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qiwang067
2020-10-30 11:08:46 +08:00
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@@ -12,7 +12,7 @@
当然在输出每一个动作之前,你可以选择不同的动作。比如说在 $t$ 时刻,我选择跑路的时候,熊已经追上来了,如果说 $t$ 时刻,我没有选择装死,而我是选择跑路的话,这个时候熊已经追上了,那这个时候,其实我有两种情况转移到不同的状态去,就我有一定的概率可以逃跑成功,也有很大的概率我会逃跑失败。那我们就用状态转移概率 $p\left[s_{t+1}, r_{t} \mid s_{t}, a_{t}\right]$ 来表述说在 $s_t$ 的状态选择了 $a_t$ 的动作的时候,转移到 $s_{t+1}$ ,而且拿到 $r_t$ 的概率是多少。
这样子的一个状态转移概率是具有`马尔可夫性质`的(系统下一时刻的状态仅由当前时刻的状态决定,不依赖于以往任何状态)。因为这个状态转移概率,它是下一时刻的状态是取决于当前的状态,它和之前的 $s_{t-1}$ 和 $s_{t-2}$ 都没有什么关系。然后再加上这个过程也取决于智能体跟环境交互的这个$a_t$ ,所以有一个决策的一个过程在里面。我们就称这样的一个过程为`马尔可夫决策过程(Markov Decision Process, MDP)`
这样子的一个状态转移概率是具有`马尔可夫性质`的(系统下一时刻的状态仅由当前时刻的状态决定,不依赖于以往任何状态)。因为这个状态转移概率,它是下一时刻的状态是取决于当前的状态,它和之前的 $s_{t-1}$ 和 $s_{t-2}$ 都没有什么关系。然后再加上这个过程也取决于智能体跟环境交互的这个 $a_t$ ,所以有一个决策的一个过程在里面。我们就称这样的一个过程为`马尔可夫决策过程(Markov Decision Process, MDP)`
MDP 就是序列决策这样一个经典的表达方式。MDP 也是强化学习里面一个非常基本的学习框架。状态、动作、状态转移概率和奖励 $(S,A,P,R)$,这四个合集就构成了强化学习 MDP 的四元组,后面也可能会再加个衰减因子构成五元组。
@@ -55,13 +55,14 @@ A: 举个例子,假设一辆车在路上,当前是红灯,我们直接走
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但有的时候把目光放得太长远不好,因为如果事情很快就结束的话,你考虑到最后一步的收益无可厚非。如果是一个持续的没有尽头的任务,即`持续式任务(Continuing Task)`,你把未来的收益全部相加,作为当前的状态价值就很不合理。
但有的时候你把目光放得太长远不好,因为如果事情很快就结束的话,你考虑到最后一步的收益无可厚非。如果是一个持续的没有尽头的任务,即`持续式任务(Continuing Task)`,你把未来的收益全部相加,作为当前的状态价值就很不合理。股票的例子就很典型了,我们要关注的是累积的收益。可是如果说十年之后才有一次大涨大跌,你显然不会把十年后的收益也作为当前动作的考虑因素。那我们会怎么办呢,有句俗话说得好,对远一点的东西,我们就当做近视,就不需要看得太清楚,我们可以引入这个衰减因子 $\gamma$ 来去计算这个未来总收益,$\gamma \in [0,1]$,越往后 $\gamma^n$ 就会越小,也就是说越后面的收益对当前价值的影响就会越小。
股票的例子就很典型了,我们要关注的是累积的收益。可是如果说十年之后才有一次大涨大跌,你显然不会把十年后的收益也作为当前动作的考虑因素。那我们会怎么办呢,有句俗话说得好,对远一点的东西,我们就当做近视,就不需要看得太清楚,我们可以引入这个衰减因子 $\gamma$ 来去计算这个未来总收益,$\gamma \in [0,1]$,越往后 $\gamma^n$ 就会越小,也就是说越后面的收益对当前价值的影响就会越小。
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举个例子来看看计算出来的是什么效果。这是一个悬崖问题,这个问题是需要智能体从出发点 S 出发,到达目的地 G同时避免掉进悬崖(cliff),掉进悬崖的话就会有负一百分的惩罚,但游戏不会结束,它会被直接拖回起点,游戏继续。为了到达目的地的话,我们可以沿着蓝线和红线走。
举个例子来看看计算出来的是什么效果。这是一个悬崖问题,这个问题是需要智能体从出发点 S 出发,到达目的地 G同时避免掉进悬崖(cliff),掉进悬崖的话就会有 -100 分的惩罚,但游戏不会结束,它会被直接拖回起点,游戏继续。为了到达目的地,我们可以沿着蓝线和红线走。
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@@ -105,22 +106,28 @@ $$
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巴普洛夫效应揭示的是中性刺激(铃声)跟无条件刺激(食物)紧紧挨着反复出现的时候,条件刺激也可以引起无条件刺激引起的唾液分泌,然后形成这个条件刺激。**这种中性刺激跟无条件刺激在时间上面的结合,我们就称之为强化。** 强化的次数越多,条件反射就会越巩固。小狗本来不觉得铃声有价值的,经过强化之后,小狗就会慢慢地意识到铃声也是有价值的,它可能带来食物。更重要是一种条件反射巩固之后,我们再用另外一种新的刺激和条件反射去结合,还可以形成第二级条件反射,同样地还可以形成第三级条件反射。
巴普洛夫效应揭示的是中性刺激(铃声)跟无条件刺激(食物)紧紧挨着反复出现的时候,条件刺激也可以引起无条件刺激引起的唾液分泌,然后形成这个条件刺激。
在人的身上是可以建立多级的条件反射的,举个例子,比如说一般我们遇到熊都是这样一个顺序,看到树上有熊爪,然后看到熊之后,突然熊发怒,扑过来了。经历这个过程之后,我们可能最开始看到熊才会瑟瑟发抖,后面就是看到树上有熊爪就已经有害怕的感觉了。也就说在不断的重复试验之后,下一个状态的价值,它是可以不断地去强化影响上一个状态的价值的
**这种中性刺激跟无条件刺激在时间上面的结合,我们就称之为强化。** 强化的次数越多,条件反射就会越巩固。小狗本来不觉得铃声有价值的,经过强化之后,小狗就会慢慢地意识到铃声也是有价值的,它可能带来食物。更重要是一种条件反射巩固之后,我们再用另外一种新的刺激和条件反射去结合,还可以形成第二级条件反射,同样地还可以形成第三级条件反射
在人的身上是可以建立多级的条件反射的,举个例子,比如说一般我们遇到熊都是这样一个顺序:看到树上有熊爪,然后看到熊之后,突然熊发怒,扑过来了。经历这个过程之后,我们可能最开始看到熊才会瑟瑟发抖,后面就是看到树上有熊爪就已经有害怕的感觉了。也就说在不断的重复试验之后,下一个状态的价值,它是可以不断地去强化影响上一个状态的价值的。
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**为了让大家更加直观感受下一个状态影响上一个状态**,我们再次推荐这个网站:[Temporal Difference Learning Gridworld Demo](https://cs.stanford.edu/people/karpathy/reinforcejs/gridworld_td.html)。
**为了让大家更加直观感受下一个状态影响上一个状态**,我们推荐这个网站:[Temporal Difference Learning Gridworld Demo](https://cs.stanford.edu/people/karpathy/reinforcejs/gridworld_td.html)。
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我们先初始化一下,然后开始时序差分的更新过程。在训练的过程中,你会看到这个小黄球在不断地试错,在探索当中会先迅速地发现有 reward 的地方。最开始的时候,只是这些有 reward 的格子 才有价值。当不断地重复走这些路线的时候,这些有价值的格子可以去慢慢地影响它附近的格子的价值。反复训练之后,有 reward 的这些格子周围的格子的状态就会慢慢地被强化,强化就是当它收敛到最后一个最优的状态了,就是把这些价值最终收敛到一个最优的情况之后,那个小黄球就会自动地知道,就是我一直往价值高的地方走,就能够走到能够拿到 reward 的地方。
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* 我们先初始化一下,然后开始时序差分的更新过程。
* 在训练的过程中,你会看到这个小黄球在不断地试错,在探索当中会先迅速地发现有 reward 的地方。最开始的时候,只是这些有 reward 的格子 才有价值。当不断地重复走这些路线的时候,这些有价值的格子可以去慢慢地影响它附近的格子的价值。
* 反复训练之后,这些有 reward 的格子周围的格子的状态就会慢慢地被强化。强化就是当它收敛到最后一个最优的状态了,就是把这些价值最终收敛到一个最优的情况之后,那个小黄球就会自动地知道,就是我一直往价值高的地方走,就能够走到能够拿到 reward 的地方。
![](img/3.14.png)
如上图所示,这种强化方式可以用一行公式来表示,这种更新的方式叫做`时序差分(Temporal Difference)`。这个公式就是说可以拿下一步的 Q 值 $Q(S_{t+_1},A_{t+1})$ 来更新我这一步的 Q 值 $Q(S_t,A_t)$ 。
为了理解这个公式,如上图所示,我们先把 $R_{t+1}+\gamma Q\left(S_{t+1}, A_{t+1}\right.)$ 当作是一个目标值,就是 $Q(S_t,A_t)$ 想要去逼近的一个目标值。我们想要计算的就是 $Q(S_t,A_t)$ 。**因为最开始 Q 值都是随机初始化或者是初始化为零,它需要不断地去逼近它理想中真实的 Q 值,我们就叫 target 。Target 是带衰减的未来收益的总和。**
为了理解这个公式,如上图所示,我们先把 $R_{t+1}+\gamma Q\left(S_{t+1}, A_{t+1}\right.)$ 当作是一个目标值,就是 $Q(S_t,A_t)$ 想要去逼近的一个目标值。$R_{t+1}+\gamma Q\left(S_{t+1}, A_{t+1}\right.)$ 被称为 `TD target`TD target 是带衰减的未来收益的总和。
我们想要计算的就是 $Q(S_t,A_t)$ 。因为最开始 Q 值都是随机初始化或者是初始化为零,它需要不断地去逼近它理想中真实的 Q 值(TD target)$\delta = R_{t+1}+\gamma Q\left(S_{t+1}, A_{t+1}\right)-Q\left(S_{t}, A_{t}\right)$ 被称为 `TD error`
我们用 $G_t$ 来表示未来收益总和(return),并且对它做一下数学变化:
$$
@@ -134,7 +141,7 @@ $$
也就是说,我们拿 $Q(S_t,A_t)$ 来逼近 $G_t$,那 $Q(S_{t+1},A_{t+1})$ 其实就是近似 $G_{t+1}$。我就可以用 $Q(S_{t+1},A_{t+1})$ 近似 $G_{t+1}$,然后把 $R_{t+1}+Q(S_{t+1},A_{t+1})$ 当成目标值。
$Q(S_t,A_t)$ 就是要逼近这个目标值,我们用软更新的方式来逼近。软更新的方式就是每次我只更新一点点,$\alpha$ 有点类似于学习率。最终的话Q 值都是可以慢慢地逼近到真实的 target 值。这样我们的更新公式只需要用到当前时刻的 $S_{t},A_t$,还有拿到的 $R_{t+1}, S_{t+1}A_{t+1}$ 。
$Q(S_t,A_t)$ 就是要逼近这个目标值,我们用软更新的方式来逼近。软更新的方式就是每次我只更新一点点,$\alpha$ 类似于学习率。最终的话Q 值都是可以慢慢地逼近到真实的 target 值。这样我们的更新公式只需要用到当前时刻的 $S_{t},A_t$,还有拿到的 $R_{t+1}, S_{t+1}A_{t+1}$ 。
**该算法由于每次更新值函数需要知道当前的状态(state)、当前的动作(action)、奖励(reward)、下一步的状态(state)、下一步的动作(action),即 $(S_{t}, A_{t}, R_{t+1}, S_{t+1}, A_{t+1})$ 这几个值 ,由此得名 `Sarsa` 算法**。它走了一步之后,拿到了 $(S_{t}, A_{t}, R_{t+1}, S_{t+1}, A_{t+1})$ 之后,就可以做一次更新。
@@ -160,7 +167,7 @@ Sarsa 是一种 on-policy 策略。Sarsa 优化的是它实际执行的策略,
而 off-policy 在学习的过程中,有两种不同的策略:
* 第一个策略是我们需要去学习的策略,即`target policy(目标策略)`,一般用 $\pi$ 来表示Target policy 就像是在后方指挥战术的一个军师,它可以根据自己的经验来学习最优的策略,不需要去和环境交互。
* 另外一个策略是探索环境的策略,即`behavior policy(行为策略)`,一般用 $\mu$ 来表示。$\mu$ 可以大胆地去探索到所有可能的轨迹,采集轨迹,采集数据,然后把采集到的数据喂给 target policy 去学习。而且喂给目标策略的数据中并不需要 $A_{t+1}$ ,而 Sarsa 是要有 $A_{t+1}$ 的。Behavior policy 像是一个战士可以在环境里面探索所有的动作、轨迹和经验然后把这些经验交给目标策略去学习。比如目标策略优化的时候Q-learning 不管你下一步去往哪里探索,会不会掉进悬崖,我就只选收益最大一个最优的策略。
* 另外一个策略是探索环境的策略,即`behavior policy(行为策略)`,一般用 $\mu$ 来表示。$\mu$ 可以大胆地去探索到所有可能的轨迹,采集轨迹,采集数据,然后把采集到的数据喂给 target policy 去学习。而且喂给目标策略的数据中并不需要 $A_{t+1}$ ,而 Sarsa 是要有 $A_{t+1}$ 的。Behavior policy 像是一个战士可以在环境里面探索所有的动作、轨迹和经验然后把这些经验交给目标策略去学习。比如目标策略优化的时候Q-learning 不管你下一步去往哪里探索,就只选收益最大的策略。
![](img/off_policy_learning.png)
@@ -228,8 +235,8 @@ Sarsa 是用自己的策略产生了 S,A,R,S',A' 这一条轨迹。然后拿着
* Sarsa 是一个典型的 on-policy 策略,它只用了一个 policy $\pi$ 。如果 policy 采用 $\varepsilon$-greedy 算法的话,它需要兼顾探索,为了兼顾探索和利用,它训练的时候会显得有点胆小怕事。它在解决悬崖问题的时候,会尽可能地离悬崖边上远远的,确保说哪怕自己不小心探索了一点,也还是在安全区域内。此外,因为采用的是 $\varepsilon$-greedy 算法,策略会不断改变($\varepsilon$ 会不断变小),所以策略不稳定。
* Q-learning 是一个典型的 off-policy 的策略它有两种策略target policy 和 behavior policy。它分离了目标策略跟行为策略。Q-learning 就可以大胆地用 behavior policy 去探索得到的经验轨迹来去优化目标策略从而更有可能去探索到最优的策略。Behavior policy 可以采用 $\varepsilon$-greedy 算法,但 target policy 采用的是 greedy 算法,直接根据 behavior policy 采集到的数据来采用最优策略,所以 Q-learning 不需要兼顾探索。
* 比较 Q-learning 和 Sarsa 的更新公式可以发现Sarsa 并没有选取最大值的 max 操作
* 因此,Q-learning 是一个非常激进的算法,希望每一步都获得最大的利益;
* 比较 Q-learning 和 Sarsa 的更新公式可以发现Sarsa 并没有选取最大值的 max 操作,因此,
* Q-learning 是一个非常激进的算法,希望每一步都获得最大的利益;
* 而 Sarsa 则相对非常保守,会选择一条相对安全的迭代路线。
## Summary
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