机器学习笔记17: 线性二次型调节控制

有限边界的MDP

在前面两章关于强化学习的介绍中，我们定义了马尔可夫决策过程(MDP)以及价值迭代/策略迭代这两种用于求解MDP的算法。特别地，我们介绍了最优贝尔曼方程(optimal Bellman equation)，它定义了在最佳策略π^*下的最佳价值函数V^π*：

在计算出最佳价值函数后，我们可以用下式求出最佳策略π^*：

在这一章中，我们会将此扩展到一个更通用的情况下：

(1). 我们需要将等式改写成同时满足离散和连续两种情况，因此我们将原来式子中求和的部分改写为：

这代表着我们取的是价值函数在下一个状态下的期望值。在离散的情况下，期望值可以改写成状态的求和；在连续的情况下，期望值可以改写成状态的积分。符号s′ ~ P_sa表示下一个状态s′ 以P_sa的概率取样得到。

(2). 我们假设奖励函数同时取决于状态和行动，简而言之就是，R: S × A → R。因此原来式子需要改写为：

(3). 原来的MDP是没有时间边界(time horizon)的，现在我们假设有时间边界T，并定义有限边界的MDP(finite horizon MDP)由如下五元组构成：

在这种设定下，整个过程的奖励定义为：

这个式子替代了之前的定义：

在有限边界的MDP中，折扣因子γ不再出现。回顾下在无限边界的情况下，引入γ是为了让在无限状态的奖励函数是有界的，即：

而在有限边界的情况下，整个奖励函数是有限个奖励函数之和，因此γ没有存在的必要了。

在有限边界的设定下，MDP的有些行为会有不一样的变化。最重要的变化是，最佳策略π^*是非稳定的(non-stationary)，也就是说它是随着时间变化的，用数学的表达就是：

这里的上标t表明当前策略在t时刻。具体来说就是，首先我们处于初始状态s₀，然后根据时刻0的策略采取行动a₀ := π⁽⁰⁾s₀，随后状态按照P_s0a0的概率转移到下一个状态s₁，然后根据时刻1的策略采取行动a₁ := π⁽¹⁾s₁，以此类推。

为什么说最佳策略π^*是非稳定的呢？直觉上来说，我们只能采取有限的行动，我们使用的策略取决于当前的环境以及我们还剩下多少时间。我们可以考虑如下的场景：在地图中分别有两个奖励+1和+10。起初我们的策略是选择接近+10的奖励，但是随着时间的推移，由于我们没有足够的步数到达+10，这时就迫使我们采取到达离我们更近的+1奖励。

(4). 状态转换概率也随着时间而变化，即在时刻t下的状态转换概率为P^(t)_stat。同样，奖励函数R^(t)也随着时间而变化。

将上述几点统一起来，有限边界的MDP由如下五元组构成：

策略π在时刻t的价值函数定义和之前一样，即：

那么现在的问题是，在有限边界的设定下，我们如何求得最优价值函数呢？

最优价值函数

在标准的价值迭代算法中，我们在每次迭代中使用了贝尔曼方程(题外话：贝尔曼是动态规划的创始人，贝尔曼方程在动态规划领域密切相关)。而在有限边界的MDP问题中，我们也采取基于迭代的算法，为了更好的进行说明，我们先看如下两个观察：

(1). 在最后时刻T，最优价值函数显然为：

(2). 在其他时刻 0 ≤ t < T，如果我们知道下一时刻的最优价值函数V^*_t+1，那么我们有：

有了上面两个观察，我们可以得到求解有限边界MDP的最优价值函数的算法：

(1). 根据等式(1)求得V^*_T
(2). 对每一个t = T - 1, ..., 1, 0:
根据等式(2)和V^*_{t + 1}计算出V^*_t

线性二次型调节控制

这一节我们介绍一个特殊的有限边界MDP的模型，它被称为线性二次型调节控制(Linear Quadratic Regulation (LQR))，这个模型广泛应用于机器人学(robotics)中。

首先我们明确下这个模型做了哪些假设。这个模型的状态和行动是连续的，并且：

状态转换函数是线性的，且有噪音，表示如下：

其中A_t ∈ R^n×n，B_t ∈ R^n×d是两个矩阵，w_t ~ N(0, Σ_t)是高斯分布的噪音。在后面的段落中我们会看到只要噪音的高斯分布的均值为0，噪音不会影响到最优价值的计算。

我们继续假设奖励函数是二次函数，表示为：

其中U_t ∈ R^n×n，W_t ∈ R^d×d是两个半正定矩阵，也就是说奖励函数的值永远是负数。

现在我们已经完整定义了LQR模型的所有假设了，下面是求解LQR算法的两个步骤：

第一步：假设我们不知道A, B, Σ这三个矩阵。为了预估这三个参数，我们可以参考在价值迭代那节中用模型学习的方法。首先我们执行任意策略，并收集数据。然后用线性回归的方法求得A和B，即：

最后用高斯判别分析(GDA)模型中提到的方法求出Σ。

第二步：假设A, B, Σ三个参数已知，我们可以通过动态规划求出最优价值函数。换句话说就是，给定：

的情况下，我们想要计算V^*_t，我们用上一小节介绍的动态规划算法求解，具体来说就是：

(1). 初始化

对于最后时刻T，我们有：

(2). 不断循环

令 t < T且假设我们已知V^*_{t + 1}。

事实1：可以证明如果V^*_{t + 1}是关于s_t的二次函数，那么V^*_{t + 1}也是一个二次函数。或者可以表述为存在某个矩阵Φ和某个标量Ψ使得：

当t = T时，我们有Φ_t = -U_T，Ψ_t = 0。

事实2：可以证明最优价值函数是关于状态的线性函数。

如果我们知道了V^*_{t + 1}，就等价于知道了Φ_{t + 1}和Ψ_{t + 1}，所以我们只需要解释如何根据Φ_{t + 1}和Ψ_{t + 1}以及其他参数求出Φ_t和Ψ_t就行了。

上式中第二行用到了最优价值函数的定义，第三行是将假设中的定义进行了代入。注意表达式最后是关于a_t的二次参数，因此可以求出最优行动a^*_t为：

其中：

由此可见，最优策略是与s_t线性相关的。基于a^*_t我们可以求出Φ_t和Ψ_t的值，它们之间的关系也被称为离散Ricatti方程(Discrete Ricatti equations)。

事实3：我们注意到Φ_t的值与Ψ_t和Σ_t都无关。由于L_t是关于A_t，B_t和Φ_{t + 1}的函数，这表明最优策略也与噪音无关。

最后总结一下，LQR问题求解的算法步骤如下：

1. 如果需要的话，先估计参数A_t, B_t, Σ_t
2. 初始化参数Φ_T := -U_T，Ψ_T := 0
3. 对每一个t = T - 1, ..., 1, 0，利用Φ_{t + 1}，Ψ_{t + 1}和离散Ricatti方程求出Φ_t，Ψ_t。如果存在某个策略使得状态趋于0，那么迭代一定是收敛的。

利用事实3，我们可以使这个算法运行地更快一些。由于最优策略不依赖于Ψ_t，并且Φ_t的更新只依赖于Φ_t，因此迭代时只更新Φ_t就足够了。

总结

• 在原有MDP的基础上引入了时间边界的概念，这类问题被称为有限边界的MDP，在这种设定下策略和价值函数都是不稳定的，也就是说它们是随着时间变化的
• 线性二次型调节控制(LQR)是一个特殊的有限边界MDP模型，该模型广泛应用于机器人学中

参考资料

• 斯坦福大学机器学习课CS229讲义 LQR, DDP and LQG
• 网易公开课：机器学习课程 双语字幕视频