DQN(Deep Q-learning)入门教程(一)之强化学习介绍
什么是强化学习?
强化学习(Reinforcement learning,简称RL)是和监督学习,非监督学习并列的第三种机器学习方法,如下图示:
首先让我们举一个小时候的例子:
你现在在家,有两个动作选择:打游戏
和读书
。如果选择打游戏的话,你就跑到了网吧
,选择读书的话,就坐在了书桌
面前。你爸妈下班回家,如果发现你在网吧,就会给你一套社会主义的铁拳,如果你在书桌面前的话,就会买根棒棒糖给你吃。
首先,你在家的时候并不知道选择哪一个动作,因此你可能会选择study或者game。但是,当你接受了多次社会主义的毒打和奖励棒棒糖之后,你会发现选择game
会得到惩罚,选择study
你会得到奖励。因此当你再次处于”home“状态时,你就会偏向于选择“study”。(这便是强化学习!!)
强化模型可以建模如下:
以上面的为例子,对如下进行说明:
Agent:Agent也就是执行个体,我们可以操作执行个体做出不同的选择(也就是动作Action)。
图中的“你”
Environment:我们研究的环境,它有一个一个的状态(State)。
图中你所处的位置状态:网吧or书桌
Action:当Agent做出动作(action)的时候,环境会发生改变也就是State会发生改变。
选择Study或者Game后你会处于书桌或者网吧的状态
Reward:当State发生改变时,环境会给予一定的奖励(奖励可为正负)。
拳头or棒棒糖
总的来说,就是Agent在$t$时刻处于$s_t$状态,它会做出某一个动作$a_i$,导致$t+1$的状态为$s_{t+1}$,同时在$t+1$时刻得到的奖励为$R_{t+1}$。
接下来我们再介绍强化学习中稍微复杂一点的概念。这些概念是以后的基础,也比较简单,很容易理解。
策略(Policy)\(\pi\)
当Agent处于某一个state的时候,它做的Action是不确定的,例如你可以选择study也可以选择game,也就是说你在某一个状态是以一定的概率去选择某一个action。也就是说,策略的选择是一个条件概率$\pi(a|s)\(,这里的\)\pi$与数序中的$\pi$没有任何关系,他只是代表一个函数而已(因此也可以写作$f(a|s)$)。
此函数代表:在状态$s$时采取动作$a$的概率分布。
价值(value)
前面我们说到过奖励,当Agent在$t$时刻执行某个动作时,会得到一个$R_{t+1}$。我们可以想一下蝴蝶效应,这个Action会影响$R_{t+1}$,那么他会不会影响$R_{t+2},R_{t+3}……R_{t+n}$呢?很可能会的,比如说在电游中,你所做的某个选择肯定会对接下来的游戏产生影响,这个影响可以深远,也可以没那么深渊(对,我说的就是隐形守护者,mmp),因此状态价值函数可以表示为:
$v_{\pi}(s)\(与策略函数\)\pi$有关,可以理解为当Agent以策略$\pi$运行时,状态$s$的价值是多少。也就是在此状态下,我能够得到多少回报。
在后面我们会详细的对这个函数进行分析。
$ \gamma$ 奖励衰减因子
在上面的价值函数中,有一个变量$\gamma$ ,即奖励衰减因子,在[0,1]之间。如果为0,则是贪婪法,即价值只由当前的奖励决定,如果是1,则所有的后续状态奖励和当前奖励一视同仁。一般来说取0到1之间的数。
环境的状态转化模型
由于在某个状态下,执行一定的action,能够达到新的一个状态$state_{t+1}$,但是$state_{t+1}$不一定是唯一的。环境的状态转化模型,可以理解为一个概率状态机,它是一个概率模型,即在状态$t$下采取动作$a$,转到下一个状态$s'$的概率,表示为$P_{ss'}^a$。
探索率$\epsilon$
怎么说的探索率呢?它主要是为了防止陷入局部最优。比如说目前在$s_1$状态下有两个$a_1,a_2$。我们通过计算出,发现执行$a_1$的动作比较好,但是为了防止陷入局部最优,我们会选择以 \(\epsilon\) 的概率来执行$a_2$,以$1 - \epsilon$ 的概率来执行$a_1$。一般来说,\(\epsilon\) 随着训练次数的增加而逐渐减小。
马尔科夫决策过程(MDP)
前面我们说过某个状态执行action可以转换成另外一个state,可以用概率表示为:\(P_{ss'}^a\)。那么这个概率与什么有关呢?认真的考虑下,毋庸置疑,与目前的状态$s_t和a$有关,但是同样,它可能也与上一个状态$s_$,上上个状态$s_$……有关,但是如果真的这样考虑,就复杂了。
因此我们将问题进行一定的简化,简化的方法就是假设状态转化的马尔科夫性,也就是假设转化到下一个状态$s'$的概率仅与当前状态$s$有关,与之前的状态无关(也就是说未来与当前有关,与过去无关)。用公式表示就是:
同时对于针对于策略 \(\pi\) 我们也做MDP假设,也就是说,当前Agent所作的策略仅仅与当前状态有关,与以前的状态都没有关系,因此:
同样针对于价值函数$v$,有:
价值函数与Bellman方程
之所以我们来分析这个价值函数,是因为它是强化学习的核心,为什么Agent能够自动学习,自动选择某一个Action,其中一个量化标准就是它:
令:
$G_t$代表Return,代表Agent从某一个状态$S_t$开始直到终止状态时所有奖励的有衰减的之和。
则有:
So:
因此:
上述方程便是Bellman方程的基本形态。因此我们可以知道,当前状态的价值与奖励$\R_{t+1}$和下一个状态的价值有关。
动作价值函数
这里再说一下动作价值函数,它代表着在当前state下,做某一个action的价值:
同样,我们利用Bellman方程,可以将上式转化成:
动作价值函数与状态价值函数之间可以相互进行转化:
图示说明如下:图来自(强化学习(二)马尔科夫决策过程(MDP))
综上可得:
总结
OK,强化学习的入门介绍就到这里,通过这篇博客,我们知道了:
策略 \(\pi\) :表示在某一个状态下,action的概率分布函数$\pi(a|s) = P(A_t=a | S_t=s)$
\(\gamma\) :奖励衰减因子,表示后续奖励的占比
探索率$\epsilon$:表示Agent以 \(\epsilon\) 的概率来随机选择action
状态转化模型:表示执行某个action后,状态变化的概率函数$P_{ss'}^a = \mathbb(S_{t+1}=s'|S_t=s, A_t=a)$
状态价值函数:表示 \(t\) 时刻的状态 \(s_{t}\) 能获得的未来回报(return)的期望$v_\pi(s)=\mathbb\left[R_{t+1}+\gamma \left(S_{t+1}\right) | S_=s\right]$
动作价值函数:表示 \(t\) 时刻的状态 \(s\),选择一个 action 后能获得的未来回报(return)的期望
\(q_{\pi}(s,a) = \mathbb{E}_{\pi}(R_{t+1} + \gamma q_{\pi}(S_{t+1},A_{t+1}) | S_t=s, A_t=a)\)