机器学习 - 强化学习详解

强化学习：算法的思维与具体过程

强化学习（Reinforcement Learning, RL）是一种机器学习方法，通过与环境的交互来学习策略，以最大化累积奖励。本文将通过详细阐述强化学习的核心概念，并以 Q-learning 和 Proximal Policy Optimization (PPO) 两种典型算法为例，深入探讨它们的算法思维和具体操作步骤。

1. 强化学习的基本概念

在强化学习中，智能体（Agent）通过与环境（Environment）互动来学习如何在不同的状态（State, S）下选择合适的动作（Action, A）以获得最大的累积奖励（Reward, R）。这个学习过程通常被建模为一个马尔可夫决策过程（Markov Decision Process, MDP），MDP 由以下要素组成：

• **状态空间 (S)**：所有可能的状态集合。
• **动作空间 (A)**：所有可能的动作集合。
• 状态转移概率(P) ：从一个状态转移到另一个状态的概率。
• **奖励函数 (R)**：每个状态和动作对的即时奖励。
• **折扣因子 (γ)**：未来奖励的折扣系数，取值范围为 [0, 1]。

此外，强化学习的核心在于学习一个策略（Policy, π），即在给定状态下选择动作的规则或概率分布。智能体的目标是通过不断调整策略，使其能够在不同状态下选择最优动作，以最大化累积奖励。强化学习主要分为基于值的算法和基于策略的算法，分别以 Q-learning 和 PPO 为代表。

2. Q-learning 算法详解

2.1 Q-learning 的思维框架

Q-learning 是一种基于值的强化学习算法，其核心思维是通过不断尝试不同的动作，逐渐学习到哪些动作在不同状态下能够带来最大的累积奖励。Q-learning 通过构建一个 Q 表（Q-table）来记录每个状态-动作对的预期累积奖励，并通过与环境的持续交互不断更新这个表，最终找到最优策略。

2.2 Q-learning 的算法步骤

步骤 1：初始化 Q 表

• 目的：为每个状态-动作对分配一个初始值，用于存储这些对的价值。
• 操作：通常将所有 Q 值初始化为零或随机值。对于一个简单的网格世界，每个位置（状态）都可能有四个方向的动作，每个动作的初始值都是零。

步骤 2：选择动作

• 思维：在探索新动作与利用已有知识之间找到平衡。智能体既要尝试新动作（探索），也要利用已知的最优动作（利用）。
• 操作：使用 ε-贪婪策略选择动作。以 ε 的概率随机选择动作（探索），以 1 − ε 1-ε 1−ε 的概率选择当前 Q 值最大的动作（利用）。

步骤 3：执行动作并观察结果

• 思维：通过与环境互动，智能体可以获得关于每个动作是否有利的信息，从而调整 Q 表中的值。
• 操作：执行选择的动作，观察即时奖励 r t r_t rt​ 和新状态 s t + 1 s_{t+1} st+1​。

步骤 4：更新 Q 值

• 思维：使用新体验到的奖励来修正当前 Q 值，使其逐渐接近实际的最佳值。
• 操作：更新公式如下： Q ( s t , a t ) ← Q ( s t , a t ) + α [ r t + γ max ⁡ a ′ Q ( s t + 1 , a ′ ) − Q ( s t , a t ) ] Q(s_t, a_t) \leftarrow Q(s_t, a_t) + \alpha \left[ r_t + \gamma \max_{a'} Q(s_{t+1}, a') - Q(s_t, a_t) \right] Q(st​,at​)←Q(st​,at​)+α[rt​+γa′max​Q(st+1​,a′)−Q(st​,at​)]- 解释： - r t + γ max ⁡ a ′ Q ( s t + 1 , a ′ ) r_t + \gamma \max_{a'} Q(s_{t+1}, a') rt​+γmaxa′​Q(st+1​,a′) 代表实际体验到的值。- 通过当前估计值 Q ( s t , a t ) Q(s_t, a_t) Q(st​,at​) 与实际值之间的差距，更新 Q 表。

步骤 5：重复迭代

• 思维：强化学习是一个试错的过程，通过不断与环境交互，智能体逐渐修正策略，找到最优解。
• 操作：重复上述步骤，直到 Q 表收敛，即 Q 值不再显著变化或达到预设的训练次数。

步骤 6：形成最优策略

• 思维：一旦 Q 表稳定，智能体可以通过查询 Q 表，在每个状态下选择 Q 值最大的动作，从而找到最优策略。

3. Proximal Policy Optimization (PPO) 算法详解

3.1 PPO 的思维框架

PPO 是一种基于策略优化的算法，特别适用于复杂环境中的强化学习任务。与 Q-learning 的基于值的思维不同，PPO 通过直接优化策略，使得每次策略更新更加平稳和高效。其核心思维是通过限制策略更新的步长，防止策略发生剧烈变化，确保训练过程的稳定性。

3.2 PPO 的算法步骤

步骤 1：初始化策略网络和值函数网络

• 目的：准备好一个初始的策略网络，用于生成动作的概率分布，以及一个值函数网络，用于估计每个状态的价值。
• 操作：策略网络用于决定在每个状态下采取各个动作的概率，值函数网络用于估计每个状态的价值。

步骤 2：采样数据（与环境交互）

• 思维：通过与环境的交互，收集数据以了解当前策略的表现，从而为后续的策略优化提供依据。
• 操作：使用当前策略与环境进行交互，生成状态、动作、奖励和新状态的样本。这些数据将用于计算优势函数和更新策略。

步骤 3：计算优势函数

• 思维：优势函数用于评估在特定状态下，实际采取的动作与当前策略期望的动作相比是否更优，从而指导策略的优化。
• 操作：基于采样数据，通过实际的奖励序列和当前值函数之间的差异计算优势函数 A t A_t At​，该函数反映了动作 a t a_t at​ 在状态 s t s_t st​ 下的相对好坏。

步骤 4：更新策略

• 思维：通过优化策略网络，使智能体逐渐学会最优策略。PPO 的创新在于引入剪切机制，防止策略更新过快，导致训练不稳定。
• 操作：更新策略的目标函数为： L C L I P ( θ ) = E t [ min ⁡ ( r t ( θ ) A t , clip ( r t ( θ ) , 1 − ϵ , 1 + ϵ ) A t ) ] L^{CLIP}(\theta) = \mathbb{E}{t} \left[ \min \left( r_t(\theta) A_t, \text{clip}(r_t(\theta), 1 - \epsilon, 1 + \epsilon) A_t \right) \right] LCLIP(θ)=Et​[min(rt​(θ)At​,clip(rt​(θ),1−ϵ,1+ϵ)At​)]- 解释： - r t ( θ ) = π θ ( a t ∣ s t ) π θ o l d ( a t ∣ s t ) r_t(\theta) = \frac{\pi{\theta}(a_t | s_t)}{\pi_{\theta_{old}}(a_t | s_t)} rt​(θ)=πθold​​(at​∣st​)πθ​(at​∣st​)​ 是新旧策略的概率比，衡量新策略与旧策略的变化幅度。- clip ( r t ( θ ) , 1 − ϵ , 1 + ϵ ) \text{clip}(r_t(\theta), 1 - \epsilon, 1 + \epsilon) clip(rt​(θ),1−ϵ,1+ϵ) 限制了更新步长，确保策略变化在合理范围内。

步骤 5：更新值函数

• 思维：通过更新值函数，使其能够更准确地估计状态的价值，从而为策略优化提供更可靠的参考。
• 操作：使用真实的奖励序列和值函数之间的误差来更新值函数网络的参数。

步骤 6：迭代训练

• 思维：强化学习是一个反复迭代的过程，通过多次与环境交互和策略优化，策略网络逐步接近最优策略。
• 操作：重复采样、计算优势、更新策略和值函数的步骤，直到策略和值函数都达到稳定状态。

4. 总结

通过对 Q-learning 和 PPO 算法的深入剖析，可以看到强化学习的核心在于通过与环境的持续交互，智能体能够不断调整其策略或值函数，以实现最优决策。Q-learning 通过更新 Q 表来找到最优策略，而 PPO 则通过策略优化直接改进策略网络，使智能体能够在复杂环境中稳定学习。无论哪种算法，其最终目的都是帮助智能体在各种状态下做出最优决策，从而实现预期的目标。