强化学习第二:epsilon贪心算法

接着考虑前文的10臂老虎机问题。假设我们可以与老虎机交互TTT次,显然我们每次采取的行动(action)不必一成不变。记我们在ttt时刻采取行动为ata_tat,获得的回报为R(at)R(a_t)R(at)。那么,我们的目标是
max⁡a1,a2,...,aT∑t=1TE[R(at)]. \max_{a_1,a_2,...,a_T} \sum_{t=1}^T E[R(a_t)]. a1,a2,...,aTmaxt=1TE[R(at)].

在实际应用中,ata_tat会根据之前得到的a1,a2,...,at−1a_1,a_2,...,a_{t-1}a1,a2,...,at1<

Q学习是一种强化学习算法,用于学习一个智能体在一个环境中采取不同行动的最优策略。在Q学习中,我们学习一个Q函数,该函数给出在给定状态下采取某个行动的预期回报。在本文中,我们将介绍如何使用PyTorch实现Q学习。 首先,我们需要定义我们的环境。在这个例子中,我们将使用OpenAI Gym中的CartPole环境。我们的目标是让小车在一个平衡杆上移动,并保持平衡杆不倒。 ```python import gym env = gym.make('CartPole-v0') ``` 接下来,我们需要定义我们的神经网络模型。我们的模型将接收当前状态作为输入,并预测在每个可能的行动下的预期回报。 ```python import torch import torch.nn as nn class QNet(nn.Module): def __init__(self): super(QNet, self).__init__() self.fc1 = nn.Linear(4, 64) self.fc2 = nn.Linear(64, 2) def forward(self, x): x = torch.relu(self.fc1(x)) x = self.fc2(x) return x ``` 在我们的模型中,我们使用了一个简单的两层全连接神经网络,其中第一层有64个隐藏单元。 接下来,我们需要定义我们的Q学习算法。我们将使用贪心策略来选择我们的行动,并使用经验回放来训练我们的模型。 ```python class QLearning: def __init__(self, model, gamma, lr): self.model = model self.gamma = gamma self.lr = lr self.optimizer = torch.optim.Adam(self.model.parameters(), lr=self.lr) self.criterion = nn.MSELoss() def select_action(self, state, epsilon): if torch.rand(1)[0] < epsilon: return torch.tensor([[env.action_space.sample()]], dtype=torch.float32) else: with torch.no_grad(): return self.model(state).argmax(dim=1).reshape(1, 1) def train(self, memory, batch_size): if len(memory) < batch_size: return transitions = memory.sample(batch_size) batch = Transition(*zip(*transitions)) non_final_mask = torch.tensor(tuple(map(lambda s: s is not None, batch.next_state)), dtype=torch.bool) non_final_next_states = torch.cat([s for s in batch.next_state if s is not None]) state_batch = torch.cat(batch.state) action_batch = torch.cat(batch.action) reward_batch = torch.cat(batch.reward) state_action_values = self.model(state_batch).gather(1, action_batch) next_state_values = torch.zeros(batch_size) next_state_values[non_final_mask] = self.model(non_final_next_states).max(1)[0].detach() expected_state_action_values = (next_state_values * self.gamma) + reward_batch loss = self.criterion(state_action_values, expected_state_action_values.unsqueeze(1)) self.optimizer.zero_grad() loss.backward() self.optimizer.step() ``` 在我们的Q学习算法中,我们使用了经验回放的概念,该概念将我们的经验存储在一个缓存区中,并从该缓存区中随机选择一些经验进行训练。 我们还使用了一个epsilon-greedy策略来选择我们的行动。这意味着我们将有一个概率选择一个随机行动,而不是选择当前预测最佳的行动。这有助于我们避免过度依赖预测,以及探索环境中的不同状态。 最后,我们需要定义我们的训练循环。 ```python from collections import namedtuple import random Transition = namedtuple('Transition', ('state', 'action', 'next_state', 'reward')) memory = [] model = QNet() q_learning = QLearning(model, gamma=0.99, lr=0.001) for episode in range(1000): state = env.reset() state = torch.tensor(state, dtype=torch.float32).unsqueeze(0) for t in range(1000): epsilon = 0.1 # epsilon-greedy策略中的epsilon action = q_learning.select_action(state, epsilon) next_state, reward, done, _ = env.step(action.item()) next_state = torch.tensor(next_state, dtype=torch.float32).unsqueeze(0) reward = torch.tensor([reward], dtype=torch.float32) if done: next_state = None memory.append(Transition(state, action, next_state, reward)) state = next_state q_learning.train(memory, batch_size=32) if done: break ``` 在我们的训练循环中,我们首先重置我们的环境,并将初始状态作为输入传递给我们的模型。然后,我们在每个时间步中选择一个行动,并与环境交互。我们将我们的经验添加到我们的缓存区中,并使用经验回放和Q学习算法来更新我们的模型。我们重复这个过程,直到我们完成了一个episode。 通过这种方式,我们可以使用PyTorch实现Q学习算法,并将其应用于CartPole环境。
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