强化学习-蒙特卡罗法

1. 前言

从本章起，我们开始解决更贴近实际的问题。前面提到我们接触过的问题有一个特点，即我们可以知道环境运转的细节，具体说就是知道状态转移概率\(P(s_{t+1}|s_t,a_t)\)。对蛇棋来说，我们可以看到蛇棋的棋盘，也就可以了解到整个游戏的全貌，这时我们相当于站在上帝视角，能够看清一切情况。

在很多实际问题中，我们无法得到游戏的全貌，也就是说，状态转移的信息\(P(s_{t+1}|s_t, a_t)\)无法获得。

一般来说，我们知晓状态转移概率的问题称为“基于模型”的问题(Model-based)，将不知晓的称为“无模型”问题(Model-free)。后面我们要继续升级我们的问题，模拟一个真人去玩游戏，无法知道所有游戏的全貌。

2. Model-free原理

1. 确定一个初始策略（这和前面的算法一致）。
2. 用这个策略进行游戏，得到一些游戏序列（Episode）：\({s_1,a_1,s_2,a_2,...,s_n,a_n}\)
3. 一旦游戏的轮数达到一定数目，就可以认为这些游戏序列代表了当前策略与环境交互的表现，就可以将这些序列聚合起来，得到状态对应的值函数。
4. 得到了值函数，就相当于完成了策略评估的过程，这样就可以继续按照策略迭代的方法进行策略改进的操作，得到更新后的策略。如果策略更新完成，则过程结束；否则回到步骤2。

上面的流程十分清晰地介绍了学习的过程，此时学习的关键就落在了下面两个问题上。

1. 如何得到这些游戏序列？
2. 如何使用序列进行评估？

我们用2个方法介绍Model-free的过程，本篇介绍“蒙特卡罗法（Monte Carlo Method）”和下一篇介绍“时序差分法（Temporal Difference Method）”

3. 蒙特卡罗法原理

3.1 如何使用序列进行评估

本节我们介绍蒙特卡罗法。在前面的章节里，我们曾介绍当环境信息，也就是状态转移概率已知时，可以使用Bellman公式，通过不断迭代得到状态-行动值函数：

\[q_{\pi}(s_t,a_t)=\sum_{s_{t+1}}p(s_{t+1}|s_t,a_t)[r_{a_t}^{s_{t+1}} + \gamma * v_{\pi}(s_{t+1})] \]

然后通过值函数进行策略改进。而在无模型问题中，状态转移概率将无法知晓。于是我们需要把公式转变为

\[q_{\pi}(s_t,a_t)=E_{s_{t+1}-p \pi}[\sum_{k=0}^{\infty}\gamma^kr_{t+k}] \]

看到了等号右边的期望，我们很自然地联想到了蒙特卡罗法，它是一种通过随机采样估计期望值的方法，假设我们通过一些方法，从状态\(s_t\)和行动\(a_t\)开始不断地与环境交互，得到了大量的样本序列

\[\{s_t,a_t,s_{t+1}^i,a_{t+1}^i,...,s_{t+K}^i,a_{t+K}^i\}_{i=1}^N \]

得到对应的回报序列

\[\{r_t,r_{t+1}^i,...,r_{t+K}^i\}_{i=1}^N \]

其中N代表随机采样的轮数，K代表到达结束的步数。

然后我们有一个状态-行动值函数的公式：

\[q(s,a) = \frac{1}{N}\sum_{i=0}^N\sum_{k=0}^K\gamma^kr^i_{t+k} \]

通过大量的随机采样，上面这个公式能够比较号的描述初始的状态-行动值函数。

3.2 状态-行动值函数更新

令状态行动价值为\(q\)，当前的时间为\(t\)，积累的数量为\(N\)，我们要求的值为\(q^N_t\)，当前已知的值为\(q^{N-1}_t\)和\(N\)，每一个时刻的价值为\(q'^i_t\)，于是可以得到:

\[q^N_t = q^{N-1}_t + \frac{1}{N}(q'^N_t - q^{N-1}_t) \]

我们观察下，上面公式很像梯度下降法\(\theta_t=\theta_{t-1}-\alpha\nabla{J}\)，因为我们想要值函数尽量大，所以这里是一个梯度上升的过程。

3.3 蒙特卡罗法步骤

以上就是蒙特卡罗法的全部内容，我们可以将它的算法全过程总结如下。

1. 让Agent和环境交互后得到交互序列。
2. 通过序列计算出每一时刻的价值。
3. 将这些价值累积到值函数中进行更新。
4. 根据更新的值函数更新策略”

4. 探索与利用

4.1 如何得到这些游戏序列

那么，为了达到和基于模型的算法接近的效果，我们首先要做的是确保当前的问题有遍历所有状态-行动对的可能。

在一些状态非常多的环境中，我们很难遍历所有的状态，这里采用一种叫\(\epsilon-greedy\)的算法，首先随机生成一个0～1的数，然后用这个随机数进行判断，如果随机数小于某个值\(\epsilon\)，就采用完全随机的方式产生行动，此时每个行动产生的概率是一样的；如果随机数不小于某个值\(\epsilon\)，就选择当前的最优策略。

\(\epsilon-greedy\)算法实际上是在解决强化学习中的一个经典问题：探索与利用。这是两种与环境交互的策略。

• 探索:是指不拘泥于当前的表现，选择一些不同于当前策略的行动。
• 利用:就是持续使用当前的最优策略，尽可能地获得更多的回报。

5. 总结

蒙特卡罗法是第一个不基于模型的强化问题求解方法。它可以避免动态规划求解过于复杂，同时还可以不事先知道环境转化模型，因此可以用于海量数据和复杂模型。但是它也有自己的缺点，这就是它每次采样都需要一个完整的状态序列。如果我们没有完整的状态序列，或者很难拿到较多的完整的状态序列，这时候蒙特卡罗法就不太好用了，也就是说，我们还需要寻找其他的更灵活的不基于模型的强化问题求解方法。