나의 첫 AI 수학(생각하는 청소년 23)

교과서를 뚫고 나온 수학,
인공지능을 움직이다!

인공지능은 어디까지 발전했나?
수학으로 살펴보는 인공지능의 이모저모

'대전환 시대'라는 말처럼 우리는 거대한 사회변화 속에서 저마다 기대와 불안감을 함께 안은 채 살아가고 있다. 그중에서도 눈길을 사로잡는 것은 단연 AI, 즉 인공지능의 무서운 성장세이다. 이미 2016년 세기의 바둑 대결에서 인간 바둑천재를 압도한 알파고는 대중의 뇌리에 인공지능의 놀라운 성능을 각인시키기에 충분했다. 이후 수년간 인공지능은 가파른 성장을 거듭하고 있다. 휴식도 없이 엄청난 속도로 학습을 계속하며 인간이 몇 년을 피땀 흘려 노력해도 이를까 말까 한 고도의 전문 지식수준에 금세 도달하고, 엄청난 데이터들을 분석하여 상관관계를 밝혀내며, 신뢰할 만한 다양한 예측을 내놓기도 한다. 심지어 인간 고유의 역량이라 자부해온 창의적인 영역마저 넘보는 모습이다.
일부 전문가는 인류가 그동안 해결하지 못했던 골치 아픈 문제들, 예컨대 기후재앙, 환경오염, 삶의 질과 생존을 위협하는 각종 난치병 등 글로벌 난제들에 대한 해법을 가까운 미래에 등장할 초인공지능이 내놓을 것으로 전망하기도 한다. 또 한편에서는 인공지능 관련 공포와 불안감이 과도하게 조장되기도 한다. 인간의 일자리 대부분이 사라질 것이라든가, 궁극적으로 인간사회가 파괴될 것이라는 괴담마저 횡행하며, 아예 인공지능 연구 자체에 대한 반감을 드러내는 이들도 적지 않다. 이러한 때일수록 막연한 추측 속에서 근거가 불확실한 괴담에 휘둘리며 불안해하기보다는 인공지능의 메커니즘을 이해하려 노력해보면 어떨까? 이 책은 디지털 대전환 시대를 살아가는 청소년을 위한 AI 수학 이야기이다. 수학의 관점에서 인공지능을 들여다보며, 문제해결 과정을 살펴보며 수학적 사고를 키워보자.


인공지능 시대,
알아두면 쓸모 있는 수학 이야기

수학은 어떻게 인공지능을 움직일까?

컴퓨터와 인터넷, 스마트폰이 일으킨 거대한 사회변화 못지않게 인공지능도 세상의 패러다임을 바꿔가고 있다. 인공지능에 관한 세간의 각종 논란 또한 그만큼 대중적 관심이 뜨겁다는 방증이다. 실제로 알파고 이후 7년 만에 등장한 챗지피티는 세상에 모습을 드러낸 지 단 5일 만에 이용자 수 100만 명을 돌파했고, 2개월 만에 이용자 1억 명을 확보하는 기염을 토했다.
최근 언론에 고인이 된 만화 거장의 작품을 인공지능이 다시 연재하게 되었다는 소식이 전해지며 '고인 모독' 논란이 벌어지기도 했다. 논란과 별개로 고인의 그림체나 스토리텔링을 학습하여 이를 기반으로 창작활동이 가능한 수준에 이른 인공지능의 성장세가 놀라울 뿐이다. 사실 인공지능의 비약적 성장은 인간의 자기주도학습 과정을 인공지능 시스템에 구현해낸 것이며, 그 기저에는 수학이 자리한다. 인공지능 기술은 수학적 개념과 방법에 크게 의존하고 있어 가히 수학의 집합체로 볼 수 있다. AI 알고리즘과 시스템은 수학적 모델과 이론을 기반으로 하며, 다양한 예측이나 의사결정에 수학적 연산과 계산이 활용된다. 즉 수학은 인공지능을 논리적으로 움직이게 하는 힘이다.
점점 더 막강해지는 인공지능의 성능은 감탄과 동시에 두려움도 느끼게 한다. 그리고 실체를 제대로 파악하지 못할수록 막연한 두려움은 극대화된다. 이 책은 '수학'이라는 언어로 인공지능의 이모저모를 파헤친다. 특히 인공지능의 문제해결과정에 주목하였다. 수학의 언어로 인공지능과 소통하는 동안 어느새 두려움은 친밀감으로 바뀌고, 인공지능과 조금은 가까워질 수 있을 것이다. 아울러 수포자가 넘쳐나는 암울한 우리나라 교육 현실에서 수학의 매력을 발견하는 동시에 인공지능 시대에 왜 수학을 공부해야 하는지 독자 저마다의 이유도 찾아낼 수 있지 않을까?

인공지능 문해력과 수학적 사고를 키우자!

수학과 인공지능은 지금껏 함께 성장하고 발전해왔으며, 앞으로도 그러할 것이다. 또 이러한 동반 성장을 통해 점점 더 사회 전반으로 영향력을 키워가며 두루 활약할 전망이다. 그리고 인공지능의 활약이 거세질수록 인공지능은 우리의 일상으로 더욱 깊숙이 스며들 것이다.
지금의 우리가 스마트폰 없는 일상을 상상하기 어려운 것처럼 앞으로는 인공지능 없는 일상을 상상하기 어려워질 것이다. 오늘날 스마트폰에 익숙하지 않은 어르신들이 디지털 문맹으로 불리는 것처럼 앞으로 우리가 인공지능 문맹으로 살아가지 않기 위해서 인공지능 문해력을 키우는 것이 점점 더 중요해졌다. 문해력은 단순히 읽는 능력, 즉 디코딩에 국한되지 않는다. 정의, 이해, 해석, 창작, 의사소통, 계산 등을 총체적으로 아우르는 종합적인 역량을 뜻한다. 인공지능 문해력을 키운다는 것도 마찬가지 의미여야 한다.
아울러 인공지능 시대에 중요한 것이 또 하나 있다. 바로 수학적 사고이다. 수많은 정보와 창의적 지식의 융합으로 새로운 시너지를 일으키는 초기술시대에는 지식 습득 그 자체보다는 지식의 창의적인 재구조화, 또 문제해결에 유연하게 융합·응용하는 능력을 키우는 것이 더욱 중요하다. 수학적 사고는 지식의 수동적인 학습을 넘어 지식을 창의적으로 재구조화하고 이를 실제 문제해결에 자유롭게 융합할 수 있는 능력과 밀접한 관련이 있다. 이 책에서도 인공지능의 의사결정에 활용되는 다양한 수학적 개념에 관한 설명 못지않게 인공지능 발전 기반에는 '수학적 사고'가 존재하는 점을 강조한다.
내용 곳곳에 챗지피티가 구현해낸 다양한 이미지와 의견 등을 적절히 소개함으로써 독자들의 흥미를 자극하는 이 책은 AI 수학의 원리와 개념에 대한 이해를 넘어 다양한 문제 상황에서 수학적으로 사고하고 창의적인 문제해결 능력을 키워갈 수 있도록 안내한다. 인공지능 시대의 수학은 많은 수험생들을 울리는 어렵고 불편한 과목이라는 꼬리표를 떼고, 창의융합형 미래인재로 성장하는 데 도움을 주는 쓸모 있는 학문으로서 새로운 이름을 갖게 될 것이다.

프롤로그) AI 수학 이야기를 시작하기 전에

1장 AI 수학과 데이터
나의 이름을 찾아주오!

01 디지털 대전환 시대의 성장동력- 데이터는 새로운 ○○이다
02 빅데이터 시대- 시시각각 빠르게 쌓여가는 무수한 데이터들
03 수학적 모델- 수학, 데이터에 의미와 규칙을 부여하다
04 DB 구조화- 데이터 간 상관관계에 주목하라!

2장 데이터의 입력과 출력
인공지능이 처리할 수 있는 데이터란?

01 데이터 변환의 첫걸음- MBTI가 4차원 벡터라고?
02 유사도- 얼마나 비슷하게요?
03 픽셀과 해상도- 이미지를 행렬로 표현하라!
04 집합과 퍼지이론- 기준이 모호한 문제들을 수학적으로 접근하다
05 소프트 라벨- 인공지능은 함부로 단정하지 않지!
06 MBTI 궁합표의 진실- 너와 나는 영혼의 단짝일까?

3장 지능과 수학
인공지능에서 '지능'은 무엇일까요?

01 지능과 인공지능- 인간의 지능을 닮은 기계를 만들고 싶어!
02 인공지능 잔혹사- 생각하는 기계와 전문가 시스템은 왜 실패했나?
03 머신러닝과 학습- 날고 싶다고 꼭 새가 될 필요는 없잖아?
04 변수와 학습- 인공지능, 최적의 가중치를 찾아라!
05 상수와 모델- 공부는 끝났다, 예측을 시작하라!

4장 딥러닝과 수학
미션, 수학으로 뇌신경을 모방하라!

01 뇌신경의 작동원리- 활성화 함수로 풀어보는 우리 뇌의 신비
02 다양한 활성화 함수들- 수학이 인공지능을 움직이는 방법
03 가중치와 자극- 하늘 아래 똑같은 반응은 없다
04 인공지능의 논리적 사고- 인간처럼 생각하는 인공신경세포 하나 만들기
05 XOR 문제와 다층퍼셉트론- 뇌세포는 단독으로 의사결정하지 않지!
06 행렬의 쓸모- 행렬을 다시 보면 딥러닝이 보인다!

5장 함수와 미분
미션, 인공지능의 예측 능력치를 높여라!

01 수학적 모델링- 미래가 궁금해? 점괘 말고 수학에게 물어봐!
02 실젯값과 예측값- 미션, 오차를 줄여라!
03 선형회귀분석과 대푯값- 인공지능이 함수를 찾아내는 방법에 관하여
04 경사하강법과 미분- 칠흑 같은 어두운 밤, 산에서 내려가는 방법

6장 인공지능 리터러시
읽어낼 수 없다면 무의미한 숫자의 나열일 뿐

01 인공지능 시대의 문해력- 결과를 알려주었는데, 왜 읽지를 못하니?
02 조건부 확률과 유사도- 아기 기저귀 옆에는 무엇을 진열해야 잘 팔릴까?
03 페이지랭크- 오늘날의 구글을 탄생시킨 하나의 수식
04 양자컴퓨터- 생각은 곧 현실이 된다!

7장 설명가능한 인공지능
미지의 블랙박스를 해부하라!

01 XAI와 활용- 설명가능한 인공지능의 쓸모에 관하여
02 섀플리값과 설명가능성- 든 자리는 몰라도 난 자리는 알아요
03 중요도- 어떻게 아냐고? 그냥 척 보면 압니다!
04 지식의 증류- 해석이 쉬운 모델로 변경해서

에필로그) 챗지피티에게 AI 수학을 묻다
참고자료

오세준 서울대학교 수리과학부를 졸업하고, 수학교육과에서 박사학위를 받았다. 서울교육대학 교육전문대학원 인공지능융합학과에서 수학 교과와 인공지능에 대해서 강의를 하였으며, 이화여자대학교 사범대학 부속 이화·금란고등학교에서 수학 교사로 재직 중이다. 2015 수학과 교육과정 〈인공지능 수학〉 시안 개발 연구진으로 미래 기술의 핵심인 인공지능을 이해하기 위해 필요한 수학 교과목을 설계하였다. 교육부 〈인공지능 수학〉 핵심교원 연수, 시도 교육청 〈인공지능 수학〉 연수 강사로 활동하며 〈인공지능 수학〉 교과목을 학교에 도입하여 학생들의 수학에 대한 흥미 및 호기심을 높이는 방안에 대하여 많은 수학 선생님들과 생각을 나누고 있다. 지은 책으로는 단행본 《십대들을 위한 좀 만만한 수학책》, 교과서 《인공지능 수학》 등이 있다.