强化学习与深度强化学习的思想

强化学习所学习的,是当我们处在某个环境下,我们应该做的最好的决策是什么?

假设我们所处的状态(State)是有限的,例如在开车的时候,前面红灯还是绿灯,前后左右有没有车,这些数据可以归结为有限多个状态。

假设前面有车没车,左边有车没车,前面是红灯还是绿灯,这样简单的归类,我们就有2x2x2 = 8种状态,状态数量可以任意多,有限即可(甚至对于无限个状态,我们也可以模糊的归结为有限)

每个状态下我们能做的事情(行动,action)是有限个的,还是开车,我们是直行、还是停下来等,这也就2种行动而已

在有限个状态下,有限个行动下,如果我们想在某种状态下选择一个最好的行动,并且如何学习到这种选择,就是强化学习的目标


例如:前方红灯,我们应该停车等待,也就是

状态/动作 直行 等待
红灯 0 1
绿灯 1 0

归结为数学语言就是,在 状态 = 红灯 时,选择 行动 = 等待 的收益最大
绿灯时, 行动 = 直行 的收益最大

每一行是一种状态,每一列是一种行动,每个交叉点,是这个行动的收益。假设我们已经有了这张图表,我们也知道我们当前的状态(通过观察红绿灯),那么我们只要找到当前行,最大值的某个列的行动去做就好了。

所以问题就是,我们怎么得到这张表?


对于一个简单的问题,例如这张表只有10行,5列,50个元素,人类当然可以一个一个填写最优的可能性。不过假设状态有数千个,行动数量有数百个,我们就很难以人力完成这件工作。强化学习的一个简单思路,就是填完这张表。

它所希望的就是得到这个表格(Q-table),或者说Q function

在当前状态下,我们所应该选择的行动为:最大的 【Q(状态,行动) for 行动 in 所有可能的行动】

也就是在某个状态那一行,寻找哪个列(哪个行动)的值最大,值最大代表在这个状态下实行这个行动可以获取的奖励最大,或者说得到的收益最好。


强化学习不仅仅学习当前,也学习未来

我们可以计算出每个状态下,每个行动的收益(初始化一张Q-table)

这个初始的收益是不准确的,我们怎么更新它,我们使用:

当前行动收益 = 真实收益 + 当前行动做过之后下一个状态的最大收益

例如当前是红灯,我们直行的收益就很低(违反交规),这是当前的真实收益;但是如果我们是救护车,正在运病人,把病人快速运到的收益非常高(也就是闯红灯之后可能带来的收益),这个时候很可能是:我们应该闯红灯,因为未来远期的收益太高了。

这也是为什么强化学习需要学习远期收益


深度强化学习

深度强化学习是强化学习的深度学习版,其实并不高级。它使用一个神经网络来代替Q-table,因为状态可能太多了(虽然有限,但是数量太大),不过依然要求行动是有限的(例如几十种行动)

我们定义一个神经网络,输入是当前状态,输出是每个行动的收益,我们希望结果是训练出这个网络,每当我们输入一个状态获得每个行动的收益,然后我们可以从结果中选择收益最大的行动来直行,也就是代替Q-table的作用。

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