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F18Fronteradesde 2001

Computación de reservorio y KAN

Redes de eco y redes de Kolmogorov-Arnold

Dos ideas heterodoxas. Una: no entrenes la red recurrente, déjala resonar y aprende solo a leerla. Otra: en vez de pesos numéricos, aprende funciones en cada conexión.

2001
año fundacional
2
laboratorios
3
ecuaciones
7
hitos citados
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Lámina F18semitono de dos tintas · en vivo
§1

Intuición

Lo que se investiga hoy: representación, memoria, control.

Una red de estado de eco (ESN) es un reservorio de cientos de neuronas conectadas al azar. La entrada lo perturba como una piedra en un estanque; las ondas reverberan y mezclan el presente con el pasado reciente. Solo se entrena una capa de lectura lineal, con una regresión de cresta: segundos en lugar de horas.

Si el reservorio está en el borde del caos (radio espectral cercano a 1), su memoria y riqueza dinámica son máximas. En el laboratorio, una ESN aprende la serie caótica de Mackey-Glass y luego la genera sola, en bucle cerrado.

Las redes de Kolmogorov-Arnold (KAN, Liu et al., 2024) invierten el perceptrón: las neuronas solo suman y cada conexión es una función univariada aprendible (un spline o una suma de bases). El resultado puede leerse: cada arista muestra la forma que aprendió.

§2

Mecanismo

ESN: xt=(1−α)xt−1+αtanh⁡(Wxt−1+Winut)x_t = (1-\alpha)x_{t-1} + \alpha\tanh(W x_{t-1} + W_{in} u_t), con WW fija y reescalada a radio espectral ρ\rho. La lectura Wout=YX⊤(XX⊤+λI)−1W_{out} = Y X^\top (X X^\top + \lambda I)^{-1} se calcula en forma cerrada. La propiedad de eco garantiza que el estado dependa de la historia de la entrada y no de la condición inicial.

El teorema de Kolmogorov-Arnold (1957) dice que toda función continua de nn variables se escribe como f(x)=∑q=02nΦq(∑p=1nϕq,p(xp))f(x) = \sum_{q=0}^{2n} \Phi_q\big(\sum_{p=1}^{n} \phi_{q,p}(x_p)\big): basta sumar funciones de una variable. KAN generaliza esto a capas profundas y aprende las funciones por gradiente.

El laboratorio de KAN usa bases radiales gaussianas por arista (la variante FastKAN) entrenadas con retropropagación en vivo; se dibuja cada función aprendida.

Ec. 18.1Reservorio con fuga
xt=(1−α) xt−1+αtanh⁡(Wxt−1+Winut),ρ(W)≲1x_t = (1-\alpha)\,x_{t-1} + \alpha\tanh\big(W x_{t-1} + W_{\text{in}} u_t\big), \quad \rho(W) \lesssim 1
Ec. 18.2Lectura por regresión de cresta
Wout=YX⊤(XX⊤+λI)−1W_{\text{out}} = Y X^\top\big(XX^\top + \lambda I\big)^{-1}
Ec. 18.3Representación de Kolmogorov-Arnold
f(x1,…,xn)=∑q=02nΦq(∑p=1nϕq,p(xp))f(x_1,\dots,x_n) = \sum_{q=0}^{2n}\Phi_q\Big(\sum_{p=1}^{n}\phi_{q,p}(x_p)\Big)
§3

Laboratorio

Lab 18.1 calculado en tu navegadorDetectando…

Red de estado de eco predice el caos

Entrena la lectura con regresión de cresta sobre Mackey-Glass y deja al reservorio generar la serie en bucle cerrado. Ajusta radio espectral y fuga.

Lab 18.2 calculado en tu navegadorDetectando…

Una KAN aprende funciones en sus aristas

Red [2, 3, 1] con funciones aprendibles por arista. Elige una función objetivo y observa cómo cada arista adopta una forma.

§4

Historia

  1. 1957

    Kolmogorov y Arnold resuelven el problema 13 de Hilbert: la superposición de funciones univariadas basta.

    Kolmogorov (1957), Doklady Akad. Nauk SSSR 114

  2. 1977

    Mackey y Glass proponen su ecuación con retardo para sistemas fisiológicos.

    Mackey & Glass (1977), Science 197

  3. 2001

    Herbert Jaeger introduce las redes de estado de eco.

    Jaeger (2001), GMD Report 148

  4. 2002

    Maass, Natschläger y Markram proponen las máquinas de estado líquido.

    Maass, Natschläger & Markram (2002), Neural Computation 14(11)

  5. 2004

    Jaeger y Haas predicen caos con ESN, mejorando la precisión en órdenes de magnitud.

    Jaeger & Haas (2004), Science 304

  6. 2018

    Pathak et al. predicen la dinámica de Kuramoto-Sivashinsky con reservorios.

    Pathak et al. (2018), Physical Review Letters 120

  7. 2024

    Liu et al. publican KAN: Kolmogorov-Arnold Networks.

    Liu et al. (2024), arXiv:2404.19756 (ICLR 2025)

§5

Límites

1

Los reservorios necesitan ajuste de hiperparámetros (radio espectral, fuga, escala) y no aprenden representaciones profundas.

2

Las KAN son más lentas por parámetro que los MLP y su ventaja fuera de problemas científicos pequeños está en debate.

§6 · Pregunta filosófica

¿Hace falta entenderlo todo para aprovecharlo?

El reservorio es caos domesticado: nadie diseña sus conexiones y aun así su dinámica computa. Es una idea cercana a la «computación física»: cualquier sistema dinámico suficientemente rico —un balde de agua, un circuito óptico— podría ser un reservorio.

KAN, al contrario, busca que cada pieza sea legible, recuperando fórmulas simbólicas. ¿Preferimos máquinas que funcionan o máquinas que se dejan comprender?

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