强化学习之入门笔记(一)

文章目录

  • 强化学习
    • 一、入门强化学习
      • 基本元素
      • 主要元素
      • 核心元素
    • 二、基础概念
      • 1、马尔科夫链
      • 2、马尔科夫“链”
      • 3、强化学习中的Q值和V值
        • 更复杂的未来
        • Q和V的意义
        • V值的定义
        • Q值的定义
        • V值和Q值关系
        • 从Q到V
        • 从V到Q
      • 4、使用蒙地卡罗方法(Monte-Carlo)估算V值
        • 先看故事
        • 蒙地卡罗算法
          • 原理
          • 再进一步
        • 蒙地卡罗MC的更新公式
          • 平均香蕉
          • 更进一步
        • 蒙地卡罗的缺陷
      • 5、使用时序差分TD估算状态V值
        • 蒙地卡罗的限制
        • 时序差分算法
        • 时序差分(TD)和蒙地卡罗(MC)的比较
        • 时序差分(TD)原理的直观理解
        • 更新公式
  • 参考

强化学习

一、入门强化学习

强化学习:智能体在与环境的互动中为了达成目标而进行的学习过程

举个超级玛丽游戏的例子,我们需要让智能体Agent,通过和环境Environment的互动中,进行学习,从而通关

这里提到了强化学习中非常基础的三个元素Agent,Environment和Goal

基本元素

1、Agent:这里智能体就是玛丽这个人物(或者是我们玩家),可以操作玛丽进行移动或者射击等行为Action

2、Environment:环境就是游戏引擎,这个环境中包括了各种要素,比如敌人,金币,台阶,砖块,花朵蘑菇等等,这个环境会实时改变,而这种改变是学习之前智能体不能完全预见的,这个环境的每一时刻,都可以用一个状态变量State来描述

3、Goal:目标就是玩家的目标,这里可以是用最快的速度通关,也可以是花费最少的生命代价通关,也可以是获得最多的金币通关。需要注意的是,这里的目标是最终的目标,而不是每一个时刻的目标,每一个时刻的目标可以称为Reward或者Return,和Goal完全不同,是两个概念,需要着重区分。当然Goal,即最终目标,也可以换算成每一个时刻的Reward做累积,但无论如何,这里的Goal是一个全过程、全局的量

我们在介绍以上三个基本元素时,又提到了以下三个主要的元素State,Action,Reward

主要元素

1、State: 状态。State是描述环境在某个时刻的变量,不同时刻的环境状态可能不同,请思考:下一个时刻的状态和什么有关?答案是:下一个时刻的状态和上一个时刻的状态有关,同时和上一个时刻的智能体动作Action有关。由于每一个时刻状态都是一个符合某种分布的随机变量,那么t 时刻的状态可以记作 S_t

2、Action:行动Action是描述智能体和环境互动的要素。Action可以是有限种且离散的,比如超级玛丽中玩家的操作方式,上、下、左、右、大跳、小跳、射击一共七种。当然Action也可以是无限种且连续的,比如某些游戏中智能体的步幅、力度等。那么 t 时刻的智能体的行动实际上是一个符合某种分布的随机变量,可以记作 A_t

3、Reward: 奖励奖励是智能体或者玩家当前时刻衡量对未来最终Goal的贡献,通俗来说,有点类似“小目标”。具体举例来说,玛丽拾取金币,Reward=1,玛丽通关,Reward=10000000,当然这种情况大概率发生在以通关为最终目标的学习过程中,需要注意的是,Reward是玩家根据行动后下一个时刻的状态来定义的,因此也可以说Reward是由状态State决定的。再举一个例子,围棋游戏中,某时刻智能体吃掉系统对手的棋子时,Reward可以为0,也可以为负,这是因为就整体战略上来说一时吃对面的子,未必导致最终会占领最大的地盘,存在弃小争大的可能,也就是说,在和环境的互动中,贪心策略往往不是最合理的,而reward往往可能具有延迟的性质。

将以上描述总结成一个过程,就是某时刻t ,Agent观察到Environment的状态 s_t ,从而采取行动Actiona_t ,而Environment针对Agent的行动,会更新状态为 s_{t+1},Agent获得奖励 r_t。这里之所以用小写字母是因为其并非随机变量,而是确定的观测值或者采样值了。这一过程用下图可以说明。

强化学习之入门笔记(一)_第1张图片

我们在描述智能体和环境的互动过程中时,又涉及了两个核心的问题:玩家如何行动?玩家如何评估当前状态的奖励?接下来需要介绍以下两个强化学习中核心的元素。

核心元素

1、**Policy:策略。**Policy可以被认为是一个函数,输入是状态 s 和行动a,输出是该行动在该状态下的实施概率。一般将该策略函数记作π。
π ( s , a ) → [ 0 , 1 ] π ( a ∣ s ) = P ( A = a ∣ S = s ) π(s,a)\rightarrow [0,1]\\ π(a|s)=P(A=a|S=s) π(s,a)[0,1]π(as)=P(A=aS=s)
举例来说,还是拿超级玛丽游戏为例,当前状态是游戏画面,该策略函数可以根据该画面计算不同的玩家行动的实施采样概率,比如左:0.2,上:0.7,右:0.1,即该场景下玩家采取的行动有20%可能是向左,有70%的可能是向上,有10%的可能是向右,如下图所示。

强化学习之入门笔记(一)_第2张图片

从原则上来说,对于固定的状态State,玩家采取的行动Action不应该是确定的,而应该是一个随机变量,玩家学习的应该是这个随机变量的更合理的一个分布。

所以,整个过程应该是,玩家观测到环境的状态 s_1,从而根据策略函数 π 采样一个行动 a_1 ,环境会更新状态为 s_2 ,此时玩家获得奖励 r_1,然后玩家根据观测到的环境状态 s_2,继续根据策略函数π 采样下一个行动 a_2,…依此进行,直到环境告诉玩家终止。如下图所示。

在这里插入图片描述

那么如何判断一个策略的好坏呢,我们就需要引出下一个核心元素,价值。

**2. Value:价值。**Value是衡量当前时刻直到结束时所有累计Reward的总和,由于Reward是依赖于State和Action的,所以Reward也是随机变量,而Value是累计的Reward,所以我们用记号 U 表示。
U t = R t + R t + 1 + R t + 2 + . . . + R n U_t=R_t+R_{t+1}+R_{t+2}+...+R_{n} Ut=Rt+Rt+1+Rt+2+...+Rn
但这没有考虑Reward的时间价值,明显现在的奖励比未来的奖励更重要,因此更合理的定义是:
U t = R t + γ R t + 1 + γ 2 R t + 2 + . . . + γ n − t R n γ :折旧率 U_t=R_t+\gamma R_{t+1}+{\gamma}^2 R_{t+2}+...+{\gamma}^{n-t} R_{n}\\ \gamma:折旧率 Ut=Rt+γRt+1+γ2Rt+2+...+γntRnγ:折旧率
因此价值越大,意味着未来获得的奖励累计总和会越多,玩家会更倾向于这种结果。

因此我们可以提出下一个很关键的函数:Value Function 价值函数。

当前的价值**依赖于当前直到未来结束所有的奖励,这些奖励又分别依赖于当前到未来结束的状态和行动**。

价值由当前直到未来结束所有的环境状态和玩家行动来决定

除了当前的状态和行动,未来的状态和行动也都是随机变量,实际上其分布也由当前的状态和行动决定,因此我们可以简单计算价值的期望!

即 E(U_t) 可以用 S_t 和 A_t来表示!这种关系就是行动价值函数 Action-Value Function!我们用 Q_{π} 表示:
Q π ( s t , a t ) = E ( U t ∣ S t = s t , A t = a t ) Q_{π}(s_t,a_t)=E(U_t|S_t=s_t,A_t=a_t) Qπ(st,at)=E(UtSt=st,At=at)
进一步的,我们固定状态,对所有行动求期望和,会得到状态价值函数 State-Value Function!我们用V_{π} 表示:
V π ( s t ) = E [ Q π ( s t , A ) ] V_{π}(s_t)=E[Q_{π}(s_t,A)] Vπ(st)=E[Qπ(st,A)]
总结来说,给定一个策略函数 π ,行动价值函数 Q_{π}(s,a) 可以衡量智能体在状态 s 下实施行动 a的好坏。而状态价值函数V_{π}(s) 可以衡量智能体在状态 s 的当下形势好坏。因此,衡量一个策略函数的好坏可以用以下指标:
E S [ V π ( S ) ] E_S[V_{π}(S)] ES[Vπ(S)]
提示一下,智能体既可以学习策略函数 π 直接来和环境互动学习,也可以 学习行动价值函数 Q_{π},选择使得价值最大的路径来和环境互动学习,这就是两种不同的强化学习方法了,分别叫做Policy-Based 和Value-Based方法。

上面的是不是没有看懂,没关系,我当时也没有搞懂,请继续往下看

二、基础概念

1、马尔科夫链

我们先来看马尔科夫链。马尔科夫链长这样子:

强化学习之入门笔记(一)_第3张图片

马可洛夫链描述的是智能体和环境进行互动的过程。简单说:智能体在一个状态(用S代表)下,选择了某个动作(用A代表),进入了另外一个状态,并获得奖励(用R代表)的过程

S(state)状态,在图中用白色圈圈表示

状态就是智能体观察到的当前环境的部分或者全部特征

举个例子:无人驾驶汽车来到十字路口。和人类一样,它需要先“观察”这个路口的情况,再决定一下步的"动作"

无人驾驶汽车通过摄像头,可以观察到交通标志、交通信号灯等情况;通过雷达,可以探测到与其他汽车、行人的距离;通过导航系统,了解前方的路段是否通畅等等。这些被观察到的环境特征,就是无人驾驶汽车的状态特征状态空间就是智能体能够观察到的特征数量

需要特别注意的是:环境的特征可能有许多,但只有智能体能够观察到的特征才算是状态,所以我们也用Observation表示状态

强调被观察的原因:

  1. 提醒我们要给智能体最有用的特征。因为在实际工作中,输入特征往往是很“贵”的,无人驾驶汽车的摄像头,雷达通常都是很昂贵的。而无用的特征,例如是否有乘客在唱歌之类的,输入到自动驾驶系统,这无疑加重了学习的负担。所以,我们必须非常慎重地选择状态特征。
  2. 提醒我们要注意观察的角度。假设我们学有所成,希望做一个智能体学习如何打德州扑克。你就会突然发现,这个状态很微妙。因为对于每位玩家,都只看到自己的牌和公关牌,所以观察到的状态都是不一样的。

A(action)动作(用黑色圈圈表示)

动作其实不用解释,就是智能体做出的具体行为。例如扫地机器人会移动,吸尘,甚至喷水。无人驾驶汽车能够移动,加速,刹车,转弯等

动作空间就是该智能体能够做出的动作数量

举个例子:智能体身处十字路口。那么我们的方向就有4个。也就是说,我们能做的动作,就是4个。我们称我们能做的动作的集合,称为动作空间

R(reward)奖励

当我们在某个状态下,完成动作。环境就会给我们反馈,告诉我们这个动作的效果如何。这种效果的数值表达,就是奖励

其实这里的reward翻译为“反馈”可能更合适一点。因为反馈并不是完全正面的,也有负面。

当reward是正数时,表示鼓励当前的行为;如果reward是负数,表示惩罚这种行为;当然,reward也可以是0。

奖励在强化学习中,起到了很关键的作用,我们会以奖励作为引导,让智能体学习做能获得最多奖励的动作

例如:我需要训练机器人打乒乓球。机器人每次赢球,都可以加分;输球,就减分。这分数就表现了机器人的动作好坏。如果机器人希望获得更多的分数,就需要想办法赢球。

又例如:无人驾驶汽车如果成功到达目标地点,那么可以获得奖励;但如果闯红灯,那么就会被扣除大量的奖励作为惩罚。如果无人驾驶汽车希望获得更多的分数,那么就必须在遵守交通规则的情况下,成功到达目标地点。

奖励的设定是主观的,也就是说我们为了智能体更好地学习工作,自己定的

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  1. 智能体在环境中,观察到状态(S);
  2. 状态(S)被输入到智能体,智能体经过计算,选择动作(A);
  3. 动作(A)使智能体进入另外一个状态(S),并返回奖励(R)给智能体;
  4. 智能体根据返回,调整自己的策略;重复以上步骤,一步一步地创造马尔科夫链

强化学习跟教孩子是一个道理: 孩子做了好事,必须给奖励;孩子做错事了,必须惩罚

2、马尔科夫“链”

所以,我们马上遇到第一个坑:马尔科夫链,其实应该叫马尔科夫树

马尔科夫链之所以是我们现在看到的一条链条,是因为我们站在现在,往后看,所以是一条确定的路径;但如果我们往前看,就并不是一条路径,而是充满了各种“不确定性”

这就像我们从家里到公司上班,中间有若干种上班的方式。现在你从家里出门,走过了两个路口,到了公交车站。 这时候往后看,从家到公交车站这一路,只能有一条路径。虽然你可以走其他路到公交车站,但这是你走过的路,已经确定下来了,所以路径只有一条;但如果往前看,从公交车坐车到公司,还有很多种方式到达,向前展开的是各种不确定性

理解这一点很重要,这是理解强化学习理论的基础。为了更好理解,我们举个例子:

假设现在我们来玩这样一个游戏。这个游戏是简化版的大富翁,我们只考虑我们当前所处位置,也就是状态。智能体移动的时候,它可以选择投掷1-3个骰子,根据骰子点数的总和向前移动:

强化学习之入门笔记(一)_第4张图片

现在,智能体从格子A掷骰子,并移动到格子B。其实经历了两次不确定性:

  • 第一次,是“选择”的过程。智能体主动选择骰子的个数。掷骰子的个数不同,到达格子B的概率也不同。所以“选择”会影响到下一个状态。这种不同动作之间的选择,我们称为智能体的策略。策略我们一般用Pi表示。我们的任务就是找到一个策略,能够获得最多的奖励
  • 第二次的不确定性,是环境的随机性,这是智能体无法控制的。在这个例子里就是骰子的随机性。注意,并不是所有环境都有随机性,有些环境是很确定的(例如把以上所有骰子每一面都涂成1点),但马尔科夫链允许我们有不确定性的存在。

从上面的例子我们知道,这种不确定性来自两个方面:智能体的行动选择(策略);环境的不确定性

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就比如在路口,闯红灯和等绿灯是我的选择,但是不同选择后面的环境随机性给出的概率是不一样的。虽然我们不能控制环境的随机性,但我们能够控制我们的选择,让我们避免高风险低回报的情况出现

马尔科夫链是用来描述智能体和环境互动的过程

马尔科夫链包含三要素:state、action、reward

  • state:只有智能体能够观察到的才是state
  • action:智能体的动作
  • reward:引导智能体工作学习的主观的值

强化学习的核心思想:如果你不希望孩子有某种行为,那么当这种行为出现的时候就进行惩罚。如果你希望孩子坚持某种行为,那么就进行奖励

3、强化学习中的Q值和V值

马尔科夫告诉我们:当智能体从一个状态S,选择动作A,会进入另外一个状态S‘;同时,也会给智能体奖励R。奖励既有正,也有负。正代表我们鼓励智能体在这个状态下继续这么做;负代表我们并不希望智能体这么做

但更多的时候,我们并不能单纯通过R来衡量一个动作的好坏。来看下面一个例子:

假设,10天之后进行期末考试,我们今天有两个选择: 1. 放弃吧,我们玩游戏!我们每天可以获得+1心情值; 2. 决心努力一搏,我们开始学习吧!每天我们-2心情值。

从这10天看,我们肯定是选择【1.玩游戏】。因为10天后,我们虽然考试没过,但至少收获10天的快乐。

但事实上,我们再看远一点:

  • 因为挂科,接受老师怒吼攻击!心情值马上减5;
  • 父母因为我考得好成绩,给了更多的零用钱。心情值加200点。

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所以,假设我们能预知未来,我们一定会选择【2.去复习】

因此,我们必须用长远的眼光来看待问题,我们要把未来的奖励也计算到当前的状态下,再进行决策

更复杂的未来

但在实际情况中,比我们刚才想想要复杂得多。

我们之前说过,未来是充满不确定性的,不确定性既包含在我们的策略,也包含在环境之中。

也就是说,即使我现在努力学习,我也不能100%保证我我一定考得好成绩。即使有好成绩,父母也不一定会给我更多零用钱。但即使挂科了,老师也不一定大发雷霆。

嗯,好吧。那看上去还是应该及时行乐,选择打游戏!

嗯,学渣永远是学渣(就比如本人),而你的学霸朋友(如果有的话),会先让你算一下:

我们把当前状况再理一下: 1. 10天后考试,玩游戏1天,心情+1;复习1天,心情-2。10天后,玩游戏心情+10,复习心情-20。 2. 不复习,100%挂科,被老师怒吼:-5点心情 3. 复习,10%挂科,同样被老师怒吼:-5点心情;80%不挂科,努力终于有回报:+10点心情;10%不挂科,且得到父母的零用钱 心情暴击+200点。

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学霸深情地对学渣说:我知道你对概率和期望不太熟悉,那么我们现在就用影分身大法吧

假设,有100个你自己,所有你都在玩游戏,并且所有的你都挂科了。 如果选择不复习。那么100个你一共可以获得多少奖励?

学渣:这我会! - 10天都在玩,那么玩游戏心情就+10,100个我就是1000点心情! - 必定会挂科了-5,100个分身就是-500点。所以最终+500点心情,那么就加500点心情!果然还是打游戏比较划算。

学霸: 你别兴奋呀,那如果复习呢? 学渣: - 10个分身挂科,这些分身复习了,-20心情;复习了还挂科,-5心情;一共-250心情值。 - 80个分身不挂科,这些分身复习了,-20心情;但不挂科,+10,最终还是只有-10点心情,80个我最终-800。 - 还有10个分身不挂科,而且获得父母的零用钱,因为复习-20心情,最终+1800点。

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哇!比去玩的还多!我必须马上学习!

看完上面的故事,学霸可能会觉得麻烦。那不就是概率求期望么,真的要这么麻烦吗?

但在实际运用中,大多时候我们并不知道真实概率是多少。以上的概率都是我们自己估算,没有经过验证的。

在强化学习中,我们为了获得概率,我们将会不断地让我们智能体重复,或者让多个智能体进行试验以获得数据。

Q和V的意义

所以我们在做决策的时候,需要把眼光放远点,把未来的价值换到当前,才能做出选择

为了方便,我们希望我们可以有一种方法衡量我们做出每种选择价值。这样,我们只需要看一下标记,以后的事情我也不用理了,我们选择哪个动作价值更大,就选那个动作就可以了

也就是说,我们让复习和游戏都有一个标记,这个标记描述了这个动作的价值:- 游戏 +500 - 复习 +750

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当然,我们也可以把这个标记标在状态上

评估动作的价值,我们称为Q值:它代表了智能体选择这个动作后,一直到最终状态奖励总和期望

评估状态的价值,我们称为V值:它代表了智能体在这个状态下,一直到最终状态的奖励总和期望

价值越高,表示从当前状态到最终状态能获得的平均奖励将会越高

应为智能体的目标是获取尽可能多的奖励,所以智能体在当前状态,只需要选择价值高的动作就可以了

V值的定义

上面的定义理解起来好难,我们用“影分身”大法,理解起来就容易多了

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假设现在需要求某状态S的V值,那么我们可以这样:

  1. 我们从S点出发,并影分身出若干个自己;
  2. 每个分身按照当前的策略 选择行为;
  3. 每个分身一直走到最终状态,并计算一路上获得的所有奖励总和;
  4. 我们计算每个影分身获得的平均值,这个平均值就是我们要求的V值。

用大白话总结就是:从某个状态,按照策略 ,走到最终状态很多很多次;最终获得奖励总和的平均值,就是V值

【敲黑板】 1. 从V值的计算,我们可以知道,V值代表了这个状态的今后能获得奖励的期望。 2. V值跟我们选择的策略有很大的关系。 我们看这样一个简化的例子,从S出发,只有两种选择,A1,A2;从A1,A2只有一条路径到最终状态,获得总奖励分别为10和20

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现在我们假设策略 采用平均策略[A1:50%,A2:50%],直接求期望,那么我们可以求得V值为15

现在我们改变策略[A1:60%,A2:40%],那么我们可以求得V值为14,变少了

所以大家看到,V值是会根据不同的策略有所变化的

Q值的定义

Q值和V值的概念是一致的,都是衡量在马尔科夫树上某一个节点的价值。只不过V值衡量的是状态节点的价值,而Q值衡量的是动作节点的价值

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和V值一样,我们也可以用影分身来理解Q值。

现在我们需要计算,某个状态S0下的一个动作A的Q值: 1. 我们就可以从A这个节点出发,使用影分身之术; 2. 每个影分身走到最终状态,并记录所获得的奖励; 3. 求取所有影分身获得奖励的平均值,这个平均值就是我们需要求的Q值

用大白话总结就是:从某个状态选取动作A,走到最终状态很多很多次;最终获得奖励总和的平均值,就是Q值

【敲黑板】 与V值不同,Q值和策略并没有直接相关,而与环境的状态转移概率相关,而环境的状态转移概率是不变的

V值和Q值关系

V值和Q值都是马尔科夫树上的节点

V值和Q值的评价方式是一样的: - 从当前节点出发 - 一直走到最终节点 - 所有的奖励的期望值

从Q到V

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从定义出发,我们要求的V值,就是从状态S出发,到最终获取的所获得的奖励总和的期望值。也就是蓝色框部分

S状态下有若干个动作,每个动作的Q值,就是从这个动作之后所获得的奖励总和的期望值。也就是红色框部分

假设我们已经计算出每个动作的Q值,那么在计算V值的时候就不需要一直走到最终状态了,只需要走到动作节点,看一下每个动作节点的Q值,根据策略 ,计算Q的期望就是V值了

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更正式的公式如下:
v π ( s ) = ∑ a ∈ A π ( a ∣ s ) q π ( s , a ) v π ( s ) : V 值 π ( a ∣ s ) :策略 q π ( s , a ) : Q 值 v_{\pi}(s)=\sum_{a \in A}\pi (a|s)q_{\pi}(s,a)\\ v_{\pi}(s):V值\\ \pi (a|s):策略\\ q_{\pi}(s,a):Q值 vπ(s)=aAπ(as)qπ(s,a)vπ(s)Vπ(as):策略qπ(s,a)Q
大白话就是:一个状态的V值,就是这个状态下的所有动作的Q值,在策略 下的期望

从V到Q

道理还是一样,就是用Q就是V的期望!而且这里不需要关注策略,这里是环境的状态转移概率决定的

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对,但还差点东西

当我们选择A,并转移到新的状态时,就能获得奖励,我们必须把这个奖励也算上!

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更正式的公式如下:
q π ( s , a ) = R s a + γ ∑ s ′ P s s ′ a v π ( s ′ ) q π ( s , a ) : Q 值 R s a :奖励 γ :折扣率 P s s ′ a :状态转移率 v π ( s ′ ) : V 值 q_{\pi}(s,a)=R_{s}^{a}+\gamma \sum_{s'}P_{ss'}^{a}v_{\pi}(s')\\ q_{\pi}(s,a):Q值\\ R_{s}^{a}:奖励\\ \gamma:折扣率\\ P_{ss'}^{a}:状态转移率\\ v_{\pi}(s'):V值\\ qπ(s,a)=Rsa+γsPssavπ(s)qπ(s,a)QRsa:奖励γ:折扣率Pssa:状态转移率vπ(s)V

折扣率 在强化学习中,有某些参数是人为主观制定。这些参数并不能推导,但在实际应用中却能解决问题,所以我们称这些参数为超参数,而折扣率就是一个超参数。我们计算Q值,目的就是把未来很多步奖励,折算到当前节点。但未来n步的奖励的10点奖励,与当前的10点奖励是否完全等价呢?未必。所以我们人为地给未来的奖励一定的折扣,例如:0.9,0.8,然后在计算到当前的Q值。

现在我们知道如何从V到Q,从Q到V了。但实际应用中,我们更多会从V到V。

但其实从V到V也是很简单的。把公式代进去就可以了。
v π ( s ) = ∑ a ∈ A π ( a ∣ s ) ( R s a + γ ∑ s ′ ∈ S P s s ′ a v π ( s ′ ) ) v_{\pi}(s)=\sum_{a \in A}\pi(a|s)(R_{s}^a+\gamma\sum_{s' \in S}P_{ss'}^a v_{\pi}(s')) vπ(s)=aAπ(as)(Rsa+γsSPssavπ(s))

  • 比起记住公式,其实我们更应该注意Q值和V值的意义:就是假设从这个节点开始,走许多许多次,最终获取的奖励的期望
  • V就是子节点的Q的期望!但要注意V值和策略相关
  • Q就是子节点的V的期望!但要注意,记得把R计算在内

大家有没有发现,在这一节中,计算某一个节点的Q值和V值,需要许多次试验,取其中的平均值。但实际上,我们不但需要求一个节点的值,而是求所有节点的值。如果我们每一个节点都用同样的方法,消耗必然会很大。所以人们发明了许多方式去计算Q值和V值,基于价值计算的算法就是围绕Q和V展开的

4、使用蒙地卡罗方法(Monte-Carlo)估算V值

蒙地卡罗是著名的赌城,少数机智赌徒为了赢钱,活生生被逼成了数学家,因此在这里出现了很多有关概率的理论

先看故事

话说,齐天大圣孙悟空,护送唐三藏到西方取经。路过一神秘洞穴,突然被怪物的法宝葫芦吸了进去。

葫芦里面原来是另外一个次元的世界,大圣转了两圈,怎么都出不去。气的大圣破口大骂,可是又破坏不了这葫芦。正在踌躇之际,前面来了一个人。

说道:大圣呀,我是来自西域的蒙地卡罗,我被困在这里很久啦。

这个迷宫呀,不但要我们找到出口,而且要我们找出从任何一个位置离出口最近的路呀。

但大圣请放心,只要大圣助我一臂之力,我定可以解决这个问题。

大圣,你如此如此,这般这般便可。

大圣听道,连忙点头称是。

于是大圣从身上拔下一条汗毛,轻轻一吹,变成了小猴。于是大圣开始吩咐小猴:

1、你从这里出去之后,就随便逛,走的时候要记住走的路径 和 每一步获得的奖励。 2、如果你到了最终出口,那就沿原路往回走,在每个经过的路口,留下一张字条: 字条上写上你获得的奖励 加上 你上一个路口的标记的路口的价值。这个价值你可以乘以一个折扣,嗯,就乘以0.9吧。 3、你就这样一直沿路回来可以了。

于是小猴一蹦一跳就出去了,过了一会,回来了。

这时候大圣正在吃香蕉,看到小猴回来,扔了一根香蕉给小猴,说: 你继续出去吧,和上次一样就好啦。

小猴不解道:那如果遇到我上次见到的路口,我是应该怎么做呢?

大圣想了一下说:你不用管,你把这一次的数给记下就可以了。大圣又给了小猴一根香蕉。让小猴继续跑。

小猴就是这样,一直跑一直跑,跑了许多次,蒙地卡罗的赌徒跟大圣说:大圣爷,我看差不多了,你去让小猴子,把所有的数都给平均一下,就是我们要求的V值了。

蒙地卡罗算法

看完上面的故事,应该对蒙地卡罗算法有大概的认识。现在我们来具体看看蒙地卡罗算法。

  1. 我们把智能体放到环境的任意状态;
  2. 从这个状态开始按照策略进行选择动作,并进入新的状态;
  3. 重复步骤2,直到最终状态;
  4. 我们从最终状态开始向前回溯:计算每个状态的G值;
  5. 重复1-4多次,然后平均每个状态的G值,这就是我们需要求的V值。
原理

其实从直觉上,我们很容易理解。

我们分成两部分,首先我们要理解每一次我们算的G值的意义。

强化学习之入门笔记(一)_第17张图片

  • 第一步,我们根据策略往前走,一直走到最后,期间我们什么都不用算,还需要记录每一个状态转移,我们获得多少奖励r即可
  • 第二步,我们从终点往前走,一遍走一遍计算G值。G值等于上一个状态的G值(记作G’),乘以一定的折扣(gamma),再加上r

所以G值的意义在于,在这一次游戏中,某个状态到最终状态的奖励总和(理解时可以忽略折扣值)

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当我们进行多次试验后,我们有可能会经过某个状态多次,通过回溯,也会有多个G值。 重复我们刚才说的,每一个G值,就是每次到最终状态获得的奖励总和。而V值时候某个状态下,我们通过影分身到达最终状态,所有影分身获得的奖励的平均值。

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所以大家看到,其实当我们之前理解清楚V值和Q值的意义,我们理解蒙地卡罗其实很轻松的

再进一步
  1. G的意义:在某个路径上,状态S到最终状态的总收获
  2. V和G的关系:V是G的期望

到这里要注意一点:V和策略是相关的,那么在这里怎么体现呢?

我们仍以上图为例子,以策略A进行游戏。其中有100次经过S点,经过S点后有4条路径到达最终状态,计算G值和每条路径次数分别如下:

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策略A采用平均策略,这时候 V = 5

现在我们采用策略B,由于策略改变,经过某条路径的概率就会产生变化。因此最终试验经过的次数就不一样了

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最终计算的 V = 7.55

蒙地卡罗MC的更新公式

蒙地卡罗的V,其实就是多次G的平均值

样计算其实相当麻烦,因为每一个状态都需要建立一个空间,记录每个轨迹下的G值。

那有没有一种方法,可以用更少的空间计算V值呢?当然有

平均香蕉

有两条长度分别为A,B的香蕉(并假设:A>B)。 如果我要知道他们平均有多长。我只需要把A切成和B长;然后把多出来的那一节,再切一半,接到B就可以了。这时候,我们称那条加长了的B香蕉为平均香蕉。

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如果这时候有第三条C呢?其实原理也一样,比较一下C和平均香蕉,然后把差切出来。但这个时候因为我们有3条香蕉要平均,所以我们要分3份,再接到平均香蕉上。再来一根香蕉也一样。

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V是G的平均值,但我们可以用增量更新的方式: 现在我们只需要记录之前的平均值V,新加进来的G,和次数N。我们把V和G的差,除以N,然后再加到原来的平均值V上,就能计算到新的V值。
V n e w = ( V o l d − G ) ∗ ( 1 / N ) + V o l d V o l d :原来的 V 值,也就是平均香蕉 G :这一次回溯后,计算出来的 G 值,也就是新加进来的香蕉 N : 这个状态被经过多少次了 V n e w :新计算出来的 V 值,也就是平均香蕉 V_{new} = (V_{old} - G) * (1 / N) + V_{old}\\ V_{old}:原来的V值,也就是平均香蕉\\ G:这一次回溯后,计算出来的G值,也就是新加进来的香蕉\\ N: 这个状态被经过多少次了\\ V_{new}:新计算出来的V值,也就是平均香蕉 Vnew=(VoldG)(1/N)+VoldVold:原来的V值,也就是平均香蕉G:这一次回溯后,计算出来的G值,也就是新加进来的香蕉N:这个状态被经过多少次了Vnew:新计算出来的V值,也就是平均香蕉

更进一步

但其实这样计算还是比较麻烦,我们甚至可以不用记录N,把(1/N)设置成为一个固定的数,例如0.1、0.2(还记得超参数吗?)。我们把这个值称为学习率

这就相当于,我们新来的香蕉G和平均香蕉V的差的十分之一,会被加到平均香蕉上!也就是说,每一次G都会引导V增加一些或者减少一些,而这个V值慢慢就会接近真正的V值。

但这数值不就是不对了吗?但为什么可以这样做呢? 这是因为V值是一个"客观存在"的值,我们可以用任何其他方式去求它。而G值是围绕V值的值,G每次出现会都往自己身边拉一下。 就像很多个G在拔河,有的G比V大,有的比G小,有的G力气大,有的G力气小。但没问题,当有足够多的G在的时候,他们一起拉,V就会接近于那个客观存在的V值。

图中:我们假设橙色的V是客观存在的那个V值,G值会一次又一次把现在的V值(黄色)往左右拉,当次数足够多的时候。V值就和真实的V值很接近了。

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所以,我们把这里的G,也称为V的更新目标

而学习率就可以理解为,每次V向目标靠近的幅度;学习率越大,表示向G靠近的幅度越大,反之则越小。但是不是越大越好呢?

因此,我们可以用两种角度理解MC的更新公式:

第一种,我们用“平均香蕉”来理解

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第二种,我们用“G的拔河”来理解

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蒙地卡罗的缺陷

但蒙地卡罗有一个比较大的缺点,就是每一次游戏,都需要先从头走到尾,再进行回溯更新。如果最终状态很难达到,那小猴子可能每一次都要转很久很久才能更新一次G值。

而使用时序差分(TD)算法可以解决蒙地卡罗算法的缺陷

5、使用时序差分TD估算状态V值

蒙地卡罗的限制

虽然蒙地卡罗算法能够在不知道环境信息的时候,以采样的方式估算V值。但这种方法也是有一定的限制:

  1. 蒙地卡罗算法相对动态规划,会有点不那么准。因为蒙地卡罗每一次的路径都是不一样的
  2. 如果环境的状态空间非常大,或者最终状态只有非常小的概率达到。那么蒙地卡罗算法将会很难处理

时序差分算法

原文再续,书接上一回。

话说,孙大圣和来自蒙地卡罗的小蒙,一起解决了第一个问题。而让人想不到的是,还有第二关,而且这关的迷宫更大了。

没办法,大圣只能按照之前的方法去计算V值。

但这迷宫实在太大了,小猴子根本找不到出口。终于,疲惫后的猴子实在太累了。走到一半,就回头更新了。

然而,这怎么瞒得过孙大圣的火眼金睛,大圣正想发怒。小蒙却阻止道:等等,让我想想。

几分钟后,小蒙惊喜道:大圣爷,想不到呀,这小猴乱打乱撞,却让我发现了新的算法。

大圣狐疑道:真的?!

小蒙:真的,我们姑且把这个算法叫做时序差分算法吧。

大圣:那你说来听听,如果没道理,哼,吃老孙一棒。

小蒙:是的是的

于是小蒙便把这个时序差分算法说出来,为了方便,以后我们就叫TD算法: 1. 小猴子每走1步,看一下这个路口的V值,还有获得的奖励r; 2. 回到原来的路口,把刚刚看到的V值和奖励r进行运算,估算出V值

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于是小猴子便用这种方式,很快地计算出各个路口的V值

时序差分(TD)和蒙地卡罗(MC)的比较

TD算法对蒙地卡罗(MC)进行了改进:

  • 和蒙地卡罗(MC)不同:TD算法只需要走N步,就可以开始回溯更新
  • 和蒙地卡罗(MC)一样:小猴需要先走N步,每经过一个状态,把奖励记录下来,然后开始回溯
  • 那么,状态的V值怎么算呢?其实和蒙地卡罗一样,我们就假设N步之后,就到达了最终状态了。
    • 假设“最终状态”上我们之前没有走过,所以这个状态上的纸是空白的,这个时候我们就当这个状态为0;
    • 假设“最终状态”上我们已经走过了,这个状态的V值,就是当前值。然后我们开始回溯。

时序差分(TD)原理的直观理解

我们可以把TD看成是这样一种情况:我们从A状态,经过1步,到B状态。我们什么都不管就当B状态是最终状态了

但B状态本身就带有一定的价值,也就是V值。其意义就是从B状态到最终状态的总价值期望

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我们假设B状态的V值是对的,那么,通过回溯计算,我们就能知道A状态的更新目标了

这就有点像从山顶像知道要下山的路有多长。 MC能直接走一趟,看一下到底有多远。 TD则轻巧一点,先走一段路看一下,看一下有没有路牌指示到山脚还有多远。如果有,那么就把刚刚走的那段路加上路牌指示到山脚的距离相加即可。 但又同学可能会问,在一开始,我们根本没有路牌呀,所以也不知道到底到山脚有多远。 没错,这是对的。但当我们走很多次的时候,路牌系统就能慢慢建立起来。 例如第一次,只有到了山脚,我才知道山脚前一站离山脚的的真实距离。于是我更新了山脚前一站的路牌。第二次,我在山脚前一站路就能看到路牌,所以我就可以更新山脚前一站的路牌了…一直到山顶,就这样一直建立整座山的路牌系统。

更新公式

刚刚我们对TD有个直观的理解:TD并不是走完整段路径,而是半路就截断,用半路的路牌,更新当前的路牌

我们只需把MC的更新目标,改为TD的更新目标即可

在MC中,G是更新目标;而在TD中,我们只不过把更新目标从G,改成了R + gamma * V

王树森有一段解释TD算法的话,大意是“用更可靠的估计取代现有估计”,V(St)是现有估计,r+V(St+1)是更可靠估计,因为其中多了真实值r,所以不断用更可靠估计取代现有估计,就能慢慢接近真实值

参考

1、原创 | 一文读懂强化学习:https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI1MjQ2OTQ3Ng==&mid=2247585916&idx=1&sn=331a4424bd68f51b90590137bd6a8732&chksm=e9e099f7de9710e167ef756aef82511fe009bf03dd7862819f39cfb519ab65dca0e057f1defc&scene=27

2、怎样正确理解马尔科夫链:https://zhuanlan.zhihu.com/p/109217883

3、如何理解强化学习中的Q值和V值:https://zhuanlan.zhihu.com/p/109498587

4、如何用蒙地卡罗方法(Monte-Carlo)估算V值:

https://zhuanlan.zhihu.com/p/109755443

5、蒙地卡罗MC的更新公式怎么来的:https://zhuanlan.zhihu.com/p/110118392

6、如何用时序差分TD估算状态V值:https://zhuanlan.zhihu.com/p/110132710

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