强化学习系列（1）：从零理解强化学习基础与框架

强化学习系列（1）：从零理解强化学习基础与框架

一、什么是强化学习？

• 定义：通过与环境的交互学习最优决策策略的机器学习方法
• 核心三要素：Agent（智能体）、Environment（环境）、Reward（奖励）
• 典型应用场景：
  • 游戏AI（AlphaGo、Dota2 OpenAI）
  • 机器人控制（波士顿动力）
  • 自动驾驶决策系统

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二、强化学习与监督学习的区别

| 对比维度       | 监督学习          | 强化学习          |
|----------------|------------------|------------------|
| 数据形式        | 静态数据集         | 动态交互过程       |
| 反馈信号        | 明确的标签         | 延迟的奖励信号     |
| 目标            | 最小化预测误差      | 最大化长期回报     |
| 典型算法        | CNN、RNN         | Q-Learning、PPO  |

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三、马尔可夫决策过程（MDP）

MDP五元组

• S：状态集合（States）
• A：动作集合（Actions）
• P：状态转移概率（Transition Probability）
• R：奖励函数（Reward Function）
• γ：折扣因子（0≤γ≤1）

贝尔曼方程公式

$$V(s)=\mathbb{E}\left[R_{t+1}+\gamma V(s^{\prime })\right]$$

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四、OpenAI Gym环境实战

安装必要库

pip install gymnasium numpy

经典CartPole环境示例

import gymnasium as gym

# 创建环境
env = gym.make('CartPole-v1', render_mode='human')
observation, info = env.reset()

for _ in range(1000):
    action = env.action_space.sample()  # 随机选择动作
    observation, reward, terminated, truncated, info = env.step(action)
  
    if terminated or truncated:
        observation, info = env.reset()
      
env.close()

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五、Q-Learning基础实现

算法伪代码

Initialize Q(s,a) arbitrarily
Repeat (for each episode):
    Initialize s
    Repeat (for each step of episode):
        Choose a from s using policy derived from Q
        Take action a, observe r, s'
        Q(s,a) ← Q(s,a) + α[r + γ*max_a'Q(s',a') - Q(s,a)]
        s ← s'
    until s is terminal

Python实现片段

import numpy as np

# 初始化Q表（状态空间x动作空间）
q_table = np.zeros([env.observation_space.n, env.action_space.n])

# 超参数设置
alpha = 0.1    # 学习率
gamma = 0.99   # 折扣因子
epsilon = 0.1  # 探索率

# 单步Q值更新公式
state = env.reset()
action = np.argmax(q_table[state]) 
next_state, reward, done, _ = env.step(action)

# Q学习更新规则
q_table[state, action] = (1 - alpha) * q_table[state, action] + \
                        alpha * (reward + gamma * np.max(q_table[next_state]))

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六、常见问题解答

1. 如何选择合适的环境？

✅ 建议路径：

1. 入门：CartPole（平衡杆）、FrozenLake（网格导航）
2. 进阶：MountainCar（爬山问题）、Atari游戏环境
3. 实战：MuJoCo（复杂机器人控制）

2. 什么时候该用值迭代/策略梯度？

• 值迭代方法（Q-Learning/DQN）：适合离散动作空间
• 策略梯度方法（PPO/SAC）：适合连续动作空间

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七、学习资源推荐

• 经典教材：
  • 《Reinforcement Learning: An Introduction》（Sutton&Barto圣经）
  • 《动手学强化学习》（中文实践指南）
• 开源项目：
  • OpenAI Baselines
  • Stable-Baselines3
• 工具包推荐：
  • Gymnasium：标准环境库（原OpenAI Gym）
  • PyTorch/TensorFlow：神经网络实现

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八、下期预告：深度Q网络（DQN）与经验回放

在**强化学习系列（2）**中，您将学习到：

1. Q-Learning的神经网络实现
2. Experience Replay机制原理
3. 用PyTorch实现Breakout游戏AI

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