这里是强化学习入门 的入门

原作：Thomas Simonini

墙化栗子 编译自 FreeCodeCamp

量子位 出品 | 公众号 QbitAI

强化学习是机器学习里面非常重要的一个派别。智能体 (agent) 会不断执行一些操作，通过结果来学习，在不同的环境中分别应该采取怎样的行动。

在一系列教学文章里，我们可以了解不同的架构，来解决强化学习的问题。Q学习，深度Q网络 (DQN) ，策略梯度 (Policy Gradients) ，演员-评论家 (Actor-Critic) ，以及近端策略优化 (PPO) 都是将要涉及的算法。

这是本系列的第一篇文章，你可以抓住的重点有：

·什么是强化学习，以及为什么奖励最重要

·强化学习的三种方式

·深度强化学习的“深度”是什么意思

以上几点，在进入强化学习的复杂世界之前，可能还是有必要了解一下。

这是个友好的引子

强化学习的中心思想，就是让智能体在环境里学习。每个行动会对应各自的奖励，智能体通过分析数据来学习，怎样的情况下应该做怎样的事情。

其实，这样的学习过程和我们自然的经历非常相似。想像自己是个小孩子，第一次看到了火，然后走到了火边。

你感受到了温暖。火是个好东西 (+1) 。

然后就试着去摸。卧槽，这么烫 (-1) 。

结论是，在稍远的地方火是好的，靠得太近就不好。

这就是人类学习的方式，与环境交互。强化学习也是一样的道理，只是主角换成了计算机。

比如，智能体要学着玩超级马里奥。强化学习过程可以用一个循环 (loop) 来表示：

·智能体在环境 (超级马里奥) 里获得初始状态S0(游戏的第一帧) ；

·在state 0的基础上，agent会做出第一个行动A0(如向右走) ；

·环境变化，获得新的状态S1(A0发生后的某一帧) ；

·环境给出了第一个奖励R1(没死：+1) ；

于是，这个loop输出的就是一个由状态、奖励和行动组成的序列。

而智能体的目标就是让预期累积奖励最大化。

奖励假说为根基

问题来了，目标为什么是预期累积奖励最大化？

因为，强化学习原本就是建立在奖励假说的基础之上。想表现好，就要多拿奖励。

每一个时间步(time step) 的累积奖励都可以表示为：

或者

不过，我们没有办法把奖励直接相加。因为游戏里，越接近游戏开始处的奖励，就越容易获得；而随着游戏的进行，后面的奖励就没有那么容易拿到了。

把智能体想成一只小老鼠，对手是只猫。它的目标就是在被猫吃掉之前，吃到最多的乳酪。

就像图中，离老鼠最近的乳酪很容易吃，而从猫眼皮底下顺乳酪就难了。离猫越近，就越危险。

结果就是，从猫身旁获取的奖励会打折扣，吃到的可能性小，就算乳酪放得很密集也没用。

那么，这个折扣要怎么算呢？

我们用γ表示折扣率，在0和1之间。

·γ越大，折扣越小。表示智能体越在意长期的奖励 (猫边上的乳酪) 。

·γ越小，折扣越大。表示智能体越在意短期的奖励 (鼠边上的乳酪) 。

这样，累积奖励表示出来就是：

简单来说，离猫近一步，就乘上一个γ，表示奖励越难获得。

片段性任务还是连续性任务

强化学习里的任务分两种。

片段性任务 (Episodic Tasks)

这类任务，有个起点，有个终点。两者之间有一堆状态，一堆行动，一堆奖励，和一堆新的状态，它们共同构成了一“集”。

当一集结束，也就是到达终止状态的时候，智能体会看一下奖励累积了多少，以此评估自己的表现。

然后，它就带着之前的经验开始一局新游戏。这一次，智能体做决定的依据会充分一些。

以猫鼠迷宫为例的一集：

·永远从同一个起点开始

·如果被猫吃掉或者走了超过20步，则游戏结束

·结束时，得到一系列状态、行动、奖励和新状态

·算出奖励的总和 (看看表现如何)

·更有经验地开始新游戏

集数越多，智能体的表现会越好。

连续性任务 (Continuing Tasks)

永远不会有游戏结束的时候。智能体要学习如何选择最佳的行动，和环境进行实时交互。就像自动驾驶汽车，并没有过关拔旗子的事。

这样的任务是通过时间差分学习(Temporal Difference Learning) 来训练的。每一个时间步，都会有总结学习，等不到一集结束再分析结果。

探索和开发之间的权衡

在讨论强化学习的几种方法之前，必须讲到这件事。

·探索(Exploration) 是找到关于环境的更多信息。

·开发(Exploitation) 是利用已知信息来得到最多的奖励。

要记住，目标是将预期累积奖励最大化。正因如此，它有时候会陷入一种困境。

小老鼠可以吃到无穷多块分散的乳酪 (每块+1) 。但在迷宫上方，有许多堆在起的乳酪(+1000) ，或者看成巨型乳酪。

如果我们只关心吃了多少，小老鼠就永远不会去找那些大乳酪。它只会在安全的地方一块一块地吃，这样奖励累积比较慢，但它不在乎。

如果它跑去远的地方，也许就会发现大奖的存在，但也有可能发生危险。

程序猿需要设定一种规则，让智能体能够把握二者之间的平衡。

强化学习的三种方法

前菜吃完了，我们终于要开始讲解决强化学习问题的方法了。三种方法分别是：基于价值（value-based）、基于策略（policy-based）以及基于模型（model-based）的方法。

基于价值 (Value-Based)

这种方法，目标是优化价值函数V(s)。

价值函数会告诉我们，智能体在每个状态里得出的未来奖励最大预期 (maximum expected future reward) 。

一个状态下的函数值，是智能体可以预期的未来奖励积累总值，从当前状态开始算。

智能体要用这个价值函数来决定，每一步要选择哪个行动。它会采取函数值 (就是Q值) 最大的那个行动。

在迷宫问题中，每一步我们都选取最大函数值：-7，-6，-5，以此类推，达到目标。

基于策略 (Policy-Based)

这种方式，会直接优化策略函数π(s)，抛弃价值函数。

策略就是评判智能体在特定时间点的表现。

把每一个状态和它所对应的最佳行动建立联系。

策略分为两种，

·确定性策略：某一个特定状态下的策略，永远都会给出同样的行动。

·随机性策略：策略给出的是多种行动的可能性分布。

从图中我们可以看到，策略直接指出了每一步的最佳行动。

基于模型 (Model-Based)

这种方法是对环境建模。这表示，我们要创建一个模型，来表示环境的行为。

问题是，每个环境都会需要一个不同的模型 (马里奥每走一步，都会有一个新环境) 。这也是这个方法在强化学习中并不太常用的原因。

深度强化学习

所谓深度强化学习，就是在强化学习里，加入深度神经网络。

如图，拿Q学习和深度Q网络 (DQN) 来举例。

·Q学习，是利用一个传统算法创建Q-table，来帮助智能体找到下一步要采取的行动。

·DQN，是利用深度神经网络来近似Q值。

恭喜你读到现在。这第一篇文章的信息量还是不小的。

根本停不下来

有兴趣的同学，可以坚持服用一疗程。

这里是本系列大纲的传送门：

https://simoninithomas.github.io/Deep_reinforcement_learning_Course/

—完—

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