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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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삼성전자, 車 메모리 첫 '세계 1위' [서울=뉴스핌] 이나영 기자= 삼성전자가 세계 차량용 메모리 반도체 시장에서 미국 마이크론을 제치고 사상 처음으로 세계 1위에 올랐다. 31일 시장 조사업체 스탠더드앤드푸어스(S&P) 글로벌 모빌리티에 따르면 삼성전자의 지난해 차량용 메모리 시장 점유율은 40%로 전년(35%) 대비 5%포인트(P) 올라 1위를 차지했다. 기존 1위였던 마이크론은 같은 기간 점유율이 40%에서 36%로 하락하며 2위로 밀려났다. 서울 서초구 삼성전자 사옥 전경 [사진=뉴스핌DB] 차량용 메모리 시장은 자동차의 전장화와 소프트웨어 중심 차량(SDV) 확산에 힘입어 빠르게 성장하고 있다. 자율주행 기능과 고사양 인포테인먼트 시스템 탑재가 늘면서 대용량 데이터 처리와 높은 안정성을 갖춘 메모리 반도체 수요도 증가하는 추세다. 삼성전자는 지난 2015년 저전력 D램(LPDDR)과 유니버설 플래시스토리지(UFS)를 앞세워 차량용 반도체 시장에 본격 진출했다. 이후 차량용 SSD와 그래픽 D램(GDDR) 등으로 제품군을 확대하며 사업 영역을 넓혀왔다. 제품 포트폴리오 확장을 바탕으로 삼성전자는 2020년부터 지난해까지 차량용 메모리 사업에서 연평균 40% 이상의 매출 성장률을 기록한 것으로 알려졌다. 한편 S&P 글로벌 모빌리티는 글로벌 차량용 반도체 시장 규모가 2025년 약 900억달러(약 136조원)에서 2031년 1390억달러(약 209조원)로 성장할 것으로 전망했다. nylee54@newspim.com 2026-05-31 12:46
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외환 거래 '24시간'으로 확대 [서울=뉴스핌] 박가연 기자 = 오는 7월 6일부터 서울 외환시장의 외환 거래시간이 평일 24시간 무중단 방식으로 연장된다. 이에 따라 주말과 새해 첫날을 제외하면 국내 공휴일에도 거래가 가능해진다. 서울외환시장운영협의회(외시협)는 29일 총회를 개최하고 이 같은 내용의 '서울 외환시장 행동규범' 개정안을 의결했다. 이번 개정으로 중개회사를 통한 원·달러 외환거래 시간은 기존 '오전 9시~익일 오전 2시'에서 주중 내내 24시간 문을 여는 방식으로 바뀐다. 뉴욕 서머타임(DST) 기간에는 월요일 오전 6시부터 토요일 오전 6시까지, 그 외 기간에는 월요일 오전 7시부터 토요일 오전 7시까지 시장이 상시 가동된다. 다만 원화와 이종통화 간 거래시간은 현행대로 오전 9시부터 오후 3시 30분까지 유지된다. 한국은행 현판. [사진=뉴스핌DB] 외환시장 개방 확대로 시차가 다른 외국인 투자자는 물론, 미국 주식 등에 투자하는 국내 투자자와 수출입 기업들의 환전 편의가 높아지고 거래 비용도 줄어들 것으로 전망된다. 매년 첫 영업일은 오전 9시에 개장하며 마지막 영업일은 24시에 폐장한다. 공휴일이나 야간 거래는 허용되지만 실제 거래 대금이 오가는 결제 업무는 기존처럼 은행 영업일에 처리된다. 글로벌 시장 관행에 따라 은행 비영업일에는 자금 이체가 불가능해 가장 가까운 다음 은행 영업일로 결제가 순연된다. 24시간 개장에 맞춰 환율 공시 체계도 일부 조정된다. 현물환중개회사는 오전 6시부터 익일 오전 6시까지 매시 정각마다 시간가중평균환율(TWAP)을 산출해 시장에 제공할 예정이다. ▲시가 ▲고가 ▲저가 ▲환율 역시 같은 기준에 따라 공표된다. 다만 시장의 혼선을 최소화하기 위해 기업 재무제표나 세무 기준 등에 활용되는 '서울 오후 3시 30분 종가 환율'과 매매기준율(MAR)은 당분간 현행 기준을 따르기로 했다. 외환당국도 공식 통계와 보도자료 작성 시 기존 종가 환율을 계속 활용할 방침이다. 외시협은 향후 매매기준율 산정 방식도 글로벌 관행에 맞춰 거래량 가중평균 방식(MAR)에서 시간가중평균환율(TWAP) 방식으로 변경하는 방안을 논의했다. 시장 참가자들의 적응 기간을 고려해 외국환거래규정 개정 이후 1년의 유예기간을 두는 방안도 검토됐다. 외환당국은 이번 총회에서 수렴된 시장 참가자 의견을 바탕으로 오는 6월 중 매매기준율 변경 등을 포함한 외국환거래규정 개정을 추진할 계획이다. eoyn2@newspim.com 2026-05-31 12:00
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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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