全新神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)KAN一夜爆火！200參數(shù)頂30萬(wàn)，MIT華人一作，輕松復(fù)現(xiàn)Nature封面AI數(shù)學(xué)研究

白交 2024-05-02 18:31:29 來(lái)源：量子位

白交 衡宇 發(fā)自 凹非寺

量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

一種全新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)KAN，誕生了！

與傳統(tǒng)的MLP架構(gòu)截然不同，且能用更少的參數(shù)在數(shù)學(xué)、物理問(wèn)題上取得更高精度。

比如，200個(gè)參數(shù)的KANs，就能復(fù)現(xiàn)DeepMind用30萬(wàn)參數(shù)的MLPs發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)定理研究。

不僅準(zhǔn)確性更高，并且還發(fā)現(xiàn)了新的公式。要知道后者可是登上Nature封面的研究啊~

在函數(shù)擬合、偏微分方程求解，甚至處理凝聚態(tài)物理方面的任務(wù)都比MLP效果要好。

而在大模型問(wèn)題的解決上，KAN天然就能規(guī)避掉災(zāi)難性遺忘問(wèn)題，并且注入人類的習(xí)慣偏差或領(lǐng)域知識(shí)非常容易。

來(lái)自MIT、加州理工學(xué)院、東北大學(xué)等團(tuán)隊(duì)的研究一出，瞬間引爆一整個(gè)科技圈：Yes We KAN！

甚至直接引出關(guān)于能否替代掉Transformer的MLP層的探討，有人已經(jīng)準(zhǔn)備開(kāi)始嘗試……

有網(wǎng)友表示：這看起來(lái)像是機(jī)器學(xué)習(xí)的下一步。

讓機(jī)器學(xué)習(xí)每個(gè)特定神經(jīng)元的最佳激活，而不是由我們?nèi)祟悰Q定使用什么激活函數(shù)。

還有人表示：可能正處于某些歷史發(fā)展的中間。

GitHub上也已經(jīng)開(kāi)源，也就短短兩三天時(shí)間就收獲1.1kStar。

對(duì)MLP“進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的更改”

跟MLP最大、也是最為直觀的不同就是，MLP激活函數(shù)是在神經(jīng)元上，而KAN把可學(xué)習(xí)的激活函數(shù)放在權(quán)重上。

在作者看來(lái)，這是一個(gè)“簡(jiǎn)單的更改”。

從數(shù)學(xué)定理方面來(lái)看，MLP的靈感來(lái)自于通用近似定理，即對(duì)于任意一個(gè)連續(xù)函數(shù)，都可以用一個(gè)足夠深的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)近似。

而KAN則是來(lái)自于 Kolmogorov-Arnold 表示定理 (KART)，每個(gè)多元連續(xù)函數(shù)都可以表示為單變量連續(xù)函數(shù)的兩層嵌套疊加。

KAN的名字也由此而來(lái)。

正是受到這一定理的啟發(fā)，研究人員用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將Kolmogorov-Arnold 表示參數(shù)化。

為了紀(jì)念兩位偉大的已故數(shù)學(xué)家Andrey Kolmogorov和Vladimir Arnold，我們稱其為科爾莫格羅夫-阿諾德網(wǎng)絡(luò)（KANs）。

而從算法層面上看，MLPs 在神經(jīng)元上具有（通常是固定的）激活函數(shù)，而 KANs 在權(quán)重上具有（可學(xué)習(xí)的）激活函數(shù)。這些一維激活函數(shù)被參數(shù)化為樣條曲線。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，KAN可以直觀地可視化，提供MLP無(wú)法提供的可解釋性和交互性。

不過(guò)，KAN的缺點(diǎn)就是訓(xùn)練速度較慢。

對(duì)于訓(xùn)練速度慢的問(wèn)題，MIT博士生一作Ziming Liu解釋道，主要有兩個(gè)方面的原因。

一個(gè)是技術(shù)原因，可學(xué)習(xí)的激活函數(shù)評(píng)估成本比固定激活函數(shù)成本更高。

另一個(gè)則是主觀原因，因?yàn)轶w內(nèi)物理學(xué)家屬性抑制程序員的個(gè)性，因此沒(méi)有去嘗試優(yōu)化效率。

對(duì)于是否能適配Transformer，他表示：暫時(shí)不知道如何做到這一點(diǎn)。

以及對(duì)GPU友好嗎？他表示：還沒(méi)有，正在努力中。

天然能解決大模型災(zāi)難性遺忘

再來(lái)看看KAN的具體實(shí)現(xiàn)效果。

神經(jīng)縮放規(guī)律：KAN 的縮放速度比 MLP 快得多。除了數(shù)學(xué)上以Kolmogorov-Arnold 表示定理為基礎(chǔ)，KAN縮放指數(shù)也可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在函數(shù)擬合方面，KAN比MLP更準(zhǔn)確。

而在偏微分方程求解，比如求解泊松方程，KAN比MLP更準(zhǔn)確。

研究人員還有個(gè)意外發(fā)現(xiàn)，就是KAN不會(huì)像MLP那樣容易災(zāi)難性遺忘，它天然就可以規(guī)避這個(gè)缺陷。

好好好，大模型的遺忘問(wèn)題從源頭就能解決。

在可解釋方面，KAN能通過(guò)符號(hào)公式揭示合成數(shù)據(jù)集的組成結(jié)構(gòu)和變量依賴性。

人類用戶可以與 KANs 交互，使其更具可解釋性。在 KAN 中注入人類的歸納偏差或領(lǐng)域知識(shí)非常容易。

研究人員利用KANs還重新復(fù)現(xiàn)了DeepMind當(dāng)年登上Nature的結(jié)果，并且還找到了Knot理論中新的公式，并以無(wú)監(jiān)督的方式發(fā)現(xiàn)了新的結(jié)不變式關(guān)系。

△DeepMind登Nature研究成果

Deepmind的MLP大約300000 個(gè)參數(shù)，而KAN大約只有200 個(gè)參數(shù)。KAN 可以立即進(jìn)行解釋，而 MLP 則需要進(jìn)行特征歸因的后期分析。并且準(zhǔn)確性也更高。

對(duì)于計(jì)算要求，團(tuán)隊(duì)表示論文中的所有例子都可以在單個(gè)CPU上10分鐘內(nèi)重現(xiàn)。

雖然KAN所能處理的問(wèn)題規(guī)模比許多機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)要小，但對(duì)于科學(xué)相關(guān)任務(wù)來(lái)說(shuō)就剛剛好。

比如研究凝固態(tài)物理中的一種相變：安德森局域化。

好了，那么KAN是否會(huì)取代Transformer中的MLP層呢？

有網(wǎng)友表示，這取決于兩個(gè)因素。

一點(diǎn)是學(xué)習(xí)算法，如 SGD、AdamW、Sophia 等—能否找到適合 KANs 參數(shù)的局部最小值？

另一點(diǎn)則是能否在GPU上高效地實(shí)現(xiàn)KANs層，最好能比MLPs跟快。

最后，論文中還貼心的給出了“何時(shí)該選用KAN？”的決策樹(shù)。

那么，你會(huì)開(kāi)始嘗試用KAN嗎？還是讓子彈再飛一會(huì)兒~

項(xiàng)目鏈接：
https://kindxiaoming.github.io/pykan/
論文鏈接：
https://arxiv.org/abs/2404.19756
參考鏈接：
[1]https://twitter.com/ZimingLiu11/status/1785483967719981538
[2]https://twitter.com/AnthropicAI/status/1785701418546180326