Q-learning算法

利用网上的一个简单的例子来说明Q-learning算法。

假设在一个建筑物中我们有五个房间,这五个房间通过门相连接,如下图所示:将房间从0-4编号,外面可以认为是一个大房间,编号为5.注意到1、4房间和5是相通的。


每个节点代表一个房间,每个连接代表一个门。


对这个例子来说,我们可以把Agent放到任何一个房间中,然后从这个房间走出这个建筑物(这就是我们的目标房间,即房间5)。为了把5号房间设成目标房间,我们为每一扇门(节点之间的连接线)分配一个回报值。直接通向目标的门的回报值为100,没有与目标房间直接相连的其他门的回报值为0。因为门都是双向的(0可以到4,4也可以到0),因此每个门由两个箭头来表示。每个箭头都有有一个立即回报值,如下所示:


当然,从房间5到房间5自身的回报值应该是100。而所有直接通向这个目标房间的连接线的回报值为100。在Q-Learning中,目标就是要到达有最高回报值的状态。所以如果Agent到达了目标,它就会一直在那。这种类型的目标被称为吸收目标(absorbing goal)。

想象一下,我们的Agent是一个不会说话的虚拟机器人,但是它可以从经验中学习。Agent可以从一个房间走到另一个房间但是对于周围的环境没有任何了解,不知道哪一种门的顺序可以把它带到外面。

假设我们要为一个Agent从这个建筑物中任何一个房间撤离出去来简单建模,假设我们有一个Agent在房间2中,我们想让这个Agent学着到达这个建筑物的外面。


Q-Learning中的术语包括状态(state)和动作(action)。

我们称包括建筑物外面的所有房间为状态,Agent从一个房间到另一个房间的移动为动作,在图中,一个状态被画成一个节点,而一个动作被箭头表示出来。


假设Agent是在2号房间(状态2)中,那么它可以从2号房间走到3号房间,因为他们是相通的。而从2号房间Agent不能直接走到1号房间,因为没有一个门(所以没有箭头)直接把1号和2号房间连接起来。从状态3.它可以走到状态1,4,或者回到2(注意看与状态3相关的所有箭头)。如果Agent是在状态4,那么它所有可能的动作是走向状态0,5或者3。如果它在状态1,那么它可以到达状态3或者状态5,从状态0,它只可以回到状态4。

我们可以把状态图和即时回报值填入下面的回报表中,即R矩阵


上图中-1代表空值,比如两个状态之间没有箭头。

现在我们添加一个相似的矩阵,“Q”,到我们Agent的大脑中,这个矩阵代表了Agent通过经验所学到的,Q矩阵的行代表Agent的当前状态,Q矩阵的列代表了可能到达下一状态的动作(即状态之间的箭头)。

Q-Learning的转换规则方程:


γ值在0到1之间变化(0<=γ<1),如果γ值接近0,Agent倾向于只考虑立即回报值;如果γ值接近1,Agent将以更大的权重去考虑未来回报值,愿意将回报延后。

Agent仅仅是跟踪从起始状态到目标状态的状态序列来使用矩阵Q。这个算法在矩阵Q中为当前状态找到有最高回报值的下一步动作。


实例:

初始化Q矩阵为一个零矩阵,参数伽马r=0.8,随机初始状态为房间1


从R矩阵可以看出有两个非负值,即从房间(状态)1到房间(状态)3或者从房间(状态)1到房间(状态)5,随机选取从1到5.

根据公式1.1

此时状态5变为当前状态,因为状态5就是目标状态,故以此episode结束,刷新Q表



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