强化学习之深度Q函数

本文探讨了强化学习中的深度Q网络(DQN)及其改进算法,包括Double DQN解决高估问题,Prioritized Experience Replay提高数据利用效率,以及Dueling DQN提升动作评价能力。DQN在游戏等场景中,通过深度学习和经验回放策略,有效地学习策略以最大化奖励。

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背景:强化学习玩游戏

模拟器(model 或 emulator)以动作(action)为输入,输出一张图像和奖励。

单张图像无法完全理解agent的当前状态,所以得结合动作与状态序列的信息。

agent的目标是,以一定的方式选择动作,与模拟器进行相交,来最大化将来的奖励。

Bellman equation:

Q(s,a)=Esϵ[r+γmaxQ(s,a)|s,a]

强化学习的一般方法是利用Bellman equation作为迭代更新:
Qi+1(s,a)=Esϵ[r+γmaxaQ(s,a)|s,a]

DQN

这里写图片描述

将深度学习应用到强化有几个挑战。
  1. 大多深度学习的应用都需要大量的标注数据,而强化学习需要从reward信号学习,且reward信号经常比较稀疏(sparse)、有噪声(noisy)、有延迟(delayed)。从执行动作(action)到产生reward的延迟,可能有上千步长。
  2. 数据样本的独立性。深度学习假设数据样本是独立的,而在强化学习中状态(state)之间是高度相关的。
  3. 数据分布的不变性。深度学习假设数据分布是不变的,而强化学习可以学习新的行为(policy),进而改变数据的分布。
针对第二和第三点的应对策略:

​ 经验回放机制(experience replay mechanism):通过多次随机取样之前的状态转移,来平滑训练分布的变化。

Q函数用网络表示时的损失函数

Li(θi)=Es,aρ()[(yiQ(s,a;θi))2]

其中目标值
yi=Esϵ[r+γmaxaQ(s,a;θi1)|s,a]

值得注意的是,在深度学习中 目标值在训练开始时是固定不变的,而有强化学习中却与网络的参数有关。

损失函数的导数为:

θiLi(θi)=Es,aρ();sϵ[(r+γ
### 深度强化学习中的 Q 函数概念 在深度强化学习领域,Q 函数是一个核心组成部分,用于衡量在一个特定状态下执行某个动作所能带来的长期期望回报。具体来说,Q 函数表示的是状态 \( s \) 和动作 \( a \) 的组合下,后续所有奖励的累积折扣总和[^2]。 #### Q 函数的作用 Q 函数的主要作用在于帮助智能体评估不同行为的价值,从而决定哪些行动更有可能带来更高的累计奖励。通过不断优化 Q 函数,智能体能够逐步逼近最优策略,即在任意给定的状态下选择能使 Q 值最大的动作[^3]。 #### Q 函数的更新公式 Q 函数的更新遵循贝尔曼方程的核心思想,其基本形式如下所示: \[ Q(s, a) \leftarrow Q(s, a) + \alpha \cdot (r + \gamma \max_{a'} Q(s', a') - Q(s, a)) \] 其中: - \( Q(s, a) \): 当前状态 \( s \) 下采取动作 \( a \) 的 Q 值; - \( r \): 执行动作后的即时奖励; - \( \alpha \): 学习率,控制新信息的影响程度; - \( \gamma \): 折扣因子,反映对未来奖励的重视程度; - \( \max_{a'} Q(s', a') \): 在下一个状态 \( s' \) 中可能获得的最大 Q 值[^1]。 此公式表明,新的 Q 值由旧值加上误差项调整而成,而误差项则反映了实际观察到的结果与先前预测之间的差异。 #### 深度强化学习中的改进 当面对高维输入空间时,传统的表格型 Q-Learning 方法变得不可行。因此,在深度强化学习中引入神经网络作为函数近似器来替代查表法,这种方法被称为 **Deep Q-Networks (DQN)** 。利用 DNN 可以有效处理图像等复杂数据结构的能力,使得强化学习得以应用于诸如 Atari 游戏这样的场景之中[^4]。 ```python import torch import torch.nn as nn class SimpleQNetwork(nn.Module): def __init__(self, input_size, output_size): super(SimpleQNetwork, self).__init__() self.fc = nn.Sequential( nn.Linear(input_size, 64), nn.ReLU(), nn.Linear(64, output_size) ) def forward(self, state): q_values = self.fc(state) return q_values ``` 上述代码展示了一个简单的全连接神经网络架构,它可以用来估算各个动作对应的 Q 值。
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