SARSA时序差分学习方法

什么是SARSA

SARSA算法的全称是State Action Reward State Action,属于时序差分学习算法的一种,其综合了动态规划算法和蒙特卡洛算法,比仅仅使用蒙特卡洛方法速度要快很多。当时序差分学习算法每次更新的动作数为最大步数时,就等价于蒙特卡洛方法

值函数更新公式的引入:多次试验的平均

SARSA的核心思想在于增量计算。在蒙特卡洛算法中,我们需要对Q函数\hat{Q}^{\pi}(s, a)进行有效的估计,假设第N次试验后值函数为\hat{Q}_{N}^{\pi}(s, a)的平均为:
\begin{aligned} \hat{Q}_{N}^{\pi}(s, a) &=\frac{1}{N} \sum_{n=1}^{N} G\left(\tau_{s_{0}=s, a_{0}=a}^{(n)}\right) \\ &=\frac{1}{N}\left(G\left(\tau_{s_{0}=s, a_{0}=a}^{(N)}\right)+\sum_{n=1}^{N-1} G\left(\tau_{s_{0}=s, a_{0}=a}^{(n)}\right)\right) \\ &=\frac{1}{N}\left(G\left(\tau_{s_{0}=s, a_{0}=a}^{(N)}\right)+(N-1) \hat{Q}_{N-1}^{\pi}(s, a)\right) \\ &=\hat{Q}_{N-1}^{\pi}(s, a)+\frac{1}{N}\left(G\left(\tau_{s_{0}=s, a_{0}=a}^{(N)}\right)-\hat{Q}_{N-1}^{\pi}(s, a)\right) \end{aligned}
其中\tau_{s_{0}}=s, a_{0}=a表示轨迹\tau的起始状态和动作为s, a

省却以上公式的中间过程,我们可以将该公式简化为如下:
\hat{Q}_{N}^{\pi}(s, a)=\hat{Q}_{N-1}^{\pi}(s, a)+\frac{1}{N}\left(G\left(\tau_{s_{0}=s, a_{0}=a}^{(N)}\right)-\hat{Q}_{N-1}^{\pi}(s, a)\right)
在该公式中,值函数\hat{Q}^{\pi}(s, a)在第N次试验后的值\hat{Q}_{N}^{\pi}(s, a),即N次试验的平均等于前N-1次试验再加上一个增量。在该公式中,1/N可以表示成第N次试验相对于前N-1次试验的重要性

值函数更新公式的改进:权重参数的调整

更一般性的,我们可以将权重系数1/N改成一个比较小的正数\alpha,由此,以上公式可以被改写成为以下:
\hat{Q}^{\pi}(s, a) \leftarrow \hat{Q}^{\pi}(s, a)+\alpha\left(G\left(\tau_{s_{0}=s, a_{0}=a}\right)-\hat{Q}^{\pi}(s, a)\right)
其中,增量\delta \triangleq G\left(\tau_{s_{0}=s, a_{0}=a}\right)-\hat{Q}^{\pi}(s, a)称为蒙特卡洛误差,表示真实的回报与期望回报之间的差距。

值函数更新公式的改进:累积奖励的计算

在上面的公式中,G\left(\tau_{s_{0}}=s, a_{0}=a\right)为一次试验的完整轨迹所得到的总回报,为了提高效率,放宽模型的约束,可以借助动态规划算法来计算G\left(\tau_{s_{0}}=s, a_{0}=a\right),而不需要得到完整的轨迹。

s,a开始,采样下一步的状态和动作\left(s^{\prime}, a^{\prime}\right),并得到奖励r(s,a,s^{\prime}),然后利用贝尔曼方程来近似估计函数G\left(\tau_{s_{0}}=s, a_{0}=a\right)
\begin{aligned} G\left(\tau_{s 0}=s, a_{0}=a, s_{1}=s^{\prime}, a_{1}=a^{\prime}\right) &=r\left(s, a, s^{\prime}\right)+\gamma G\left(\tau_{s 0}=s^{\prime}, a_{0}=a^{\prime}\right) \\ & \approx r\left(s, a, s^{\prime}\right)+\gamma \hat{Q}^{\pi}\left(s^{\prime}, a^{\prime}\right) \end{aligned}
贝尔曼方程的思想精髓在于动态规划,即当前值的计算依赖于上一时刻的值。对于无最终状态的情况,我们定义了折扣率\gamma来重点强调现世的回报。

将以上公式结合,可以得到以下计算公式:
\hat{Q}^{\pi}(s, a) \leftarrow \hat{Q}^{\pi}(s, a)+\alpha\left(r\left(s, a, s^{\prime}\right)+\gamma \hat{Q}^{\pi}\left(s^{\prime}, a^{\prime}\right)-\hat{Q}^{\pi}(s, a)\right)
这种策略学习算法称为SARSA算法。

通用SARSA算法框架:一个示例

一个通用的SARSA算法如下所示:

SARSA算法框架

该算法的大致逻辑如下:

  1. 运行完一个回合即一个内循环。
  2. 运行直到Q函数收敛即为一个外循环。
  3. 运行期间动态更新Q函数,并基于Q函数更新策略\pi(s)

时序差分学习和蒙特卡罗方法的主要不同为:蒙特卡罗需要完整一个路径完成才能知道其总回报,也不依赖马尔可夫性质;而时序差分学习只需要一步,其总回报需要依赖马尔可夫性质来进行近似估计。

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