【KAN】KAN神经网络学习训练营(14)——API 2：绘图

企业开发 2025-04-08 12:32:09 阅读次数: 0

一、引言

KAN神经网络（Kolmogorov–Arnold Networks）是一种基于Kolmogorov-Arnold表示定理的新型神经网络架构。该定理指出，任何多元连续函数都可以表示为有限个单变量函数的组合。与传统多层感知机（MLP）不同，KAN通过可学习的激活函数和结构化网络设计，在函数逼近效率和可解释性上展现出潜力。

二、技术与原理简介

1.Kolmogorov-Arnold 表示定理

Kolmogorov-Arnold 表示定理指出，如果是有界域上的多元连续函数，那么它可以写为单个变量的连续函数的有限组合，以及加法的二进制运算。更具体地说，对于光滑 $ff:[0,1]^{^{n}}\rightarrow \mathbb{R}$

$f \left( x \right)=f \left( x_{1}, \cdots,x_{n} \right)= \sum_{q=1}^{2n+1} \Phi_{q} \left( \sum_{p=1}^{n} \phi_{q,p} \left( x_{p} \right) \right)$

其中和。从某种意义上说，他们表明唯一真正的多元函数是加法，因为所有其他函数都可以使用单变量函数和 sum 来编写。然而，这个 2 层宽度 - Kolmogorov-Arnold 表示可能不是平滑的由于其表达能力有限。我们通过以下方式增强它的表达能力将其推广到任意深度和宽度。 $\boldsymbol{\phi_{q,p}:[0,1]\to\mathbb{R}}$ ， $\boldsymbol{\Phi_{q}:\mathbb{R}\to\mathbb{R}(2n+1)}$

2.Kolmogorov-Arnold 网络（KAN）

Kolmogorov-Arnold 表示可以写成矩阵形式

$f(x)=\mathbf{\Phi_{out}}\mathsf{o}\mathbf{\Phi_{in}}\mathsf{o}{}x$

其中

$\mathbf{\Phi}_{\mathrm{in}}=\begin{pmatrix}\phi_{1,1}(\cdot)&\cdots&\phi_{1,n }(\cdot)\\ \vdots&&\vdots\\ \phi_{2n+1,1}(\cdot)&\cdots&\phi_{2n+1,n}(\cdot)\end{pmatrix}$

$\quad\mathbf{ \Phi}_{\mathrm{out}}=\left(\Phi_{1}(\cdot)\quad\cdots\quad\Phi_{2n+1}(\cdot)\right)$

我们注意到和都是以下函数矩阵（包含输入和输出）的特例，我们称之为 Kolmogorov-Arnold 层： $\mathbf{\Phi_{in}} \mathbf{\Phi_{out}} \mathbf{\Phi_{n_{in}n_{out}}}$

其中 $\boldsymbol{n_{\text{in}}=n,n_{\text{out}}=2n+1\Phi_{\text{out}}n_{\text{in}}=2n+1,n_{\text{out}}=1}$ 。

定义层后，我们可以构造一个 Kolmogorov-Arnold 网络只需堆叠层！假设我们有层，层的形状为。那么整个网络是 $Ll^{th} \Phi_{l} \left( n_{l+1},n_{l} \right)$

$\mathbf{KAN(x)}=\mathbf{\Phi_{L-1}}\circ\cdots\circ\mathbf{\Phi_{1}}\circ \mathbf{\Phi_{0}}\circ\mathbf{x}$

相反，多层感知器由线性层和非线错： $\mathbf{W}_{l^{\sigma}}$

$\text{MLP}(\mathbf{x})=\mathbf{W}_{\textit{L-1}}\circ\sigma\circ\cdots\circ \mathbf{W}_{1}\circ\sigma\circ\mathbf{W}_{0}\circ\mathbf{x}$

KAN 可以很容易地可视化。（1） KAN 只是 KAN 层的堆栈。（2）每个 KAN 层都可以可视化为一个全连接层，每个边缘上都有一个1D 函数。

三、代码详解

1. 初始化 KAN 并创建数据集

from kan import *
# create a KAN: 2D inputs, 1D output, and 5 hidden neurons. cubic spline (k=3), 5 grid intervals (grid=5).
model = KAN(width=[2,5,1], grid=5, k=3, seed=0)

# create dataset f(x,y) = exp(sin(pi*x)+y^2)
f = lambda x: torch.exp(torch.sin(torch.pi*x[:,[0]]) + x[:,[1]]**2)
dataset = create_dataset(f, n_var=2)
dataset['train_input'].shape, dataset['train_label'].shape

2.初始化时绘制 KAN

# plot KAN at initialization
model(dataset['train_input']);
model.plot(beta=100)

3.添加变量命名和标题

# if you want to add variable names and title
model.plot(beta=100, in_vars=[r'$\alpha$', 'x'], out_vars=['y'], title = 'My KAN')

4.稀疏正则化训练 KAN

# train the model
model.fit(dataset, opt="LBFGS", steps=20, lamb=0.01, lamb_entropy=10.);

5.绘图

β 控制激活函数的透明度。较大的 β 意味着更多的激活函数会显现出来。我们通常希望设置一个合适的 β，使得只有重要的连接在视觉上是显著的。透明度被设定为 tanh(β∣ϕ∣1)，其中 ∣ϕ∣1 是激活函数的 L1 范数。默认情况下，β=3。

model.plot(beta=3)

model.plot(beta=100000)

model.plot(beta=0.1)

6.剪枝

model.prune()
model.plot()

7.不同的量度绘图

model.plot(metric='forward_n', beta=100)

model.plot(metric='forward_u', beta=100)

model.plot(metric='backward', beta=100)

8.移除不重要的神经元

model2 = model.prune()
model2(dataset['train_input']) # it's important to do a forward first to collect activations
model2.plot()

9.参数调整图窗

使用 “scale” 参数调整图窗的大小。默认情况下：0.5

model2.plot(scale=0.5)

10. 样本分布

model2(dataset['train_input'])
model2.plot(sample=True)

如果我们使用较少数量的样本，样本会更加明显

model2(dataset['train_input'][:20])
model2.plot(sample=True)

11.函数设置为符号

model2.fix_symbolic(0,1,0,'x^2')
model2.plot()

12.函数设置为符号和数字

model2.set_mode(0,0,0,mode='ns')
model2.plot()

四、总结与思考

KAN神经网络通过融合数学定理与深度学习，为科学计算和可解释AI提供了新思路。尽管在高维应用中仍需突破，但其在低维复杂函数建模上的潜力值得关注。未来可能通过改进计算效率、扩展理论边界，成为MLP的重要补充。

1. KAN网络架构

关键设计：可学习的激活函数：每个网络连接的“权重”被替换为单变量函数（如样条、多项式），而非固定激活函数（如ReLU）。分层结构：输入层和隐藏层之间、隐藏层与输出层之间均通过单变量函数连接，形成多层叠加。参数效率：由于理论保证，KAN可能用更少的参数达到与MLP相当或更好的逼近效果。
示例结构：输入层 → 隐藏层：每个输入节点通过单变量函数 $\phi_{q,i} \left( x_{i} \right)$ 连接到隐藏节点。隐藏层 → 输出层：隐藏节点通过另一组单变量函数 $\psi_{q}$ 组合得到输出。