重温强化学习之无模型学习方法：时间差分方法

1、时间差分方法简介

强化学习中最核心也是最新奇的想法

混合DP和MC思想：

       与MC类似，TD也从历史经验中学习；与DP类似使用后继状态的值函数更新当前状态的值函数

蒙特卡洛只是适用于片断性任务

属于无模型方法

       未知P,R，需要交互，样本备份，需要充分的探索

同时利用采样和贝尔曼方程

可以从不完整的片段中学习(通过自举法)

       可同时应用于片段性任务和连续性任务

通过估计来更新估计

自举法：通过对样本进行重采样得到的估计总体的方法

样本是总体进行采样，对样本进行采样得到重采样

不用自举法：样本－> 总体

使用自举法：重采样样本－> 样本 (重采样多次可以估计分布)   样本 －> 总体

强化学习中的自举法：利用一个估计去更新另一个估计

2、时间差分评价

时间差分策略评价算法

时间差分策略评价：

                                 

时间差分策略评价算法：

                                 

策略评价算法对比－TD和DP

                              

DP备份：全宽备份

                               

TD备份：

                            

利用采样进行估计

策略评价算法对比－TD和MC

MC备份：采样终止点为止

                               

例子：

                            

离开办公室预计回家需要30min；开到车，下雨啦调整估计，需要40min；下高速估计到家需要15min，总估30min；蹦到卡车，在卡车后面，再次估计需要40min，40min过去还在路上，估计还需要3min

 

蒙特卡洛：更新状态的预估，真正到家需要43min

                        

                       

TD和MC 的优缺点：

   TD算法在知道结果之前学习：

            TD算法在每一步之后都能在线学习

            MC算法必须等待回报值得到之后才能学习

   TD算法即便没有最终结果也能学习

          TD算法能够从不完整序列中学习

          MC算法仅仅能够从完整序列中学习

         TD算法适用于连续性任务和片段性任务

         MC算法仅仅适用于片段性任务

TD算法有多个驱动力：

         MC算法只有奖励值作为更新的驱动力

         TD算法有奖励值和状态转移作为更新的驱动力

 

偏差和方差权衡

       在监督学习中，偏差和方差有另外的理解－－欠拟合和过拟合

               偏差大(欠拟合)：预测值和样本之间的差

               方差大 (过拟合)：样本值之间的方差，学出的模型适用性差

      方差大意味着样本的置信度较差

      不同的机器学习方法会在两者之间做权衡（trade-off）

                          

                                             

RL中的偏差和方差权衡

                          

                                     

TD和MC对比：

       MC高方差，零偏差

              收敛性较好(采用函数逼近)，对初始值不太敏感，简单，容易理解和使用，随着样本数量的增加，方差逐渐减小，趋于0

      TD低方差，和一些偏差

              通常比MC效率更高，表格下TD(0)收敛到V(s)（函数逼近时不一定），对初始值更加敏感，随着样本数量的增加，偏差逐渐减少，趋近于0

批（batch）MC和TD

批MC指采样一部分样本

例子：

                        

确定性等价估计

    MC收敛到最小均方误差的解，是对样本回报值的最佳拟合

                                 

在上述例子中，V(A) = 0

  TD(0)收敛到最大似然马尔可夫模型中的解，是对马尔科夫链的最佳拟合，假设数据是来自P,R

                             

                                    

在例子中，V(A) = 0 + V(B) = 0.75

等价于内在动态过程是确定性的估计

 

TD利用马尔可夫性，一般来说TD在马尔可夫环境中更有效；MC没有利用马尔科夫性，一般对非马尔科夫环境更有效

其它比较维度

自举和采样：

   自举：使用随机变量的估计去更新（后继状态计算当前状态）MC没有自举，DP和TD都有自举

   采样：通过样本估计期望 MC和TD采样，DP不采样

从备份的角度分析区别：

 

DP和TD都是单不更新，所以是浅备份；TD和MC 采取采样的方式进行估计，所以是样本备份

 

3、时间差分优化

TD中的策略迭代：

广义策略迭代：

无模型得到策略评价比较难，不知道状态转移，所以采用Q函数；策略提升需要考虑到探索，必须得到有效的探索，使用带探索的提升

                                         

TD优化相比MC有几点好处：低方差：样本数据有限更新数据效率比较高；在线更新(online)，每走一步都更新，MC数据离线更新，需要一个路径走完；不完整序列中学习，连续型任务

在策略策略优化：

SARSA算法：

                                     

做一次策略评价，做一次策略提升

                                                    

在每个时间步骤（值迭代）

                                                  

                            

为什么是在策略的？

                              

Sarsa收敛性：

定理：

                                

GLIE是无限探索下的极限贪婪，保证充分他所，策略最终收敛到贪婪的策略，逐渐推荐为最优策略

Robbins-Monro保证不长足够大，足以克服任意的初始值，步长足够小，最终收敛（常量不长不满足）

期望Sarsa:

 

                               

                       

                              

                     

离策略TD评价：

                      

对Q函数的离策略学习：

                      

 

Q-学习：

                     

Q学习优化算法

                   

Q学习优化算法会收敛到最优的状态动作值函数

Q学习优化算法：

                    

DP和TD之间的关系：