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[김정호의 4차혁명 오딧세이] 인공지능은 강아지와 고양이를 어떻게 구분할까?

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알고보면 흥미로운 선형대수(linear algebra. 線型代數)

보통 고등학교 때 처음 수학 ‘행렬’을 배운다. 행렬은 다차원적인 숫자의 나열로 2차원인 경우 '(x,y)'로 표현된다. 대부분의 고등학교 수학처럼 왜 배워야 하는지, 어디 쓰는지 그때 알기 어렵다. 그런데 이 행렬 수학이 ‘인공지능 컴퓨터 계산’의 핵심 방법이다.

김정호 카이스트 교수

필자는 대학 2학년때 ‘선형 대수학’이라는 수학과목을 수강했다. 행렬의 수학적 의미와 원리를 배운다. 이 과목은 필자가 대학 때 공부한 과목 중에 가장 감동적이고 재미가 있었다. 수학 논리 전개의 아름다움을 깊이 느끼는 계기가 됐기 때문이다. 전기공학이나, 전자 공학, 전산 과목 또는 물리학 과목이 아니라 ‘수학과목’이었던 기억이 흥미롭고 그 중에서도 선형대수학이라는 과목이라는 점도 지금도 신기하다.

선형대수학에서는 벡터에서 출발해서 행렬의 정의하고 행렬의 기본이 되는 원리들을 순서대로 제시하고 증명한다. 행렬 속의 각 열 벡터가 서로 상호 의존적인가 독립적인가 논의한다. 서로 선형적이면 종속적이고 비선형적이면 독립적이다. 각 열 벡터가 독립적 벡터로 이루어진 행렬은 역행렬이 존재하고 구할 수 있다. 역행렬이 존재하는 행렬은 그 벡터들을 더하고 곱해서 변형하면 대각행렬(Diagonal Matrix, 대각선 부분 숫자만 있고 나머지는 모두 ‘0’인 행렬)가 될 수 있다.

선형대수 과목에서는 이러한 이론들을 처음부터 끝까지 200 여 페이지 책에서 순서대로 빈틈없이 증명한다. 처음부터 끝까지 한 개의 논리적 오점 없이 전체를 증명하고 전개해 간다. 이러한 논리의 완결성이 눈부시기까지 하다. 완벽하게 논리적이다.

행렬의 구성과 곱셈 공식. [출처: 정보통신 기술용어해설]
대각행렬의 구성과 조건. [출처: 정보통신 기술용어해설]

 

강아지와 고양이를 구분하게 해주는 'CNN 알고리즘'


요즈음 행렬 계산이 공학적으로 더욱 중요해 지고 있다. 모든 빅데이터가 디지털로 기록되기 때문이다.

그 중에서도 데이터의 깊이가 크고 정보량이 많은 데이터가 영상 이미지이다. 카메라에서 얻은 이미지는 카메라 센서가 2차원 평면 배열로 되어 있다. 이 배열 자체가 (x,y) 2차원이다. 여기에 색깔 정보, 밝기 정보, 빛의 세기 정보가 더해지면 N 차원 정보가 되고 이를 수학적으로 표시하면 N 차원 행렬이 된다. 그래서 유튜브의 사용이 더욱 확대되면 행렬 계산양도 늘어난다.

인공지능 딥러닝 알고리즘 중에서 영상 이미지 판독에 가장 유효하게 쓰이는 방법이 CNN(Convolution Neural Network) 이라는 알고리즘이다. CNN 에는 여러 개의 신경망 층으로 이루어져 있다. 쉽게 이야기해서 CNN 입력으로 사진이 들어가면 CNN이 강아지인지, 고양이 인지, 곰인지, 사슴인지 찾아 낸다.

그런데 이 CNN 에서 여러 개의 신경망 층(Layer)을 지나면서 각 층의 출력이 단순화되고 추상화 되어 나간다. 이러한 과정을 거치면서 입력이 수천 다차원 행렬이라 하더라도 최종 출력은 ‘동물의 이름’이 되기 때문이다. 이렇게 크기가 큰 행렬을 줄여나가는 과정을 수학적으로 함수 합성곱(Convolution) 이라고 한다. 이 과정은 수식적으로 볼 때 크기가 큰 행렬에 작은 크기의 행렬을 계속 곱해서 얻는다.

이 곱하는 작은 행렬을 필터 행렬이라고 한다. 이렇게 되면 각 신경망 층이 추상화(Abstraction) 과정을 하게 된다. 첫 층의 입력이 사진이라면 2층은 윤곽을 표현하고, 3층은 코, 입, 귀를 판단하고, 뒷 부분 층은 남녀 인종 등을 파악하고 최종적으로 누구인지 파악하는 과정을 거친다. 이처럼 CNN 에서도 학습과정에서 계속해서 행렬 연산이 이루어져 있다.

사진과 영상 분석에 유용한 인공지능 알고리즘인 CNN의 구성도. [출처: Intel]

행렬과 텐서

그러니 인공지능을 위한 프로그램을 만들기 위해 소프트웨어 코딩을 한다는 것은 수많은 행렬연산을 계획된 순서대로 짜는 것과 같다. 특히 인공지능의 학습과정과 ‘판단(Decision)’ 혹은 ‘추론(Inference)’을 내릴 때 수 많은 행렬 연산을 한다. 그래서 인공지능을 연구하고 개발한다는 의미는 행렬 연산에 묻혀 사는 것과 같다.

이처럼 다차원 행렬을 수학에서 텐서(Tensor)라고 부른다. 그러므로 스칼라(Scalar)는 ‘0 텐서’, 벡터(Vector)는 ‘1 텐서’, 행렬은 ‘2 텐서’라고 부르기도 한다. 구글에서 제공하는 인공지능 계산 플랫폼을 텐서 플로우(Tensor Flow) 라고 부르는 것이 이런 배경이 된다. 인공지능에서 다 차원 행렬인 텐서 계산이 딥러닝 층을 지나가면서 쭉 흘러간다. 이 수학적인 과정이 학습과 판단 과정이다.

재미있는 드라마에는 ‘암시’를 주고 되살아나는 과정이 있으며, 이 과정이 드라마의 재미를 더해 준다. 암시는 장면, 만남, 표정, 대사에서 다양하게 나타난다. 특히 드라마 초반에 나타나 미래 전개 과정을 암시한다. 필자가 대학 2학년 때 선형대수 과목에 푹 빠졌던 것은 40년 후 다가올 4차 산업혁명 시대와 인공지능 시대를 암시했는지도 모른다.

구글의 오픈소스 인공지능 플랫폼 텐서 플로우, [출처: Data Flair]

 

 

joungho@kaist.ac.kr


[김정호 카이스트 전기 및 전자공학과 교수]

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美 국채금리 장중 급등 뒤 하락 [서울=뉴스핌] 고인원 기자= 미국 국채 수익률은 18일(현지시간) 장 초반 상승세를 보인 뒤 하락 전환했고 미 달러화는 주요 통화 대비 좁은 범위에서 움직였다. 미국과 이란의 갈등과 호르무즈 해협을 둘러싼 불확실성이 인플레이션 우려를 자극했지만 최근 미국의 고용과 물가 지표가 예상보다 약하게 나오면서 미 연방준비제도(Fed·연준)의 추가 금리 인상 기대가 낮아진 영향이다. 벤치마크인 미국 10년물 국채 수익률은 1.6bp(1bp=0.01%포인트) 하락한 4.708%를 기록했다. 30년물 국채 수익률은 장중 2007년 이후 최고 수준까지 올랐다가 상승분을 반납해 2.6bp 내린 5.284%를 나타냈다. 연준의 통화정책 전망에 민감한 2년물 국채 수익률은 0.5bp 하락한 4.177%를 기록했다. 국채 가격과 수익률은 반대로 움직인다. 미 국채 시장은 앞서 2거래일 연속 약세를 보였다. 미국뿐 아니라 주요국의 장기 국채 수익률이 수십 년 만의 최고 수준에 근접하는 등 글로벌 채권시장에서 매도세가 이어졌지만 이날 미 국채 수익률은 장중 방향을 틀었다. 미 국채 10년물 차트, 자료=야후 파이낸스, 2026.08.19 koinwon@newspim.com ◆고용·물가 이어 산업생산도 둔화…9월 금리 동결 기대↑ 여름철 거래가 한산한 데다 이번 주 시장의 방향을 결정할 만한 주요 경제지표가 많지 않은 가운데 투자자들은 미국과 이란의 갈등과 향후 연준의 통화정책 경로에 주목했다. 재니의 가이 르바스 수석 채권 전략가는 "경제지표는 많지 않고 시장의 무기력감은 큰 상황이어서 이 두 가지가 겹치면 가벼운 바람에도 시장이 움직일 수 있다"고 말했다. 이날 발표된 미국 경제지표도 금리 상승세를 제한했다. 연준에 따르면 7월 산업생산은 전월 대비 0.2% 증가해 증가율이 전월보다 0.1%포인트 둔화했다. 소비재 생산 감소 등의 영향으로 시장 예상에도 미치지 못했다. 최근 미국 경제지표는 전반적으로 경기 둔화를 가리키고 있다. 7월 예상 밖의 고용 감소에 이어 소비자물가지수(CPI) 등 물가 지표도 비교적 온건하게 나오면서 시장에서는 연준의 추가 금리 인상 기대가 낮아졌다. 시장에서는 현재 연준이 9월 기준금리를 0.25%포인트 인상하기보다 동결할 가능성을 약 70%로 보고 있다. ◆ 달러인덱스 99.63…연준 비둘기파 기대에 상승폭 제한 미 국채 수익률 하락에도 달러화는 뚜렷한 방향을 잡지 못했다. 주요 6개 통화 대비 달러화 가치를 나타내는 달러인덱스는 0.09% 상승한 99.63을 기록했다. 유로화는 전날 기록한 2개월 만의 최고치인 1.161달러에서 소폭 내려와 0.03% 상승한 1.15760달러에 거래됐다. 영국 파운드화는 0.04% 하락한 1.35356달러를 기록했고 달러화는 스위스프랑 대비 0.17% 상승한 0.81230프랑을 나타냈다. 머니코프 북미의 유진 엡스타인 구조화상품 책임자는 최근 달러화 움직임이 연준의 예상보다 비둘기파적인 태도와 이에 대한 시장의 해석을 반영하고 있다고 분석했다. 그는 "최근 CPI가 인플레이션 압력을 시사하지 않았고 고용지표 역시 마찬가지였다"며 "갑자기 달러가 약해졌고 이러한 흐름이 대부분의 통화쌍에 반영되고 있다"고 말했다. 스코샤뱅크도 온건한 인플레이션과 미국 노동시장의 약화 조짐을 고려하면 현시점에서 9월 금리 인상 가능성이 매우 낮다고 평가했다. 이어 단기적인 달러화 상승은 여전히 매도 기회로 판단한다고 밝혔다. 다만 미국과 이란의 갈등과 국제유가 상승은 연준의 통화정책 전망을 복잡하게 만드는 변수다. 도널드 트럼프 미국 대통령은 이날 이란과 현재 진행 중인 협상이 없으며 예정된 협상도 없다고 밝혔다. 트럼프 대통령은 호르무즈 해협이 열려 있다고 주장했지만 이란은 해당 해협이 여전히 선박 운항에 폐쇄돼 있다고 밝히고 있다. 이란 고위 당국자는 전쟁을 영구적으로 끝내기 위한 협상이 교착 상태에 빠지면서 군사 태세를 '전면적인 공세'로 전환할 것이라고 밝혔다. 미국 역시 지난 6월 체결한 휴전 합의를 연장하지 않겠다는 입장이다. 호르무즈 해협의 장기 폐쇄가 에너지 공급에 미칠 우려가 이어지면서 브렌트유 선물은 이날 0.17% 오른 배럴당 91.02달러에 거래를 마쳤다. 이는 지난 7월 24일 이후 가장 높은 수준이다. ◆ 19일 FOMC 의사록·20년물 입찰 주목…금리 향방 가른다 유가 상승에 따른 인플레이션 재확산 우려는 미국뿐 아니라 세계 채권시장에도 부담을 주고 있다. 미국 30년물 국채 수익률은 이날 장중 2007년 이후 최고 수준을 기록했고 주요국 장기 국채 수익률도 동반 상승했다. 시타델증권의 노샤드 샤 유럽·중동·아프리카(EMEA) 채권 영업 책임자는 "인플레이션은 지난 5년 대부분의 기간 동안 목표치를 웃돌았다"며 공급 충격이 계속되는 상황에서는 물가가 다시 상승할 위험에 대응할 여유가 크지 않다고 지적했다. 외환시장에서는 엔화의 움직임도 주목받았다. 엔화는 달러 대비 0.08% 하락한 달러당 159.605엔을 기록했다. 7월 말 미국과 일본이 엔화 강세를 유도하기 위해 공동으로 시장에 개입한 이후 나타났던 상승폭의 거의 절반을 반납했다. 당시 엔화는 40년 만의 최저 수준인 달러당 163.99엔까지 하락했다. 시장에서는 추가 외환시장 개입 가능성과 다음 달 일본은행(BOJ)의 금융정책결정회의를 주시하고 있다. 시장은 일본은행이 다음 달 기준금리를 인상할 것으로 예상하고 있다. 달러/원 환율은 19일 오전 6시 50분 기준 전장 대비 5.29% 하락한 1413.00원에 거래되고 있다.    시장의 시선은 19일 공개되는 7월 연방공개시장위원회(FOMC) 의사록으로 향하고 있다. 투자자들은 최근 고용과 물가 둔화에도 국제유가와 장기금리가 높은 수준을 유지하는 상황에서 연준 위원들이 향후 금리 경로를 어떻게 판단하고 있는지 확인할 전망이다. 미국 재무부가 같은 날 실시하는 20년물 국채 입찰 결과도 장기금리 흐름을 좌우할 변수로 꼽힌다. koinwon@newspim.com 2026-08-19 06:56
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코스피 급락에 매도사이드카 발동 [서울=뉴스핌] 이건주 기자 = 19일 코스피 지수가 전 거래일보다 341.06포인트(4.96%) 내린 6528.77에 개장했다. 코스닥 지수는 전 거래일보다 24.12포인트(2.89%) 내린 810.08에 거래를 시작했다. 서울 외환시장에서 달러/원 환율은 9시 기준 1413.5원을 기록했다. 이날 오전 서울 중구 하나은행 딜링룸에서 딜러들이 업무를 보고 있다. 2026.08.19 kunjoo@newspim.com   2026-08-19 09:26
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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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