 WBC 1라운드 C조 조별리그 4차전 호주전 승리 직후 기뻐하고 있다. 2026.03.09 football1229@newspim.com 한국은 이날 승리로 2승 2패를 기록해 일본(4승)에 이어 조 2위로 결선 라운드에 진출을 확정했다. 마찬가지로 2승 2패를 기록한 대만, 호주와 승점 동률을 이뤘으나, 한국이 최소 실점에서 앞섰다. 한국은 김도영(KIA·3루수)-저마이 존스(디트로이트·좌익수)-이정후(샌프란시스코·중견수)안현민(KT·우익수)-문보경(LG·지명타자)-노시환(한화·1루수)-김주원(NC·유격수)-박동원(LG·포수)-신민재(LG·2루수)로 이어지는 라인업을 가동했다. 한국의 류지현 감독은 전날 선발 무안타로 부진했던 위트컴과 김혜성 대신 노시환과 신민재를 투입했다. 선발투수로 손주영(LG)이 나섰다. 선취점은 한국의 차지였다. 2회초 안현민이 안타를 치고 나간 후 문보경이 선제 투런 홈런을 터뜨렸다. 시속 136.8km의 슬라이더를 공략해 우중간을 넘겼다. 비거리 130m의 큰 타구였다. 3회에도 한국은 추가점을 뽑았다. 존스와 이정후의 연속 2루타로 3-0으로 앞서나갔고, 이후 3회 1사 2루 상황에서 문보경이 1타점 2루타를 터트려 4-0까지 달아났다. [도쿄 로이터=뉴스핌] 한지용 인턴기자 = 문보경이 9일 일본 도쿄돔에서 열린 2026 WBC 1라운드 C조 조별리그 4차전 호주전에서 2루타를 친 후 비행기 세리머니를 하고 있다. 2026.03.09 football1229@newspim.com 한국은 5회 첫 실점했다. 손주영, 노경은의 뒤를 이어 4회부터 마운드에 오른 소형준이 5회 선두 타자 로비 글렌디닝에게 좌중간 담장을 넘기는 솔로포를 맞았다. 하지만 소형준은 후속 타자를 안정적으로 처리하고 마운드를 박영현에게 넘겼다. 6회초 한국은 1점 더 추가햇다. 1사 무사 상황에서 박동원이 펜스 직격 2루타를 쳤다. 신민재가 3루수 라인드라이브로 물러났으나, 김도영 타석에서 투수 폭투로 2루 주자 박동원이 3루로 진루했다. 이후 김도영이 우전 적시타를 뽑았다. 한국은 6-1로 점수 차를 벌렸다. [도쿄 로이터=뉴스핌] 한지용 인턴기자 = 이정후가 9일 일본 도쿄돔에서 열린 2026 WBC 1라운드 C조 조별리그 4차전 호주전에서 득점한 이후 동료들과 하이파이브 하고 있다. 2026.03.09 football1229@newspim.com 박영현이 6회를 깔끔하게 막은 후 7회 데인 더닝(시애틀)이 등판했다. 그러나 선두타자를 볼넷으로 내보낸 후 후속 타자의 땅볼을 유도했으나 배트 끝에 맞아 내야 안타로 연결되고 말았다. 무사 1, 2루 상황에서 전 타석 홈런을 쳤던 글렌디닝을 상대했지만, 더닝은 침착했다. 유격수 앞 땅볼을 유도해 병살을 만든 후 릭슨 윈그로브를 3구 삼진 처리하며 포효했다. 그러나 8회말 대표팀은 추가 실점을 했다. 바뀐 투수 김택연이 선두 타자를 볼넷으로 출루시켰고, 이후 상대 희생 번트 작전으로 1사 2루 실점 위기에 놓였다. 이어 트레비스 바자나에 적시타를 맞고 말았다. 6-2가 된 상황, 김택연 대신 등판한 조병현이 스트레이트 볼넷을 내줬지만, 후속 타자를 삼진과 내야 플라이로 처리해 추가점을 허용하지 않았다. 한국은 6-2로 앞선 가운데 8강 진출을 위해 반드시 1점을 뽑아야 하는 상황에서 운명의 9회를 맞이했다. 선두타자 김도영이 볼넷을 골라내며 출루했고, 박해민이 김도영 대신 대주자로 나섰다. 2번 타자 존스가 우익수 플라이로 아웃된 후 이정후가 땅볼을 쳤다. 하지만 투수 글러브를 맞고 흐른 공을 유격수 데일이 잡았으나 악송구 실책을 범했다. 이 공이 우익수까지 빠졌고, 이 틈을 타 박해민은 3루까지 진출했다. 이어 조별리그 내내 타점이 없던 안현민이 우익수 방면 희생플라이로 경우의 수 마지노선인 7-2를 완성했다. 9회 마운드는 조병현이 그대로 지켰다. 조병현은 선두타자 데일을 풀카운트 승부 끝에 루킹 삼진을 만들었다. 그러나 다음 타자 크리스 버크에게 볼넷을 내줬다. 다음 타자 윙그로브가 우익수 방향으로 강한 타구를 보냈지만, 이정후가 전력질주로 잡아내 2아웃을 만들었다. 호주는 대타 로건 웨이드를 냈지만, 내야 뜬공을 문보경이 잡아냈다. 극적으로 17년 만에 WBC 8강 진출을 이룬 순간 한국 선수들은 마운드로 뛰쳐 나와 기쁨을 나눴다. [도쿄 로이터=뉴스핌] 한지용 인턴기자 = 한국 선수단이 9일 일본 도쿄돔에서 열린 2026 WBC 1라운드 C조 조별리그 4차전 호주전에서 승리 직후 기뻐하고 있다. 이날 4타점을 친 문보경(왼쪽 상단)이 마지막 아웃카운트를 잡았다. 2026.03.09 football1229@newspim.com2026.03.09 football1229@newspim.com 타선에서는 문보경 이날 5타수 3안타 1홈런 4타점을 기록하며 한국 8강 진출을 이끌었다. 이정후도 5타수 2안타 1타점 1득점을 기록했고, 9회 결정적인 수비로 팀의 승리를 도왔다. 전날 영웅이었던 김도영도 1안타 1볼넷 1타점으로 힘을 보탰다.  한국 마운드는 지난 조별리그 경기와 달리 좋은 모습을 보였다. 선발 손주영이 두 명의 주자를 내보냈지만 후속타자 두 명을 범타 처리하며 1회를 무실점으로 막았다. 손주영의 갑작스런 부상 속에 2회 등판한 노경은은 2이닝을 삼자범퇴 처리하며 베테랑의 관록을 보여줬다. 4회부터 5회까지 던진 소형준은 솔로홈런을 내줬지만 이외에 주자를 출루시키지 않았다. 6회와 7회는 박영현과 데인 더닝이 무실점으로 막았다. 8회 김택연이 1실점 했지만, 조병현이 1.2이닝을 무실점으로 막고 끝까지 버텨냈다.  football1229@newspim.com 2026-03-09 22:41
사진
모텔 연쇄살인 피의자 신상 공개 [서울=뉴스핌] 조준경 기자 = 검찰이 강북 모텔 연쇄살인 20대 여성 피의자의 신상을 공개했다. 서울북부지검은 9일 신상정보공개심의위원회를 열고 강북 모텔 연쇄살인 사건 피의자 김소영(20) 씨 이름과 나이, 머그샷을 공개했다. 신상은 이날부터 오는 4월 8일까지 30일간 공개된다. [사진=서울북부지방검찰청] 강북 모텔 연쇄살인 피의자 20세 김소영 중대범죄신상공개법에 따라 검찰은 강력범죄 등 특정중대범죄 혐의가 있는 피의자를 신상정보공개심의위원회에 회부해 신상 공개 여부를 결정할 수 있다. 김씨는 지난해 12월 중순부터 지난달 9일까지 20대 남성 3명에게 벤조디아제핀계 약물이 든 음료를 건네 의식을 잃게 하거나 사망에 이르게 한 혐의(살인·마약류관리법 위반 등)를 받는다. 피해자들 중 2명은 숨졌고 1명은 치료를 받고 회복한 것으로 알려졌다. 김씨는 경찰 조사에서 병원에서 처방받은 약물을 숙취해소제에 타서 들고 다녔다고 진술했다. 또 남성들에게는 모텔 등에서 의견이 충돌해 이를 건넸다고 주장했다.  그러나 경찰은 김씨가 첫 범행 이후 약물 양을 늘렸다고 진술한 점, 휴대전화 포렌식 자료 등을 볼 때 사망 가능성을 충분히 인지했던 것으로 판단하고 상해치사가 아닌 살인죄를 적용해 지난달 19일 검찰에 송치했다. 경찰은 김 씨가 피해 남성으로부터 고급 식사 등을 제공받는 등 본인 경제력으로는 불가능한 경험을 할 기회로 삼은 것으로 보고 있다. 김씨가 사이코패스에 해당한다는 결과도 나왔다. 서울 강북경찰서는 김 씨에 대한 사이코패스 진단 평가(PCL-R) 결과 사이코패스에 해당한다는 판명 결과를 검찰에 송부했다.  사이코패스 진단검사는 냉담함, 충동성, 공감 부족, 무책임 등 사이코패스 성격적 특성을 지수화해서 도출한다. 총 20문항으로 이뤄졌으며 40점 만점이다. 통상 25점 넘으면 사이코패스로 분류되는데 김씨는 기준치 이상 점수를 받았다고 알려졌다. 한편 피해자로 추정되는 남성 2명이 추가로 드러나면서 경찰은 김 씨 여죄를 수사 중이다. calebcao@newspim.com 2026-03-09 14:40
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