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# Sparse Reward
实际上用 reinforcement learning learn agent 的时候，多数的时候 agent 都是没有办法得到 reward 的。那在没有办法得到 reward 的情况下，对 agent 来说它的训练是非常困难的。举例来说，假设你今天要训练一个机器手臂，然后桌上有一个螺丝钉跟螺丝起子，那你要训练它用螺丝起子把螺丝钉栓进去，那这个很难，为什么？因为你知道一开始你的 agent 是什么都不知道的，它唯一能够做不同的 action 的原因是 exploration。举例来说，你在做 Q-learning 的时候，会有一些随机性，让它去采取一些过去没有采取过的 action，那你要随机到说它把螺丝起子捡起来，再把螺丝栓进去，然后就会得到 reward 1，这件事情是永远不可能发生的。所以，不管你的 actor 做了什么事情，它得到 reward 永远都是 0，对它来说不管采取什么样的 action 都是一样糟或者是一样的好。所以，它最后什么都不会学到。如果环境中的 reward 非常的 sparse，reinforcement learning 的问题就会变得非常的困难。但是人类可以在非常 sparse 的 reward 上面去学习，我们的人生通常多数的时候，我们就只是活在那里，都没有得到什么 reward 或是 penalty。但是，人还是可以采取各种各式各样的行为。所以，一个真正厉害的 AI 应该能够在 sparse reward 的情况下也学到要怎么跟这个环境互动。
实际上用 reinforcement learning learn agent 的时候，多数的时候 agent 都是没有办法得到 reward 的。那在没有办法得到 reward 的情况下，训练 agent 是非常困难的。举例来说，假设你要训练一个机器手臂，然后桌上有一个螺丝钉跟螺丝起子，那你要训练它用螺丝起子把螺丝钉栓进去，那这个很难，为什么？因为你知道一开始你的 agent 是什么都不知道的，它唯一能够做不同的 action 的原因是 exploration。举例来说，你在做 Q-learning 的时候，会有一些随机性，让它去采取一些过去没有采取过的 action，那你要随机到说，它把螺丝起子捡起来，再把螺丝栓进去，然后就会得到 reward 1，这件事情是永远不可能发生的。所以，不管你的 actor 做了什么事情，它得到 reward 永远都是 0，对它来说不管采取什么样的 action 都是一样糟或者是一样的好。所以，它最后什么都不会学到。
如果环境中的 reward 非常 sparse，reinforcement learning 的问题就会变得非常的困难，但是人类可以在非常 sparse 的 reward 上面去学习。我们的人生通常多数的时候，我们就只是活在那里，都没有得到什么 reward 或是 penalty。但是，人还是可以采取各种各式各样的行为。所以，一个真正厉害的 AI 应该能够在 sparse reward 的情况下也学到要怎么跟这个环境互动。
怎么解决 sparse reward 的这件事情呢？我们等一下会讲三个方向。
## Reward Shaping
![](img/10.1.png)
第一个方向叫做 `reward shaping`。**Reward shaping 的意思是说环境有一个固定的 reward，它是真正的 reward，但是我们为了让 agent 学出来的结果是我们要的样子，我们刻意地设计了一些 reward 来引导我们的 agent。**举例来说，如果是把小孩当成一个 agent 的话。那一个小孩，他可以 take 两个 actions，一个 action 是他可以出去玩，那他出去玩的话，在下一秒钟它会得到 reward 1。但是他在月考的时候，成绩可能会很差。所以在100 个小时之后呢，他会得到 reward -100。然后，他也可以决定要念书，然后在下一个时间，因为他没有出去玩，所以他觉得很不爽，所以他得到 reward -1。但是在 100 个小时后，他可以得到 reward 100。但对一个小孩来说，他可能就会想要 take play 而不是 take study。我们计算的是 accumulated reward，但也许对小孩来说，他的 discount factor 会很大，所以他就不太在意未来的reward。而且因为他是一个小孩，他还没有很多 experience，所以他的 Q-function estimate 是非常不精准的。所以要他去 estimate 很远以后会得到的 accumulated reward，他其实是预测不出来的。所以这时候大人就要引导他，怎么引导呢？就骗他说，如果你坐下来念书我就给你吃一个棒棒糖。所以，对他来说，下一个时间点会得到的 reward 就变成是positive 的。所以他就觉得说，也许 take 这个 study 是比 play 好的。虽然这并不是真正的 reward，而是其他人骗他的reward，告诉他说你采取这个 action 是好的。Reward shaping 的概念是一样的，简单来说，就是你自己想办法 design 一些 reward，它不是环境真正的 reward。在玩 Atari 游戏里面，真的 reward 是游戏主机给你的 reward，但你自己去设计一些 reward 好引导你的 machine，做你想要它做的事情。
第一个方向是 `reward shaping`。**Reward shaping 的意思是说环境有一个固定的 reward，它是真正的 reward，但是为了让 agent 学出来的结果是我们要的样子，我们刻意地设计了一些 reward 来引导我们的 agent。**举例来说，如果是把小孩当成一个 agent 的话。那一个小孩，他可以 take 两个 actions，一个 action 是他可以出去玩，那他出去玩的话，在下一秒钟它会得到 reward 1。但是他在月考的时候，成绩可能会很差。所以在100 个小时之后呢，他会得到 reward -100。然后，他也可以决定要念书，然后在下一个时间，因为他没有出去玩，所以他觉得很不爽，所以他得到 reward -1。但是在 100 个小时后，他可以得到 reward 100。但对一个小孩来说，他可能就会想要 take play 而不是 take study。我们计算的是 accumulated reward，但也许对小孩来说，他的 discount factor 会很大，所以他就不太在意未来的reward。而且因为他是一个小孩，他还没有很多 experience，所以他的 Q-function estimate 是非常不精准的。所以要他去 estimate 很远以后会得到的 accumulated reward，他其实是预测不出来的。所以这时候大人就要引导他，怎么引导呢？就骗他说，如果你坐下来念书我就给你吃一个棒棒糖。所以，对他来说，下一个时间点会得到的 reward 就变成是positive 的。所以他就觉得说，也许 take 这个 study 是比 play 好的。虽然这并不是真正的 reward，而是其他人骗他的reward，告诉他说你采取这个 action 是好的。Reward shaping 的概念是一样的，简单来说，就是你自己想办法 design 一些 reward，它不是环境真正的 reward。在玩 Atari 游戏里面，真的 reward 是游戏主机给你的 reward，但你自己去设计一些 reward 好引导你的 machine，做你想要它做的事情。
![](img/10.2.png)
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Reward shaping 是有问题的，因为我们需要 domain knowledge，举例来说，机器人想要学会的事情是把蓝色的板子从这个柱子穿过去。机器人很难学会，我们可以做 reward shaping。一个貌似合理的说法是，蓝色的板子离柱子越近，reward 越大。但是 machine 靠近的方式会有问题，它会用蓝色的板子打柱子。而我们要把蓝色板子放在柱子上面去，才能把蓝色板子穿过柱子。 这种 reward shaping 的方式是没有帮助的，那至于什么 reward shaping 有帮助，什么 reward shaping 没帮助，会变成一个 domain knowledge，你要去调的。
## Curiosity
### Curiosity
![](img/10.3.png)
接下来就是介绍各种你可以自己加进去，in general 看起来是有用的 reward。举例来说，一个技术是给 machine 加上 curiosity，所以叫 `curiosity driven reward`。上图是我们之前讲 Actor-Critic 的时候看过的图。我们有一个 reward function，它给你某一个 state，给你某一个 action，它就会评断说在这个 state 采取这个 action 得到多少的 reward。那我们当然希望 total reward 越大越好。在 curiosity driven 的这种技术里面，你会加上一个新的 reward function。这个新的 reward function 叫做 `ICM(intrinsic curiosity module)`，它就是要给机器加上好奇心。ICM 会吃 3 个东西，它会吃 state $s_1$、action $a_1$ 和 state $s_2$。根据 $s_1$ 、$a_1$、 $a_2$，它会 output 另外一个 reward，我们这边叫做 $r_1^i$。对 machine 来说，total reward 并不是只有 r 而已，还有 $r^i$。它不是只有把所有的 r 都加起来，它还把所有 $r^i$ 加起来当作total reward。所以，它在跟环境互动的时候，它不是只希望 r 越大越好，它还同时希望 $r^i$ 越大越好，它希望从 ICM 的 module 里面得到的 reward 越大越好。ICM 就代表了一种 curiosity。
接下来就是介绍各种你可以自己加进去，in general 看起来是有用的 reward。举例来说，一个技术是给 machine 加上 curiosity，所以叫 `curiosity driven reward`。如上图所示，我们有一个 reward function，它给你某一个 state，给你某一个 action，它就会评断说在这个 state 采取这个 action 得到多少的 reward。那我们当然希望 total reward 越大越好。
在 curiosity driven 的这种技术里面，你会加上一个新的 reward function。这个新的 reward function 叫做 `ICM(intrinsic curiosity module)`，它就是要给机器加上好奇心。ICM 会吃 3 个东西，它会吃 state $s_1$、action $a_1$ 和 state $s_2$。根据 $s_1$ 、$a_1$、$s_2$，它会 output 另外一个 reward $r_1^i$。对 machine 来说，total reward 并不是只有 r 而已，还有 $r^i$。它不是只有把所有的 r 都加起来，它还把所有 $r^i$ 加起来当作 total reward。所以，它在跟环境互动的时候，它不是只希望 r 越大越好，它还同时希望 $r^i$ 越大越好，它希望从 ICM 的 module 里面得到的 reward 越大越好。ICM 就代表了一种 curiosity。
![](img/10.4.png)
@@ -29,14 +33,14 @@ Reward shaping 是有问题的，因为我们需要 domain knowledge，举例来
怎么让 machine 知道说什么事情是真正重要的？你要加上另外一个 module，我们要 learn 一个`feature extractor`，黄色的格子代表 feature extractor，它是 input 一个 state，然后 output 一个 feature vector 来代表这个 state，那我们期待这个 feature extractor 可以把那种没有意义的画面，state 里面没有意义的东西把它过滤掉，比如说风吹草动、白云的飘动、树叶的飘动这种没有意义的东西直接把它过滤掉，
假设这个 feature extractor 真的可以把无关紧要的东西过滤掉以后，network 1 实际上做的事情是，给它一个 actor，给它一个 state $s_t$ 的 feature representation，让它预测 state $s_{t+1}$ 的 feature representation。接下来我们再看说，这个预测的结果跟真正的 state $s_{t+1}$ 的 feature representation 像不像，越不像，reward 就越大。怎么 learn 这个 feature extractor 呢？让这个 feature extractor 可以把无关紧要的事情滤掉呢？这边的 learn 法就是 learn 另外一个network 2。这个 network 2 是吃 $\phi(s_t)$、$\phi(s_{t+1})$ 这两个 vector 当做 input，然后接下来它要 predict action a 是什么，然后它希望呢这个 action a 跟真正的 action a 越接近越好。这个 network 2 会 output 一个 action，它 output 说，从 state $s_t$ 跳到 state $s_{t+1}$，要采取哪一个 action 才能够做到，那希望这个 action 跟真正的 action 越接近越好。加上这个 network 2 的好处就是因为要用 $\phi(s_t)$、$\phi(s_{t+1})$ 预测 action。所以，今天我们抽出来的 feature 跟预测 action 这件事情是有关的。所以风吹草动等与 machine 要采取的 action 无关的东西就会被滤掉，就不会被放在抽出来的 vector representation 里面。
假设这个 feature extractor 真的可以把无关紧要的东西过滤掉以后，network 1 实际上做的事情是，给它一个 actor，给它一个 state $s_t$ 的 feature representation，让它预测 state $s_{t+1}$ 的 feature representation。接下来我们再看说，这个预测的结果跟真正的 state $s_{t+1}$ 的 feature representation 像不像，越不像，reward 就越大。怎么 learn 这个 feature extractor 呢？让这个 feature extractor 可以把无关紧要的事情滤掉呢？这边的 learn 法就是 learn 另外一个 network 2。这个 network 2 是吃 $\phi(s_t)$、$\phi(s_{t+1})$ 这两个 vector 当做 input，然后接下来它要 predict action a 是什么，然后它希望呢这个 action a 跟真正的 action a 越接近越好。这个 network 2 会 output 一个 action，它 output 说，从 state $s_t$ 跳到 state $s_{t+1}$，要采取哪一个 action 才能够做到，那希望这个 action 跟真正的 action 越接近越好。加上这个 network 2 的好处就是因为要用 $\phi(s_t)$、$\phi(s_{t+1})$ 预测 action。所以，今天我们抽出来的 feature 跟预测 action 这件事情是有关的。所以风吹草动等与 machine 要采取的 action 无关的东西就会被滤掉，就不会被放在抽出来的 vector representation 里面。
## Curriculum Learning
![](img/10.6.png)
接下来讲 `curriculum learning` 。Curriculum learning 不是 reinforcement learning 所独有的概念，其实在 machine learning，尤其是 deep learning 里面，你都会用到 curriculum learning 的概念。举例来说，curriculum learning 的意思是说，你为机器的学习做规划，你给他喂 training data 的时候，是有顺序的，通常都是由简单到难。就好比说，假设你今天要交一个小朋友作微积分，他做错就打他一巴掌，这样他永远都不会做对，太难了。你要先教他九九乘法，然后才教他微积分。所以 curriculum learning 的意思就是在教机器的时候，从简单的题目教到难的题目。就算不是 reinforcement learning，一般在 train deep network 的时候，你有时候也会这么做。举例来说，在 train RNN 的时候，已经有很多的文献都 report 说，你给机器先看短的 sequence，再慢慢给它长的 sequence，通常可以学得比较好。那用在 reinforcement learning 里面，你就是要帮机器规划一下它的课程，从最简单的到最难的。
第二个方向是 `curriculum learning` 。Curriculum learning 不是 reinforcement learning 所独有的概念，其实在 machine learning，尤其是 deep learning 里面，你都会用到 curriculum learning 的概念。举例来说，curriculum learning 的意思是说，你为机器的学习做规划，你给他喂 training data 的时候，是有顺序的，通常都是由简单到难。就好比说，假设你今天要交一个小朋友作微积分，他做错就打他一巴掌，这样他永远都不会做对，太难了。你要先教他九九乘法，然后才教他微积分。所以 curriculum learning 的意思就是在教机器的时候，从简单的题目教到难的题目。就算不是 reinforcement learning，一般在 train deep network 的时候，你有时候也会这么做。举例来说，在 train RNN 的时候，已经有很多的文献都 report 说，你给机器先看短的 sequence，再慢慢给它长的 sequence，通常可以学得比较好。那用在 reinforcement learning 里面，你就是要帮机器规划一下它的课程，从最简单的到最难的。
* 举例来说，在 Facebook 玩 VizDoom 的 agent 里面，Facebook 玩 VizDoom 的 agent 蛮强的。他们在参加这个 VizDoom 的比赛，机器的 VizDoom 比赛是得第一名的，他们是有为机器规划课程的。先从课程 0 一直上到课程 7。在这个课程里面，怪物的速度跟血量是不一样的。所以，在越进阶的课程里面，怪物的速度越快，然后他的血量越多。在 paper 里面也有讲说，如果直接上课程 7，machine 是学不起来的。你就是要从课程 0 一路玩上去，这样 machine 才学得起来。
@@ -45,6 +49,8 @@ Reward shaping 是有问题的，因为我们需要 domain knowledge，举例来
* 如第二张图所示，这边就是把板子挪高一点，挪高一点，所以它有时候会很笨的往上拉，然后把板子拿出来了。如果它压板子学得会的话，拿板子也比较有机会学得会。假设它现在学的到说，只要板子接近柱子，它就可以把这个板子压下去的话。接下来，你再让它学更 general 的 case。
* 如第三张图所示，一开始，让板子离柱子远一点。然后，板子放到柱子上面的时候，它就会知道把板子压下去，这个就是 curriculum learning 的概念。当然 curriculum learning 有点 ad hoc(特别)，就是需要人去为机器设计它的课程。
### Reverse Curriculum Generation
![](img/10.7.png)
有一个比较 general 的方法叫做 `Reverse Curriculum Generation`。你可以用一个比较通用的方法来帮机器设计课程，这个比较通用的方法是怎么样呢？假设你现在一开始有一个 state $s_g$，这是你的 gold state，也就是最后最理想的结果。如果拿刚才那个板子和柱子的实验作为例子的话，就把板子放到柱子里面，这样子叫做 gold state。你就已经完成了，或者你让机器去抓东西，你训练一个机器手臂抓东西，抓到东西以后叫做 gold state。接下来你根据你的 gold state 去找其他的 state，这些其他的 state 跟 gold state 是比较接近的。举例来说，如果是让机器抓东西的例子里面，你的机器手臂可能还没有抓到东西。假设这些跟 gold state 很近的 state 叫做 $s_1$。你的机械手臂还没有抓到东西，但它离 gold state 很近，那这个叫做$s_1$。至于什么叫做近，这是 case dependent，你要根据你的 task 来 design 说怎么从 $s_g$ sample 出 $s_1$。如果是机械手臂的例子，可能就比较好想。其他例子可能就比较难想。接下来呢，你再从这些 $s_1$ 开始做互动，看它能不能够达到 gold state $s_g$，那每一个 state，你跟环境做互动的时候，你都会得到一个 reward R。
@@ -57,7 +63,7 @@ Reward shaping 是有问题的，因为我们需要 domain knowledge，举例来
![](img/10.9.png)
那最后一个 tip 叫做 `Hierarchical Reinforcement learning`，分层的 reinforcement learning。
第三个方向是 `Hierarchical Reinforcement learning`，分层的 reinforcement learning。
所谓分层的 reinforcement learning 是说，我们有好几个 agent。然后，有一些 agent 负责比较 high level 的东西，它负责订目标，然后它订完目标以后，再分配给其他的 agent，去把它执行完成。这样的想法其实也是很合理的。因为我们知道说，我们人在一生之中，并不是时时刻刻都在做决定。举例来说，假设你想要写一篇 paper，你会说就我先想个梗这样子，然后想完梗以后，你还要跑个实验。跑完实验以后，你还要写。写完以后呢，你还要这个去发表。每一个动作下面又还会再细分，比如说怎么跑实验呢？你要先 collect data，collect 完 data 以后，你要再 label，你要弄一个 network，然后又 train 不起来，要 train 很多次。然后重新 design network 架构好几次，最后才把 network train 起来。
所以，我们要完成一个很大的 task 的时候，我们并不是从非常底层的那些 action 开始想起，我们其实是有个 plan。我们先想说，如果要完成这个最大的任务，那接下来要拆解成哪些小任务。每一个小任务要再怎么拆解成小小的任务。举例来说，叫你直接写一本书可能很困难，但叫你先把一本书拆成好几个章节，每个章节拆成好几段，每一段又拆成好几个句子，每一个句子又拆成好几个词汇，这样你可能就比较写得出来，这个就是分层的 reinforcement learning 的概念。