强化学习学习笔记

一、基础概念

强化学习（Reinforcement Learning）：Agent可以在与复杂且不确定的Environment进行交互时，尝试使所获得的Reward最大化的计算算法。

深度强化学习（Deep Reinforcement Learning）：不需要手工设计特征，仅需要输入State让系统直接输出Action的一个end-to-end training的强化学习方法。通常使用神经网络来拟合 value function 或者 policy network。

Action: Environment接收到的Agent当前状态的输出。

State：Agent从Environment中获取到的状态。

Reward：Agent从Environment中获取的反馈信号，这个信号指定了Agent在某一步采取了某个策略以后是否得到奖励。

Exploration：在当前的情况下，继续尝试新的Action，其有可能会使你得到更高的这个奖励，也有可能使你一无所有。

Exploitation：在当前的情况下，继续尝试已知的可以获得最大Reward的过程，即重复执行这个 Action 就可以了。

Full observability、fully observed和partially observed：当Agent的状态跟Environment的状态等价的时候，我们就说现在Environment是full observability（全部可观测），当Agent能够观察到Environment的所有状态时，我们称这个环境是fully observed（完全可观测）。一般我们的Agent不能观察到Environment的所有状态时，我们称这个环境是partially observed（部分可观测）。

POMDP（Partially Observable Markov Decision Processes）：部分可观测马尔可夫决策过程，即马尔可夫决策过程的泛化。POMDP 依然具有马尔可夫性质，但是假设智能体无法感知环境的状态s，只能知道部分观测值 o。

Action space（discrete action spaces and continuous action spaces）：在给定的Environment中，有效动作的集合经常被称为动作空间（Action space），Agent的动作数量是有限的动作空间为离散动作空间（discrete action spaces），反之，称为连续动作空间（continuous action spaces）。

policy-based（基于策略的）：Agent会制定一套动作策略（确定在给定状态下需要采取何种动作），并根据这个策略进行操作。强化学习算法直接对策略进行优化，使制定的策略能够获得最大的奖励。

valued-based（基于价值的）：Agent不需要制定显式的策略，它维护一个价值表格或价值函数，并通过这个价值表格或价值函数来选取价值最大的动作。

model-based（有模型结构）：Agent通过学习状态的转移来采取措施。

model-free（无模型结构）：Agent没有去直接估计状态的转移，也没有得到Environment的具体转移变量。它通过学习 value function 和 policy function 进行决策。

二、相关问题

1、强化学习的基本结构是什么？

答：本质上是Agent和Environment间的交互。具体地，当Agent在Environment中得到当前时刻的State，Agent会基于此状态输出一个Action。然后这个Action会加入到Environment中去并输出下一个State和当前的这个Action得到的Reward。Agent在Environment里面存在的目的就是为了极大它的期望积累的Reward。

2、强化学习相对于监督学习为什么训练会更加困难？（强化学习的特征）

答：强化学习处理的多是序列数据，其很难像监督学习的样本一样满足IID（独立同分布）条件。
强化学习有奖励的延迟（Delay Reward），即在Agent的action作用在Environment中时，Environment对于Agent的State的奖励的延迟（Delayed Reward），使得反馈不及时。
相比于监督学习有正确的label，可以通过其修正自己的预测，强化学习相当于一个“试错”的过程，其完全根据Environment的“反馈”更新对自己最有利的Action。

3、强化学习的基本特征有哪些？

答： 有trial-and-error exploration的过程，即需要通过探索Environment来获取对这个Environment的理解。
强化学习的Agent会从Environment里面获得延迟的Reward。
强化学习的训练过程中时间非常重要，因为数据都是有时间关联的，而不是像监督学习一样是IID分布的。
强化学习中Agent的Action会影响它随后得到的反馈。

4、近几年强化学习发展迅速的原因？

答：算力（GPU、TPU）的提升，我们可以更快地做更多的 trial-and-error 的尝试来使得Agent在Environment里面获得很多信息，取得更大的Reward。
我们有了深度强化学习这样一个端到端的训练方法，可以把特征提取和价值估计或者决策一起优化，这样就可以得到一个更强的决策网络。

5、状态和观测有什么关系？

答：状态（state）是对世界的完整描述，不会隐藏世界的信息。观测（observation）是对状态的部分描述，可能会遗漏一些信息。在深度强化学习中，我们几乎总是用一个实值向量、矩阵或者更高阶的张量来表示状态和观测。

6、对于一个强化学习 Agent，它由什么组成？

答：策略函数（policy function），Agent会用这个函数来选取它下一步的动作，包括随机性策略（stochastic policy）和确定性策略（deterministic policy）。
价值函数（value function），我们用价值函数来对当前状态进行评估，即进入现在的状态，到底可以对你后面的收益带来多大的影响。当这个价值函数大的时候，说明你进入这个状态越有利。
模型（model），其表示了 Agent 对这个Environment的状态进行的理解，它决定了这个系统是如何进行的。

7、根据强化学习 Agent 的不同，我们可以将其分为哪几类？

答：基于价值函数的Agent。 显式学习的就是价值函数，隐式的学习了它的策略。因为这个策略是从我们学到的价值函数里面推算出来的。
基于策略的Agent。它直接去学习 policy，就是说你直接给它一个 state，它就会输出这个动作的概率。然后在这个 policy-based agent 里面并没有去学习它的价值函数。
然后另外还有一种 Agent 是把这两者结合。把 value-based 和 policy-based 结合起来就有了 Actor-Critic agent。这一类 Agent 就把它的策略函数和价值函数都学习了，然后通过两者的交互得到一个更佳的状态。

8、基于策略迭代和基于价值迭代的强化学习方法有什么区别?

答：基于策略迭代的强化学习方法，agent会制定一套动作策略（确定在给定状态下需要采取何种动作），并根据这个策略进行操作。强化学习算法直接对策略进行优化，使制定的策略能够获得最大的奖励；基于价值迭代的强化学习方法，agent不需要制定显式的策略，它维护一个价值表格或价值函数，并通过这个价值表格或价值函数来选取价值最大的动作。
基于价值迭代的方法只能应用在不连续的、离散的环境下（如围棋或某些游戏领域），对于行为集合规模庞大、动作连续的场景（如机器人控制领域），其很难学习到较好的结果（此时基于策略迭代的方法能够根据设定的策略来选择连续的动作)；
基于价值迭代的强化学习算法有 Q-learning、 Sarsa 等，而基于策略迭代的强化学习算法有策略梯度算法等。
此外， Actor-Critic 算法同时使用策略和价值评估来做出决策，其中，智能体会根据策略做出动作，而价值函数会对做出的动作给出价值，这样可以在原有的策略梯度算法的基础上加速学习过程，取得更好的效果。

9、有模型（model-based）学习和免模型（model-free）学习有什么区别？

答：针对是否需要对真实环境建模，强化学习可以分为有模型学习和免模型学习。 有模型学习是指根据环境中的经验，构建一个虚拟世界，同时在真实环境和虚拟世界中学习；免模型学习是指不对环境进行建模，直接与真实环境进行交互来学习到最优策略。总的来说，有模型学习相比于免模型学习仅仅多出一个步骤，即对真实环境进行建模。免模型学习通常属于数据驱动型方法，需要大量的采样来估计状态、动作及奖励函数，从而优化动作策略。免模型学习的泛化性要优于有模型学习，原因是有模型学习算需要对真实环境进行建模，并且虚拟世界与真实环境之间可能还有差异，这限制了有模型学习算法的泛化性。

10、强化学习的通俗理解

答：environment 跟 reward function 不是我们可以控制的，environment 跟 reward function 是在开始学习之前，就已经事先给定的。我们唯一能做的事情是调整 actor 里面的 policy，使得 actor 可以得到最大的 reward。Actor 里面会有一个 policy， 这个 policy 决定了actor 的行为。Policy 就是给一个外界的输入，然后它会输出 actor 现在应该要执行的行为。