强化学习系列（一）：强化学习简介

参考链接：

https://blog.csdn.net/LagrangeSK/article/details/80943045

https://blog.csdn.net/qq_37402392/article/details/121348504?spm=1001.2014.3001.5501

https://blog.csdn.net/qq_37402392/article/details/121490296?spm=1001.2014.3001.5501

术语表

agent——整体

environment——环境

action——动作

state——状态

reward——奖惩

label——标签

policy——策略

value function——价值函数

model——模型

Exploration——探索

Exploitation——利用

1、强化学习是什么？

首先，我们思考一下学习本身，当一个婴儿在玩耍时可能会挥舞双手，左看右看，没有人来指导他的行为，但是他和外界直接通过了感官进行连接。感知给他传递了外界的各种信息，包括知识等。学习的过程贯穿着我们人类的一生，当我们开车或者说话时，都观察了环境，并执行一系列动作来影响环境。强化学习描述的是一个与环境交互的学习过程。

那么强化学习是如何描述这一学习过程的呢？以人开车为例，将人和车作为一个整体（agent)，外界红绿灯、车道线等信息构成了环境（environment)，然后人通过控制车辆向左、向右转弯或者直行的动作（action)，影响了这个环境的状态（state)，比如说前方有车，向右转弯后车道前没有车辆，这就说明车辆的动作影响了环境的状态。

但是，仅仅有了agent、environment、state和action还不够，需要有一个奖惩来指导agent的行动，这就是reward，比如车辆闯红灯会收到罚单。那么说到这里，大家一定很好奇：reward是如何指导强化学习的呢？首先我们要从强化学习的特性说起。

2、强化学习特性

强化学习作为机器学习的一种，免不了要被拿来和监督学习以及无监督学习比较。

首先，监督学习的特点是学习的数据都有标签（labels)，即我们在学习之前就以及告知了模型什么样的state下采用什么样的action是正确的，简单说就是有个专门的老师（或者监督者）告诉算法，什么是对什么是错，通常用于回归，分类问题。无监督学习则恰恰相反，其所用于学习是数据没有标签（label）的，而是通过学习无标签的数据来探索数据的特性，通常用于聚类。

上文说到，强化学习是与环境实时交互并且会通过动作影响环境的，我们所采用的数据是没有一个正确的标签（label）明确告诉我们哪种动作（action）是好哪种是坏。但是我们提到了用一种特殊的奖惩机制来引导动作（action），那就是奖惩（reward）。 奖惩（reward）并不像标签（label）一样，是在学习前就已经存在与数据中，而是在当前时刻 t 的状态 sts_t 下，执行了相应的动作 ata_t， 才会在下一时刻（t+1时刻）获得一个对 t 时刻的奖惩（reward） Rt+1R_{t+1}，存在延迟。奖惩（reward）本来就是一种延迟奖励的机制，另外，有些动作（action）通过对环境状态（state）的影响，可以影响到好多步之后的奖惩（reward）， 因此强化学习的目标为最大化奖惩（reward）之和，而不是单步奖惩（reward）。

说了那么多，现在可以总结一下强化学习的特性啦！强化学习有如下特点：

  • 没有监督者，只有一系列的奖惩（reward）
  • 反馈不是及时的，而是延时的
  • 算法接受的数据是有时间顺序的
  • 整体（agent）的动作可以对环境产生持续影响

对第三点而言，需要额外解释一下，在监督学习中，通常假设数据是通过独立同分布采样的，即假设所有的样本数据都是通过在同一个分布下（如高斯分布）独立采样获得，而这一点对于强化学习来说，明显是不大可能，**因为强化学习是一种与环境交互的学习问题，这意味着状态（state）和动作（action）的时序性是很重要的，他所获得的一系列状态（state）很大程度上是有联系的，并不是独立存在的。**比如用强化学习下棋的例子中，当前落子位置会影响后面的落子。

3、强化学习问题

强化学习定义的是一类问题，即强化学习问题，用于解决该类问题的方法我们称之为强化学习方法。第一节中，我们说到强化学习的几个组成部分：奖惩（reward）、整体（agent）、环境（environment）、状态（state）、动作（action）。第二节中，我们明确了强化学习的目的为选择动作（action）用以最大化所有未来的reward(reward之和），下面我们将分别介绍其他几个部分是如何影响强化学习工作的。

3.1 整体（agent）与环境（environment）

整体（agent）与环境（environment）的交互过程如下图所示，其中大脑表示整体（agent），地球表示环境（environment）。

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每 t 时刻, 整体（agent）完成以下过程:

  • 执行动作（action） AtA_t，影响环境
  • 观测到观测量（observation） OtO_t
  • 收到环境反馈的奖惩（reward） RtR_t

环境（environment）完成以下工作：

  • 接收动作（action）AtA_t
  • 更新观测量（observation） Ot+1O_{t+1}
  • 产生奖惩（reward） RtR_t

需要注意整体（agent）与环境（environment）之间的界限问题，并不是严格的物理界限，比如一个机器人和外界这样的关系，当我们考虑机器人如何决策时（如决定往哪前进），机器人的决策部分作为一个整体（agent），而他的控制系统则可以看做是环境（environment）的一部分。如何界定整体（agent）和环境（environment）：

整体-环境边界代表代理绝对控制的限制，而不是其知识的限制。

The agent-environment boundary represents the limit of the agent’s absolute control, not of its knowledge.

3.2 状态（state）

通过观察上图，发现状态（state）还没出现，接下来我们讨论一下上图中的观测量（observation）是如何转变为我们常用状态（state）的。

首先，假设我们执行上述强化学习过程一段时间并将其存储下来，那么这些信息就构成了历史数据（history），即由一系列的观测量（observation）、reward、action组成。

Ht=O1,R1,A1,…,At−1,Ot,RtH_t = O_1,R_1,A_1,\dots,A_{t-1},O_t,R_t

那么这些历史数据可以用来干啥呢？我们有了历史数据，就可以用于让agent选择action，让environment选择observation和reward。而根据状态（state）的定义，状态（state）是用来决定下一步做什么的信息量，那么既然history 有这样的作用，可以将状态（state）看做是history 的函数：

St=f(Ht)S_t = f(H_t)

状态（state）可以分为环境状态（environment state）、智能体状态（agent state）和信息状态（information state），前两者顾名思义，environment state为环境的内部状态，即environment采用哪些信息来选择下一步的observation和reward（通常对agent不可见，如果可见常常包括冗余信息），agent state 为agent内部状态，即哪些信息用于选择下一步的动作，这是强化学习算法直接采用的信息，可以表示为历史的任意函数 Sta=f(Ht)S_t^a=f(H_t)。

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  • 环境状态 SteS_t^e 是环境的私有表示。
  • 环境用来挑选下一个观察/奖励的任何数据。
  • 环境状态通常对整体不可见。
  • 即使 SteS_t^e 是可见的，它也可能包含不相关的信息。

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  • 智能体状态 StaS_t^a 是智能体的内部表示。
  • 智能体用来挑选下一个观察/奖励的任何数据。
  • 是被强化学习算法使用的信息。
  • 它可以作为历史信息history的函数： Sta=f(Ht)S_t^a = f(H_t)

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而information state包括了历史数据中所有有用的信息，当state满足马尔科夫条件（见下图），则下一时刻的状态完全由当前时刻决定，可以将其他历史信息扔掉啦！

状态 StS_t 当且仅当满足以下条件是马尔科夫性的：

P[St+1∣St]=P[St+1∣S1,…,St]P[S_{t+1} | S_t] = P[S_{t+1}|S_1,\dots ,S_t]

  • 只考虑到现在，未来是独立于过去的。 H1:t−>St−>Ht+i:∞H_{1:t}->S_t->H_{t+i:\infty}
  • 一旦状态是已知的,历史信息就会被扔掉
  • state是一个具有充分未来信息的统计量
  • 环境状态 SteS_t^e 是马尔科夫性的
  • 历史 HtH_t 是马尔科夫性的

定义了这三个状态（state），我们可以将环境分为可完全观测环境（Fully Observation Environment）和部分可观测环境（Partially Observation Environment）。

当环境完全可观测时，有如下特点：

  • Ot=Sta=SteO_t=S_t^a=S_t^e
  • Agent state = environment state = information state
  • 这是一个马尔科夫过程（详情见强化学习系列（三）：马尔科夫过程）

部分可观测环境，即环境的一部分信息对agent不可见，如玩扑克不知道对方的牌。此时：

  • Agent state != environment state
  • 是部分可观测马尔科夫过程（POMDP）
  • agent 需要根据观测量observation构建agent state SatSta

4、agent组成要素

上一节阐述了agent和environment的交互过程，环境主要在于提供reward和observation，那么构建一个agent需要哪些要素呢？

一个强化学习的智能体（agent）主要包括以下一个或多个要素：

  • 策略Policy：agent’s behaviour function
  • 价值函数Value function:how good is each state and/ or action
  • 模型（Model）:agent’s representation of the environment

4.1 策略（policy）

策略，简言之就是agent的行为准则，对应着action和state之间的关系。

  • 通常分为确定性策略（deterministic policy)： a=π(s)a=\pi (s) ,即一个action为state的函数。
  • 随机策略（stochastic policy): π(a∣s)=P[At=a∣St=s]\pi(a|s)=P[A_t=a|S_t=s]，对应action相对state的条件概率。

4.2 价值函数（Value function）

强化学习的目标为最大化reward之和，但不是每一个学习过程都有终止状态，那么reward之和不能简单计算，所以需要用一个价值函数来估计未来的reward。具体表达说到强化学习的具体表示时再讨论。

4.3 模型（Model）

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  • 一个预测环境environment将如何做的模型
  • P预测下一个state
  • R预测下一个（即时）奖惩reward

根据包不包含Policy 和value function可以将强化学习方法进行分类：基于价值、基于概率以及Actor-Critic（actor 会基于概率做出动作, 而 critic 会对做出的动作给出动作的价值, 这样就在原有的 policy gradients 上加速了学习过程。）

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根据是否建立了模型，可以将强化学习方法分类：Model-free 中（agent等待真实世界的反馈, 再根据反馈采取下一步行动）和 model-based（agent能通过想象来预判断接下来将要发生的所有情况。然后选择这些想象情况中最好的那种。）

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5.、探索（Exploration）和利用（Exploitation）

在讨论Exploration and Exploitation之前。思考一件事情，假如你要去吃饭了，是选择你已经知道的餐馆中最符合你胃口的（Exploitation)，这样保证你会满意。还是尝试一个你从未去过的餐馆（Exploration），可能你会有更好的用餐体验？当然也可能会很糟糕。

强化学习作为一种探索试错学习，agent需要发现一个好的策略，为了发现这个好的策略，他需要平衡这两者间的关系：

Exploration：不断探索新的环境信息，换言之，就是要不断扩大state的地图，不断搜索以前没遇到的state，并挑战不同的action

Exploitation: 对已经探索到的环境信息选择可以获得最大reward的action。

需要平衡两者间的关系，强化学习系列（二）中我们针对Multiarmed bandit problem（多臂老虎机问题）探讨一些用于平衡两者关系的方法。

David Silver 课程

Reinforcement Learning: an introduction

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强化学习系列（一）：强化学习简介
https://fulequn.github.io/2021/11/Article202111292/
作者
Fulequn
发布于
2021年11月29日
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