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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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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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