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[김정호의 4차혁명 오딧세이] 인공지능과 엔트로피

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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

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2026 동계올림픽 무엇이 바뀌었나 * 'AI MY 뉴스'가 제공하는 AI 어시스턴트로 요약한 내용으로 퍼플렉시티 AI 모델이 적용됐습니다. 상단의 'AI MY 뉴스' 로그인을 통해 뉴스핌이 준비한 2026 밀라노 코르티나담페초 동계올림픽 소식을 실시간으로 확인해보기 바랍니다. [서울=뉴스핌] 남정훈 기자 = 2026 밀라노·코르티나 동계올림픽은 '새 종목'과 '새 프로그램'이 대회 얼굴을 바꾸는 첫 무대다. 기존 강국 구도와 메달 판도를 흔들 변화들이 이번 겨울 설원과 빙판 위의 숨은 관전 포인트로 떠오르고 있다. 스키모의 여제 에밀리 하롭. [사진 = 에밀리 하롭 SNS] ◆ 스키마운티니어링 첫 올림픽…'스키모'가 여는 새 시장 가장 상징적인 변화는 스키마운티니어링, 이른바 '스키모'의 올림픽 정식 종목 채택이다. 스키를 착용한 채 가파른 산악 지형을 오르고, 다시 내려오는 이 종목은 알프스와 피레네 등 유럽 산악 지역에서 레저 스포츠와 엘리트 스포츠가 동시에 성장해 온 종목이다. 프랑스와 이탈리아, 스위스가 전통적인 3강으로 평가받고 있으며, 피레네 산맥과 맞닿아 있는 스페인 역시 빠른 성장세로 이들을 추격하고 있다. 자연환경과 문화적 배경이 경기력으로 직결되는 종목 특성상, 첫 올림픽 무대부터 유럽 국가들의 강세가 예상된다. 스키모의 여제 에밀리 하롭. [사진 = 에밀리 하롭 SNS] 산악스키에 걸린 금메달은 총 3개다. 세부 종목은 남녀 스프린트와 혼성 계주로 구성됐다. 스프린트는 약 3분 내외의 짧은 코스에서 진행되지만, 고도차 약 70m 구간을 빠르게 오르고 내려와야 해 폭발적인 체력과 기술이 동시에 요구된다. 특히 스키와 장비를 벗고 착용하는 과정에서 발생하는 작은 실수가 순위를 바꿀 수 있어, 이 장면이 종목의 최대 관전 포인트로 꼽힌다. 남녀 스프린트는 2월 19일(현지시간)에 열리고, 혼성 계주는 21일에 치러진다. 혼성 계주는 남녀 선수 한 명씩 두 명이 팀을 이뤄 코스를 두 차례 완주하는 방식으로 진행된다. 프랑스의 에밀리 하롭처럼 세계선수권과 월드컵을 휩쓴 선수들은 이미 '올림픽 역사상 첫 금메달리스트'라는 상징적인 자리를 놓고 치열한 물밑 경쟁에 들어갔다. 코스 난이도와 고도, 눈 상태에 따라 전략이 크게 달라지는 종목 특성상, 기존 설상 종목과는 전혀 다른 유형의 체력과 경기 운영 능력을 지닌 선수들이 주목받을 가능성도 크다. ◆ 여자 스키점프 라지힐, 마침내 정식 무대 여자 스키점프 라지힐의 올림픽 정식 편입 역시 주목할 만한 변화다. 지금까지 여자 선수들은 노멀힐 종목에만 출전할 수 있었고, 라지힐은 남자 종목으로만 운영돼 왔다. 하지만 세계선수권과 월드컵에서는 이미 여자 라지힐 경기가 정착된 상황이었고, 올림픽 편입이 늦었다는 평가가 나올 정도였다. 여자 스키점프 라지힐의 간판 스타인 니카 프레우츠. [사진 = 프레우츠 SNS] 이번 밀라노 대회에서 라지힐이 추가되면서, 여자 점퍼들은 보다 다양한 무대에서 자신의 기량을 증명할 수 있게 됐다. 슬로베니아의 니카 프레우츠처럼 최근 몇 시즌 동안 라지힐에서 압도적인 성적을 거둔 선수들은 개인전은 물론 혼성 단체전까지 동시에 메달을 노릴 수 있는 구조가 만들어졌다. 여자 라지힐 도입은 단순히 종목 하나가 늘어나는 데 그치지 않는다. 남자·여자·혼성 종목을 모두 소화해야 하는 만큼, 선수층이 고르게 형성된 국가가 유리해진다. 특정 에이스 한두 명에 의존하던 팀보다는, 전체적인 육성 시스템이 탄탄한 국가들이 상대적으로 경쟁력을 갖게 되는 구조다. ◆ 루지 여자 더블·혼성 팀 이벤트… '혼성 시대'의 가속화 루지에서는 여자 더블과 혼성 이벤트가 더해지며 메달 구조가 달라진다. 기존에는 남자 더블이 중심이었지만, 여자 더블 편입으로 여자 선수들의 선택지가 넓어지고, 후속 세대 유입에도 긍정적인 영향을 줄 것으로 예상된다. 여기에 남녀·싱글·더블이 모두 참여하는 혼성 팀 계주는 국가별 '전체 루지 시스템'의 수준을 가늠하는 무대로 자리 잡을 가능성이 크다. 이번 2026 밀라노 동계올림픽 새 종목으로 뽑힌 루지 여자 더블. [사진 = 밀라노 동계올림픽 홈페이지] 비슷한 흐름은 바이애슬론·크로스컨트리·스키점프 등 다른 설상 종목에서도 이어진다. 혼성 릴레이·혼성 팀 경기 비중이 꾸준히 늘어나면서, 남녀를 따로 떼어 보던 관점에서 벗어나 '한 국가의 전체 저변'과 시스템을 함께 보는 시각이 강해지는 추세다. 이는 동계올림픽 전체가 점점 더 성평등·혼성 중심 구조로 이동하고 있음을 보여주는 장면이기도 하다. ◆ 프로그램 개편이 바꾸는 메달 지도 새 종목과 새 이벤트의 추가는 자연스럽게 메달 지도를 변화시킨다. 스키모처럼 유럽 산악 국가들이 강한 종목이 들어오면서 이탈리아, 프랑스, 스위스, 스페인 등은 새로운 메달 창구를 확보하게 됐다. 반면 전통적으로 빙상과 구기 종목에 강점을 지닌 국가들은 상대적으로 불리해질 가능성도 있다. 반대로 루지 여자 더블과 혼성 팀 이벤트처럼 기존에 강세를 보이던 종목이 확장되는 경우, 독일과 오스트리아 등 전통 강국들의 우위가 더욱 공고해질 여지도 있다. 종목 성격에 따라 각국의 득실이 분명하게 갈리는 구조다. 프로그램 개편은 선수 육성 전략에도 직접적인 영향을 준다. 혼성 팀 이벤트를 염두에 두고 남녀를 함께 훈련시키는 방식이 늘어나고, 과거에는 상대적으로 관심을 받지 못했던 스키모·루지·스켈레톤 같은 종목에 대한 투자도 점차 확대될 가능성이 크다. 각국 올림픽위원회와 경기단체들은 밀라노 대회를 기점으로 어떤 종목이 '효자 종목'으로 자리 잡을지, 또 어떤 분야가 사각지대로 남을지를 저울질하며 중장기 육성 전략을 다시 설계하고 있는 분위기다. 밀라노·코르티나 동계올림픽은 이런 의미에서 '새 겨울 스포츠 지형'을 시험하는 무대다. 스키모·여자 라지힐·혼성 팀 이벤트가 얼마나 흥미로운 경기와 서사를 만들어내는지, 또 어느 정도의 시청률과 팬 관심을 끌어낼 수 있는지에 따라 향후 동계올림픽 프로그램 논의의 방향도 달라질 수 있다. 종목 개편은 단순한 숫자 조정이 아니라, 겨울 스포츠의 미래를 다시 그리는 출발점이다. 그런 점에서 밀라노의 변화는 그 자체만으로도 충분히 지켜볼 가치가 있는 또 하나의 핵심 관전 포인트다. wcn05002@newspim.com 2026-02-05 10:14
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종목 추적기

S&P 500 기업 중 기사 내용이 영향을 줄 종목 추적

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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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