强化学习的数学原理
【强化学习的数学原理】课程:从零开始到透彻理解(完结)
前三章的主线是:先描述智能体如何与环境交互,再评价一个给定策略,最后刻画最优策略。对应的数学工具依次是马尔可夫决策过程、贝尔曼方程、贝尔曼最优方程。
统一约定 :主要讨论有限状态、有限动作、时间齐次的无限时域折扣 MDP;奖励有界,折扣因子 0 ≤ γ < 1 0\leq\gamma<1 0 ≤ γ < 1 。策略默认是平稳马尔可夫策略。后文关于唯一解、收敛和确定性最优策略的结论均在这些条件下使用。大写 S t , A t , R t + 1 S_t,A_t,R_{t+1} S t , A t , R t + 1 表示随机变量,小写 s , a , r s,a,r s , a , r 表示具体取值;V π , Q π V^\pi,Q^\pi V π , Q π 与教材中的 v π , q π v_\pi,q_\pi v π , q π 含义相同。
Chap 1: Basic Concepts
1.1 智能体与环境(Agent and Environment)
强化学习研究智能体如何通过与环境交互,选择能够带来较高长期回报的行动。一次交互的时序为
S t → 选择 A t ( R t + 1 , S t + 1 ) .
S_t \xrightarrow{\text{选择 }A_t} (R_{t+1},S_{t+1}).
S t 选择 A t ( R t + 1 , S t + 1 ) . 智能体在时刻 t t t 观察状态 S t S_t S t ,选择动作 A t A_t A t ;环境随后给出奖励 R t + 1 R_{t+1} R t + 1 和下一状态 S t + 1 S_{t+1} S t + 1 。这里奖励下标采用 t + 1 t+1 t + 1 ,表示它是执行 A t A_t A t 后得到的反馈,不是执行下一动作 A t + 1 A_{t+1} A t + 1 后的反馈。
需要区分两个问题:环境规定采取行动后会发生什么,策略规定智能体选择什么行动。
1.2 状态与动作(State and Action)
State :The status of the agent with respect to the environment. 状态用于描述智能体及环境中与决策有关的信息,例如位置、速度、剩余电量;若任务依赖时间,也可能需要包含当前时间或剩余步数。所有可能状态构成状态空间(State Space),记为 S \mathcal S S 。
Action :智能体能够采取的行动,例如向前或向后走。状态 s s s 下允许采取的动作构成动作空间 A ( s ) \mathcal A(s) A ( s ) ,它可以依赖当前状态。不能在某状态下执行的动作,不应混入该状态的求和或最大化运算。
State Transition :智能体采取一个动作后,状态按照环境规律转移的过程。转移也可能返回原状态;“发生转移”不意味着状态本身一定改变。
状态不一定等于传感器的一次观测。例如,车辆的位置相同而速度不同,下一时刻的位置分布可能不同;仅用位置作为状态可能丢失必要信息。设计状态时,要尽量保留预测未来所需的信息,这与下文的马尔可夫性质有关。
1.3 状态转移概率(State Transition Probability)
给定当前状态和动作,定义
p ( s ′ ∣ s , a ) = Pr ( S t + 1 = s ′ ∣ S t = s , A t = a ) .
p(s'\mid s,a)=\Pr(S_{t+1}=s'\mid S_t=s,A_t=a).
p ( s ′ ∣ s , a ) = Pr ( S t + 1 = s ′ ∣ S t = s , A t = a ) . 对每个合法状态动作对 ( s , a ) (s,a) ( s , a ) ,有
p ( s ′ ∣ s , a ) ≥ 0 , ∑ s ′ ∈ S p ( s ′ ∣ s , a ) = 1.
p(s'\mid s,a)\geq0,\qquad
\sum_{s'\in\mathcal S}p(s'\mid s,a)=1.
p ( s ′ ∣ s , a ) ≥ 0 , s ′ ∈ S ∑ p ( s ′ ∣ s , a ) = 1.
确定性环境:某个下一状态的概率为 1 1 1 ,其余为 0 0 0 。
随机环境:同一 ( s , a ) (s,a) ( s , a ) 可能产生不同的下一状态。例如“向右走”可能因打滑而向上移动。
环境随机性与策略随机性是两回事:即使动作选择完全确定,环境仍可能随机;即使环境完全确定,智能体也可以随机选择动作。
1.4 策略(Policy)
策略是智能体根据状态选择动作的规则。平稳随机策略写为
π ( a ∣ s ) = Pr ( A t = a ∣ S t = s ) , ∑ a ∈ A ( s ) π ( a ∣ s ) = 1.
\pi(a\mid s)=\Pr(A_t=a\mid S_t=s),\qquad
\sum_{a\in\mathcal A(s)}\pi(a\mid s)=1.
π ( a ∣ s ) = Pr ( A t = a ∣ S t = s ) , a ∈ A ( s ) ∑ π ( a ∣ s ) = 1. “平稳”表示这条规则不显式依赖 t t t ;“马尔可夫”表示选择动作只依赖当前状态,而不额外依赖完整历史。
确定性策略是随机策略的特例:对每个状态指定一个动作 μ ( s ) \mu(s) μ ( s ) ,使
π ( a ∣ s ) = { 1 , a = μ ( s ) , 0 , a ≠ μ ( s ) .
\pi(a\mid s)=
\begin{cases}
1,&a=\mu(s),\\
0,&a\neq\mu(s).
\end{cases}
π ( a ∣ s ) = { 1 , 0 , a = μ ( s ) , a = μ ( s ) . 策略是覆盖各个状态的决策规则,不是预先排好的一串动作。环境可能把智能体带到不同状态,策略必须说明到达这些状态后如何继续行动。
1.5 奖励(Reward)
奖励是环境给出的数值反馈,表示当前一步的得失。它可以为正、为负或为零,也可以是随机变量。为避免把随机奖励与平均奖励混淆,记
r ˉ ( s , a ) = E [ R t + 1 ∣ S t = s , A t = a ] .
\bar r(s,a)=\mathbb E[R_{t+1}\mid S_t=s,A_t=a].
r ˉ ( s , a ) = E [ R t + 1 ∣ S t = s , A t = a ] . 若奖励取离散值,也可以写成 r ˉ ( s , a ) = ∑ r p ( r ∣ s , a ) r \bar r(s,a)=\sum_r p(r\mid s,a)r r ˉ ( s , a ) = ∑ r p ( r ∣ s , a ) r 。
更完整的环境模型使用下一状态与奖励的联合分布:
p ( s ′ , r ∣ s , a ) = Pr ( S t + 1 = s ′ , R t + 1 = r ∣ S t = s , A t = a ) .
p(s',r\mid s,a)
=\Pr(S_{t+1}=s',R_{t+1}=r\mid S_t=s,A_t=a).
p ( s ′ , r ∣ s , a ) = Pr ( S t + 1 = s ′ , R t + 1 = r ∣ S t = s , A t = a ) . 它给出
p ( s ′ ∣ s , a ) = ∑ r p ( s ′ , r ∣ s , a ) , r ˉ ( s , a ) = ∑ s ′ , r p ( s ′ , r ∣ s , a ) r .
p(s'\mid s,a)=\sum_r p(s',r\mid s,a),\qquad
\bar r(s,a)=\sum_{s',r}p(s',r\mid s,a)r.
p ( s ′ ∣ s , a ) = r ∑ p ( s ′ , r ∣ s , a ) , r ˉ ( s , a ) = s ′ , r ∑ p ( s ′ , r ∣ s , a ) r . 这样允许奖励与下一状态相关,不必假设二者独立。连续奖励时,将关于奖励的求和换成相应积分即可。
奖励描述目标,不直接指定正确动作。 一步奖励较大,不代表长期更好;为获得将来的收益,有时需要先付出代价。奖励设计若偏离真正目标,即使求得该奖励下的最优策略,也可能得到不符合实际意图的行为。
1.6 轨迹、回合与回报(Trajectory, Episode and Return)
一条轨迹是交互产生的序列:
S 0 , A 0 , R 1 , S 1 , A 1 , R 2 , S 2 , …
S_0,A_0,R_1,S_1,A_1,R_2,S_2,\ldots
S 0 , A 0 , R 1 , S 1 , A 1 , R 2 , S 2 , … 它是一次随机实现,不等同于环境模型或策略。若任务在终止时刻 T T T 结束,从起点到终点的一次完整交互称为一个回合(Episode);没有自然结束点的任务称为持续型任务(Continuing Task)。
从时刻 t t t 开始的折扣回报定义为
G t = ∑ k = 0 ∞ γ k R t + k + 1 = R t + 1 + γ R t + 2 + γ 2 R t + 3 + ⋯ .
G_t=\sum_{k=0}^{\infty}\gamma^kR_{t+k+1}
=R_{t+1}+\gamma R_{t+2}+\gamma^2R_{t+3}+\cdots.
G t = k = 0 ∑ ∞ γ k R t + k + 1 = R t + 1 + γ R t + 2 + γ 2 R t + 3 + ⋯ .
γ = 0 \gamma=0 γ = 0 :只考虑下一步奖励。
γ \gamma γ 越接近 1 1 1 :相同远期奖励的权重越大。
若 ∣ R t ∣ ≤ R max |R_t|\leq R_{\max} ∣ R t ∣ ≤ R m a x ,则 ∣ G t ∣ ≤ R max / ( 1 − γ ) |G_t|\leq R_{\max}/(1-\gamma) ∣ G t ∣ ≤ R m a x / ( 1 − γ ) ,无限和绝对收敛。
因此,折扣既表达对远期收益的权重,也为无限时域分析提供收敛保证。截断到前 N N N 项时,尾项误差至多为 R max γ N / ( 1 − γ ) R_{\max}\gamma^N/(1-\gamma) R m a x γ N / ( 1 − γ ) ,这正是几何级数余项估计。
对回合型任务,回报可写为
G t = ∑ k = 0 T − t − 1 γ k R t + k + 1 , G T = 0.
G_t=\sum_{k=0}^{T-t-1}\gamma^kR_{t+k+1},\qquad G_T=0.
G t = k = 0 ∑ T − t − 1 γ k R t + k + 1 , G T = 0. 也可以在终止后补上一个奖励恒为零的吸收状态,使有限和与无限和写法统一。进入终止状态那一步的奖励仍然计入回报。若取 γ = 1 \gamma=1 γ = 1 ,则需另外保证回报及其期望存在,不能直接套用后文的折扣收敛证明。
1.7 马尔可夫决策过程(Markov Decision Process)
可将环境及目标记为
M = ( S , { A ( s ) } s ∈ S , p , γ ) ,
\mathcal M=(\mathcal S,\{\mathcal A(s)\}_{s\in\mathcal S},p,\gamma),
M = ( S , { A ( s ) } s ∈ S , p , γ ) , 其中 p p p 指联合转移奖励模型 p ( s ′ , r ∣ s , a ) p(s',r\mid s,a) p ( s ′ , r ∣ s , a ) ,已经包含奖励信息;也常把转移模型与奖励函数分开列出。策略是作用在该 MDP 上的决策规则,一般不作为待固定的环境组成部分。
令历史为 H t = ( S 0 , A 0 , R 1 , … , S t ) H_t=(S_0,A_0,R_1,\ldots,S_t) H t = ( S 0 , A 0 , R 1 , … , S t ) 。马尔可夫性质要求
Pr ( S t + 1 = s ′ , R t + 1 = r ∣ H t , A t ) = p ( s ′ , r ∣ S t , A t ) .
\Pr(S_{t+1}=s',R_{t+1}=r\mid H_t,A_t)
=p(s',r\mid S_t,A_t).
Pr ( S t + 1 = s ′ , R t + 1 = r ∣ H t , A t ) = p ( s ′ , r ∣ S t , A t ) . 含义是:给定当前状态和动作后,更早的历史不再提供预测下一状态和奖励所需的额外信息。 它不是说“未来与过去无关”,而是说当前状态已经概括了相关历史。
“时间齐次”则要求右边的模型不随 t t t 改变。马尔可夫性与时间齐次性是不同假设。固定一个平稳策略后,状态转移概率变成
P π ( s , s ′ ) = ∑ a ∈ A ( s ) π ( a ∣ s ) p ( s ′ ∣ s , a ) ,
P^\pi(s,s')=\sum_{a\in\mathcal A(s)}\pi(a\mid s)p(s'\mid s,a),
P π ( s , s ′ ) = a ∈ A ( s ) ∑ π ( a ∣ s ) p ( s ′ ∣ s , a ) , 于是受控的 MDP 诱导出一个马尔可夫链。第二章就用这个转移矩阵评价策略。
1.8 贯穿算例:现在获利还是先升级
考虑一个两状态持续型任务,取 γ = 0.9 \gamma=0.9 γ = 0.9 :
状态 s 1 s_1 s 1 表示普通模式。有两个动作:a s t a y a_{\mathrm{stay}} a stay 获得奖励 1 1 1 并留在 s 1 s_1 s 1 ;a u p a_{\mathrm{up}} a up 获得奖励 0 0 0 并转入 s 2 s_2 s 2 。
状态 s 2 s_2 s 2 表示高收益模式。只有一个动作 a e a r n a_{\mathrm{earn}} a earn ,每步获得奖励 2 2 2 并留在 s 2 s_2 s 2 。
所有转移和奖励均确定;不设终止状态。
一直留在 s 1 s_1 s 1 ,回报为 1 / ( 1 − 0.9 ) = 10 1/(1-0.9)=10 1/ ( 1 − 0.9 ) = 10 ;立刻升级后持续获利,回报为 0 + 0.9 × 2 / ( 1 − 0.9 ) = 18 0+0.9\times2/(1-0.9)=18 0 + 0.9 × 2/ ( 1 − 0.9 ) = 18 。升级的即时奖励较低,但长期回报更高。
下一章先不寻找最优策略,而是评价一个给定随机策略:在 s 1 s_1 s 1 以各 1 / 2 1/2 1/2 的概率选择两个动作,在 s 2 s_2 s 2 选择唯一动作。
Chap 2: Bellman Equation
2.1 状态价值(State Value)
同一状态出发,因策略或环境的随机性,不同轨迹可能有不同回报。用期望概括一个给定策略的长期表现:
V π ( s ) = E π [ G t ∣ S t = s ] .
V^\pi(s)=\mathbb E_\pi[G_t\mid S_t=s].
V π ( s ) = E π [ G t ∣ S t = s ] . 这里的含义是“从 s s s 开始,此后一直按 π \pi π 行动,能够获得多少期望折扣回报”。下标 π \pi π 提醒我们:期望同时包含动作选择和环境反馈的随机性。
三个容易混淆的量:
R t + 1 R_{t+1} R t + 1 :一次交互中的即时奖励。
G t G_t G t :一条轨迹上未来奖励的折扣和,是随机变量。
V π ( s ) V^\pi(s) V π ( s ) :从状态 s s s 出发的回报期望,是给定策略下的确定数值。
在时间齐次环境和固定平稳策略下,V π ( s ) V^\pi(s) V π ( s ) 不必带时间下标;有限时域任务若剩余时间影响决策,则需写成 V t π ( s ) V_t^\pi(s) V t π ( s ) ,或将剩余时间并入状态。
2.2 从回报递推推导贝尔曼方程
首先把回报的第一项分离出来:
G t = R t + 1 + γ ( R t + 2 + γ R t + 3 + ⋯ ) = R t + 1 + γ G t + 1 .
\begin{aligned}
G_t
&=R_{t+1}+\gamma(R_{t+2}+\gamma R_{t+3}+\cdots)\\
&=R_{t+1}+\gamma G_{t+1}.
\end{aligned}
G t = R t + 1 + γ ( R t + 2 + γ R t + 3 + ⋯ ) = R t + 1 + γ G t + 1 . 对当前状态求条件期望,利用期望的线性性:
V π ( s ) = E π [ R t + 1 + γ G t + 1 ∣ S t = s ] .
V^\pi(s)=\mathbb E_\pi[R_{t+1}+\gamma G_{t+1}\mid S_t=s].
V π ( s ) = E π [ R t + 1 + γ G t + 1 ∣ S t = s ] . 再按当前动作、下一状态和奖励展开全期望:
V π ( s ) = ∑ a π ( a ∣ s ) ∑ s ′ , r p ( s ′ , r ∣ s , a ) [ r + γ E π [ G t + 1 ∣ S t = s , A t = a , S t + 1 = s ′ , R t + 1 = r ] ] .
V^\pi(s)=\sum_a\pi(a\mid s)\sum_{s',r}p(s',r\mid s,a)
\left[r+\gamma\mathbb E_\pi[G_{t+1}\mid S_t=s,A_t=a,S_{t+1}=s',R_{t+1}=r]\right].
V π ( s ) = a ∑ π ( a ∣ s ) s ′ , r ∑ p ( s ′ , r ∣ s , a ) [ r + γ E π [ G t + 1 ∣ S t = s , A t = a , S t + 1 = s ′ , R t + 1 = r ] ] . 由于马尔可夫性质,且下一步起仍使用同一策略,括号内的未来回报期望等于 V π ( s ′ ) V^\pi(s') V π ( s ′ ) 。因此
V π ( s ) = ∑ a ∈ A ( s ) π ( a ∣ s ) ∑ s ′ , r p ( s ′ , r ∣ s , a ) [ r + γ V π ( s ′ ) ] .
V^\pi(s)=\sum_{a\in\mathcal A(s)}\pi(a\mid s)
\sum_{s',r}p(s',r\mid s,a)\left[r+\gamma V^\pi(s')\right].
V π ( s ) = a ∈ A ( s ) ∑ π ( a ∣ s ) s ′ , r ∑ p ( s ′ , r ∣ s , a ) [ r + γ V π ( s ′ ) ] . 将即时奖励取期望,得到更常用的形式:
V π ( s ) = ∑ a ∈ A ( s ) π ( a ∣ s ) [ r ˉ ( s , a ) + γ ∑ s ′ ∈ S p ( s ′ ∣ s , a ) V π ( s ′ ) ] .
\boxed{
V^\pi(s)=\sum_{a\in\mathcal A(s)}\pi(a\mid s)
\left[\bar r(s,a)+\gamma\sum_{s'\in\mathcal S}p(s'\mid s,a)V^\pi(s')\right].
}
V π ( s ) = a ∈ A ( s ) ∑ π ( a ∣ s ) [ r ˉ ( s , a ) + γ s ′ ∈ S ∑ p ( s ′ ∣ s , a ) V π ( s ′ ) ] . 这就是给定策略下的贝尔曼方程(Bellman Equation,也称 Bellman Expectation Equation)。两层平均分别对应“当前选哪个动作”和“环境把我带到哪里”。它把无限长的未来压缩为一步奖励和下一状态价值之间的关系。
这里不需要奖励与下一状态独立。 将联合形式拆成两项只用了期望的线性性;不能反过来把联合概率擅自写成两个边缘概率的乘积。
2.3 矩阵形式与唯一解
设 S = { s 1 , … , s n } \mathcal S=\{s_1,\ldots,s_n\} S = { s 1 , … , s n } ,将各状态价值排成列向量 v π \mathbf v^\pi v π 。定义
[ r π ] i = ∑ a π ( a ∣ s i ) r ˉ ( s i , a ) , [ P π ] i j = ∑ a π ( a ∣ s i ) p ( s j ∣ s i , a ) .
[\mathbf r^\pi]_i=\sum_a\pi(a\mid s_i)\bar r(s_i,a),\qquad
[P^\pi]_{ij}=\sum_a\pi(a\mid s_i)p(s_j\mid s_i,a).
[ r π ] i = a ∑ π ( a ∣ s i ) r ˉ ( s i , a ) , [ P π ] ij = a ∑ π ( a ∣ s i ) p ( s j ∣ s i , a ) . 矩阵 P π P^\pi P π 的行对应当前状态,列对应下一状态;各元素非负,每行和为 1 1 1 。将 n n n 个标量方程放在一起:
v π = r π + γ P π v π , ( I − γ P π ) v π = r π .
\mathbf v^\pi=\mathbf r^\pi+\gamma P^\pi\mathbf v^\pi,
\qquad
(I-\gamma P^\pi)\mathbf v^\pi=\mathbf r^\pi.
v π = r π + γ P π v π , ( I − γ P π ) v π = r π . 因此形式解为
v π = ( I − γ P π ) − 1 r π .
\boxed{\mathbf v^\pi=(I-\gamma P^\pi)^{-1}\mathbf r^\pi.}
v π = ( I − γ P π ) − 1 r π . 为什么可以求逆?利用矩阵无穷范数 ∥ P π ∥ ∞ = 1 \|P^\pi\|_\infty=1 ∥ P π ∥ ∞ = 1 ,有 ∥ γ P π ∥ ∞ = γ < 1 \|\gamma P^\pi\|_\infty=\gamma<1 ∥ γ P π ∥ ∞ = γ < 1 ,故 Neumann 级数收敛:
( I − γ P π ) − 1 = ∑ k = 0 ∞ γ k ( P π ) k .
(I-\gamma P^\pi)^{-1}=\sum_{k=0}^{\infty}\gamma^k(P^\pi)^k.
( I − γ P π ) − 1 = k = 0 ∑ ∞ γ k ( P π ) k . 这既证明解存在且唯一,又给出概率解释:
v π = r π + γ P π r π + γ 2 ( P π ) 2 r π + ⋯ .
\mathbf v^\pi=\mathbf r^\pi+\gamma P^\pi\mathbf r^\pi
+\gamma^2(P^\pi)^2\mathbf r^\pi+\cdots.
v π = r π + γ P π r π + γ 2 ( P π ) 2 r π + ⋯ . 其中 ( P π ) k r π (P^\pi)^k\mathbf r^\pi ( P π ) k r π 的第 i i i 个分量,是从 s i s_i s i 出发、按策略经过 k k k 次转移后,再获得的一步奖励的期望。
从数值分析角度,实际计算通常应求解线性方程组,而非显式形成逆矩阵。闭式表达式主要用于理论分析;状态很多或模型未知时,直接求解通常不可行。
2.4 固定策略下的不动点迭代
定义贝尔曼期望算子
T π v = r π + γ P π v .
T^\pi\mathbf v=\mathbf r^\pi+\gamma P^\pi\mathbf v.
T π v = r π + γ P π v . 价值向量是它的不动点:T π v π = v π T^\pi\mathbf v^\pi=\mathbf v^\pi T π v π = v π 。对任意两个向量,
∥ T π v − T π w ∥ ∞ ≤ γ ∥ v − w ∥ ∞ .
\|T^\pi\mathbf v-T^\pi\mathbf w\|_\infty
\leq\gamma\|\mathbf v-\mathbf w\|_\infty.
∥ T π v − T π w ∥ ∞ ≤ γ ∥ v − w ∥ ∞ . 所以反复代入 v k + 1 = T π v k \mathbf v_{k+1}=T^\pi\mathbf v_k v k + 1 = T π v k ,从任意有限初值都收敛到 v π \mathbf v^\pi v π ,并满足
∥ v k − v π ∥ ∞ ≤ γ k ∥ v 0 − v π ∥ ∞ .
\|\mathbf v_k-\mathbf v^\pi\|_\infty
\leq\gamma^k\|\mathbf v_0-\mathbf v^\pi\|_\infty.
∥ v k − v π ∥ ∞ ≤ γ k ∥ v 0 − v π ∥ ∞ . 这就是熟悉的压缩映射迭代。这里 k k k 是求解器的迭代次数,不是环境中的时间 t t t 。它评价的是固定策略,过程中并没有自动把策略变优。
2.5 动作价值(Action Value)及其与状态价值的关系
定义
Q π ( s , a ) = E π [ G t ∣ S t = s , A t = a ] .
Q^\pi(s,a)=\mathbb E_\pi[G_t\mid S_t=s,A_t=a].
Q π ( s , a ) = E π [ G t ∣ S t = s , A t = a ] . 准确理解是:从 s s s 开始,第一步指定执行 a a a ,从下一步起再遵循 π \pi π 。即使 π ( a ∣ s ) = 0 \pi(a\mid s)=0 π ( a ∣ s ) = 0 ,也可以通过这种“指定第一步”的方式定义该动作价值。
由一步展开,
Q π ( s , a ) = r ˉ ( s , a ) + γ ∑ s ′ p ( s ′ ∣ s , a ) V π ( s ′ ) .
\boxed{Q^\pi(s,a)=\bar r(s,a)+\gamma\sum_{s'}p(s'\mid s,a)V^\pi(s').}
Q π ( s , a ) = r ˉ ( s , a ) + γ s ′ ∑ p ( s ′ ∣ s , a ) V π ( s ′ ) . 反过来,在状态 s s s 按策略随机选择第一步动作:
V π ( s ) = ∑ a π ( a ∣ s ) Q π ( s , a ) .
\boxed{V^\pi(s)=\sum_a\pi(a\mid s)Q^\pi(s,a).}
V π ( s ) = a ∑ π ( a ∣ s ) Q π ( s , a ) . 合并两式即可得到动作价值版本的贝尔曼方程:
Q π ( s , a ) = r ˉ ( s , a ) + γ ∑ s ′ p ( s ′ ∣ s , a ) ∑ a ′ ∈ A ( s ′ ) π ( a ′ ∣ s ′ ) Q π ( s ′ , a ′ ) .
Q^\pi(s,a)=\bar r(s,a)+\gamma\sum_{s'}p(s'\mid s,a)
\sum_{a'\in\mathcal A(s')}\pi(a'\mid s')Q^\pi(s',a').
Q π ( s , a ) = r ˉ ( s , a ) + γ s ′ ∑ p ( s ′ ∣ s , a ) a ′ ∈ A ( s ′ ) ∑ π ( a ′ ∣ s ′ ) Q π ( s ′ , a ′ ) . V π V^\pi V π 评价“处在这里怎么样”,Q π Q^\pi Q π 评价“在这里先做这个动作怎么样”。两者都包含未来收益;Q π Q^\pi Q π 不是即时奖励。它尤其适合比较同一状态下的不同动作。
2.6 贯穿算例:评价随机策略
继续使用第 1.8 节的环境与各 1 / 2 1/2 1/2 随机策略。简写 V 1 = V π ( s 1 ) V_1=V^\pi(s_1) V 1 = V π ( s 1 ) 、V 2 = V π ( s 2 ) V_2=V^\pi(s_2) V 2 = V π ( s 2 ) ,有
V 2 = 2 + 0.9 V 2 , V 1 = 1 2 ( 1 + 0.9 V 1 ) + 1 2 ( 0 + 0.9 V 2 ) .
\begin{aligned}
V_2&=2+0.9V_2,\\
V_1&=\tfrac12(1+0.9V_1)+\tfrac12(0+0.9V_2).
\end{aligned}
V 2 V 1 = 2 + 0.9 V 2 , = 2 1 ( 1 + 0.9 V 1 ) + 2 1 ( 0 + 0.9 V 2 ) . 先求出 V 2 = 20 V_2=20 V 2 = 20 ,代入得
0.55 V 1 = 9.5 , V 1 = 190 11 ≈ 17.2727.
0.55V_1=9.5,\qquad V_1=\frac{190}{11}\approx17.2727.
0.55 V 1 = 9.5 , V 1 = 11 190 ≈ 17.2727. 对应的矩阵方程是
P π = ( 1 / 2 1 / 2 0 1 ) , r π = ( 1 / 2 2 ) , ( 11 / 20 − 9 / 20 0 1 / 10 ) ( V 1 V 2 ) = ( 1 / 2 2 ) .
P^\pi=\begin{pmatrix}1/2&1/2\\0&1\end{pmatrix},\qquad
\mathbf r^\pi=\begin{pmatrix}1/2\\2\end{pmatrix},\qquad
\begin{pmatrix}11/20&-9/20\\0&1/10\end{pmatrix}
\begin{pmatrix}V_1\\V_2\end{pmatrix}
=\begin{pmatrix}1/2\\2\end{pmatrix}.
P π = ( 1/2 0 1/2 1 ) , r π = ( 1/2 2 ) , ( 11/20 0 − 9/20 1/10 ) ( V 1 V 2 ) = ( 1/2 2 ) . 再计算动作价值:
Q π ( s 1 , a s t a y ) = 1 + 0.9 190 11 = 182 11 ≈ 16.5455 , Q π ( s 1 , a u p ) = 0 + 0.9 × 20 = 18.
\begin{aligned}
Q^\pi(s_1,a_{\mathrm{stay}})&=1+0.9\frac{190}{11}=\frac{182}{11}\approx16.5455,\\
Q^\pi(s_1,a_{\mathrm{up}})&=0+0.9\times20=18.
\end{aligned}
Q π ( s 1 , a stay ) Q π ( s 1 , a up ) = 1 + 0.9 11 190 = 11 182 ≈ 16.5455 , = 0 + 0.9 × 20 = 18. 验证:1 2 × 182 / 11 + 1 2 × 18 = 190 / 11 = V 1 \tfrac12\times182/11+\tfrac12\times18=190/11=V_1 2 1 × 182/11 + 2 1 × 18 = 190/11 = V 1 。
注意,第一个动作价值不是一直留下的回报 10 10 10 ,因为它只规定第一步留下;以后仍按原随机策略行动,还有机会升级。升级动作的价值更高,提示我们可以改善原策略,但“最优”还需要第三章的论证。
Chap 3: Bellman Optimality Equation
3.1 最优价值与最优策略(Optimal Value and Policy)
对两个策略,若对所有状态都有 V π 1 ( s ) ≥ V π 2 ( s ) V^{\pi_1}(s)\geq V^{\pi_2}(s) V π 1 ( s ) ≥ V π 2 ( s ) ,则称 π 1 \pi_1 π 1 不差于 π 2 \pi_2 π 2 。这是一种逐状态的偏序:两个策略也可能各自在不同状态更好,不能简单排出总顺序。
最优价值定义为
V ∗ ( s ) = sup π V π ( s ) , Q ∗ ( s , a ) = sup π Q π ( s , a ) .
V^*(s)=\sup_\pi V^\pi(s),\qquad Q^*(s,a)=\sup_\pi Q^\pi(s,a).
V ∗ ( s ) = π sup V π ( s ) , Q ∗ ( s , a ) = π sup Q π ( s , a ) . 在本文的有限折扣设定下,存在一个平稳确定性策略 π ∗ \pi^* π ∗ ,同时对所有状态达到最优值:
V π ∗ ( s ) = V ∗ ( s ) , ∀ s ∈ S .
V^{\pi^*}(s)=V^*(s),\qquad\forall s\in\mathcal S.
V π ∗ ( s ) = V ∗ ( s ) , ∀ s ∈ S . 因此这里的上确界可以达到,可写成最大值。先用 sup \sup sup 定义,再证明存在性,可以避免把“每个状态各有一个最优选择”未经证明就当成“同一个策略对所有状态最优”。
3.2 从策略平均到动作最大化
给定一个候选未来价值函数 v v v ,定义一次动作的前瞻值
b v ( s , a ) = r ˉ ( s , a ) + γ ∑ s ′ p ( s ′ ∣ s , a ) v ( s ′ ) .
b_v(s,a)=\bar r(s,a)+\gamma\sum_{s'}p(s'\mid s,a)v(s').
b v ( s , a ) = r ˉ ( s , a ) + γ s ′ ∑ p ( s ′ ∣ s , a ) v ( s ′ ) . 若按概率分布 π ( ⋅ ∣ s ) \pi(\cdot\mid s) π ( ⋅ ∣ s ) 选择动作,得到加权平均 ∑ a π ( a ∣ s ) b v ( s , a ) \sum_a\pi(a\mid s)b_v(s,a) ∑ a π ( a ∣ s ) b v ( s , a ) 。任何加权平均都不超过其中最大项,而把全部概率放在一个最大项上就能取到上界。因此
max π ( ⋅ ∣ s ) ∑ a π ( a ∣ s ) b v ( s , a ) = max a ∈ A ( s ) b v ( s , a ) .
\max_{\pi(\cdot\mid s)}\sum_a\pi(a\mid s)b_v(s,a)
=\max_{a\in\mathcal A(s)}b_v(s,a).
π ( ⋅ ∣ s ) max a ∑ π ( a ∣ s ) b v ( s , a ) = a ∈ A ( s ) max b v ( s , a ) . 当未来也按最优方式行动时,得到贝尔曼最优方程(Bellman Optimality Equation,BOE):
V ∗ ( s ) = max a ∈ A ( s ) [ r ˉ ( s , a ) + γ ∑ s ′ p ( s ′ ∣ s , a ) V ∗ ( s ′ ) ] .
\boxed{
V^*(s)=\max_{a\in\mathcal A(s)}
\left[\bar r(s,a)+\gamma\sum_{s'}p(s'\mid s,a)V^*(s')\right].
}
V ∗ ( s ) = a ∈ A ( s ) max [ r ˉ ( s , a ) + γ s ′ ∑ p ( s ′ ∣ s , a ) V ∗ ( s ′ ) ] . 这里最大化的是“即时奖励加未来价值”,不是仅最大化 r ˉ ( s , a ) \bar r(s,a) r ˉ ( s , a ) 。环境转移依然随机,因此下一状态上的求和不能换成最大值;智能体能选择动作,不能选择环境随机结果。
3.3 最优动作价值与贪心策略
最优状态价值和动作价值满足
Q ∗ ( s , a ) = r ˉ ( s , a ) + γ ∑ s ′ p ( s ′ ∣ s , a ) V ∗ ( s ′ ) , V ∗ ( s ) = max a Q ∗ ( s , a ) .
Q^*(s,a)=\bar r(s,a)+\gamma\sum_{s'}p(s'\mid s,a)V^*(s'),\qquad
V^*(s)=\max_aQ^*(s,a).
Q ∗ ( s , a ) = r ˉ ( s , a ) + γ s ′ ∑ p ( s ′ ∣ s , a ) V ∗ ( s ′ ) , V ∗ ( s ) = a max Q ∗ ( s , a ) . 代入得到动作价值形式的 BOE:
Q ∗ ( s , a ) = r ˉ ( s , a ) + γ ∑ s ′ p ( s ′ ∣ s , a ) max a ′ ∈ A ( s ′ ) Q ∗ ( s ′ , a ′ ) .
\boxed{
Q^*(s,a)=\bar r(s,a)+\gamma\sum_{s'}p(s'\mid s,a)
\max_{a'\in\mathcal A(s')}Q^*(s',a').
}
Q ∗ ( s , a ) = r ˉ ( s , a ) + γ s ′ ∑ p ( s ′ ∣ s , a ) a ′ ∈ A ( s ′ ) max Q ∗ ( s ′ , a ′ ) . 注意运算顺序:先到达并观察下一状态 s ′ s' s ′ ,再为这个状态选择最好的 a ′ a' a ′ ,所以最大化在对 s ′ s' s ′ 的求和内部。
已知 Q ∗ Q^* Q ∗ 时,可在每个状态任取
a ∗ ( s ) ∈ arg max a ∈ A ( s ) Q ∗ ( s , a )
a^*(s)\in\operatorname*{arg\,max}_{a\in\mathcal A(s)}Q^*(s,a)
a ∗ ( s ) ∈ a ∈ A ( s ) arg max Q ∗ ( s , a ) 并令 π ∗ ( a ∗ ( s ) ∣ s ) = 1 \pi^*(a^*(s)\mid s)=1 π ∗ ( a ∗ ( s ) ∣ s ) = 1 。这称为对最优动作价值的贪心策略。“贪心”在这里并不短视,因为 Q ∗ Q^* Q ∗ 本身已经考虑全部折扣未来。
3.4 最优算子、非线性与压缩性
定义贝尔曼最优算子
( T ∗ v ) ( s ) = max a [ r ˉ ( s , a ) + γ ∑ s ′ p ( s ′ ∣ s , a ) v ( s ′ ) ] .
(T^*v)(s)=\max_a\left[\bar r(s,a)+\gamma\sum_{s'}p(s'\mid s,a)v(s')\right].
( T ∗ v ) ( s ) = a max [ r ˉ ( s , a ) + γ s ′ ∑ p ( s ′ ∣ s , a ) v ( s ′ ) ] . 于是 BOE 为 V ∗ = T ∗ V ∗ V^*=T^*V^* V ∗ = T ∗ V ∗ 。矩阵记法为
v ∗ = max π { r π + γ P π v ∗ } ,
\mathbf v^*=\max_\pi\{\mathbf r^\pi+\gamma P^\pi\mathbf v^*\},
v ∗ = π max { r π + γ P π v ∗ } , 其中最大值逐分量理解,各状态分别选择动作。与固定策略的线性方程不同,最大动作可能随 v v v 改变,故 T ∗ T^* T ∗ 一般是非线性的,不能在求解前就假定一个已知的最优转移矩阵。
证明它是压缩映射,只需用到
∣ max a x a − max a y a ∣ ≤ max a ∣ x a − y a ∣ .
\left|\max_a x_a-\max_a y_a\right|\leq\max_a|x_a-y_a|.
a max x a − a max y a ≤ a max ∣ x a − y a ∣. 对任意 v , w v,w v , w 和状态 s s s ,
∣ ( T ∗ v ) ( s ) − ( T ∗ w ) ( s ) ∣ ≤ γ max a ∣ ∑ s ′ p ( s ′ ∣ s , a ) [ v ( s ′ ) − w ( s ′ ) ] ∣ ≤ γ max a ∑ s ′ p ( s ′ ∣ s , a ) ∥ v − w ∥ ∞ = γ ∥ v − w ∥ ∞ .
\begin{aligned}
|(T^*v)(s)-(T^*w)(s)|
&\leq\gamma\max_a\left|\sum_{s'}p(s'\mid s,a)[v(s')-w(s')]\right|\\
&\leq\gamma\max_a\sum_{s'}p(s'\mid s,a)\|v-w\|_\infty\\
&=\gamma\|v-w\|_\infty.
\end{aligned}
∣ ( T ∗ v ) ( s ) − ( T ∗ w ) ( s ) ∣ ≤ γ a max s ′ ∑ p ( s ′ ∣ s , a ) [ v ( s ′ ) − w ( s ′ )] ≤ γ a max s ′ ∑ p ( s ′ ∣ s , a ) ∥ v − w ∥ ∞ = γ ∥ v − w ∥ ∞ . 因此
∥ T ∗ v − T ∗ w ∥ ∞ ≤ γ ∥ v − w ∥ ∞ .
\boxed{\|T^*v-T^*w\|_\infty\leq\gamma\|v-w\|_\infty.}
∥ T ∗ v − T ∗ w ∥ ∞ ≤ γ ∥ v − w ∥ ∞ . 有限维空间 R ∣ S ∣ \mathbb R^{|\mathcal S|} R ∣ S ∣ 在无穷范数下完备,压缩映射定理保证 T ∗ T^* T ∗ 有唯一不动点 u u u ,且 v k + 1 = T ∗ v k v_{k+1}=T^*v_k v k + 1 = T ∗ v k 从任意初值收敛到 u u u 。
3.5 为什么这个唯一不动点就是最优价值
第一步:它确实对应一个策略的价值。 对不动点 u u u ,在每个状态选择使 ( T ∗ u ) ( s ) (T^*u)(s) ( T ∗ u ) ( s ) 达到最大值的动作,构造确定性策略 μ \mu μ 。于是
u = T ∗ u = T μ u .
u=T^*u=T^\mu u.
u = T ∗ u = T μ u . 固定策略 μ \mu μ 的贝尔曼方程只有一个解,所以 u = V μ u=V^\mu u = V μ 。
第二步:它不差于任何其他策略。 对任意平稳策略 π \pi π ,最大值不小于平均值,故
u = T ∗ u ≥ T π u .
u=T^*u\geq T^\pi u.
u = T ∗ u ≥ T π u . 算子 T π T^\pi T π 保持逐分量大小关系,因为转移概率非负。反复应用它并取极限:
u ≥ T π u ≥ ( T π ) 2 u ≥ ⋯ ⟶ V π .
u\geq T^\pi u\geq(T^\pi)^2u\geq\cdots
\longrightarrow V^\pi.
u ≥ T π u ≥ ( T π ) 2 u ≥ ⋯ ⟶ V π . 因此 u = V μ ≥ V π u=V^\mu\geq V^\pi u = V μ ≥ V π ,得证 u = V ∗ u=V^* u = V ∗ ,且 μ \mu μ 是最优策略。
即使允许策略依赖历史,上界仍成立:由每一步的 u ( s ) ≥ r ˉ ( s , a ) + γ ∑ s ′ p ( s ′ ∣ s , a ) u ( s ′ ) u(s)\geq\bar r(s,a)+\gamma\sum_{s'}p(s'\mid s,a)u(s') u ( s ) ≥ r ˉ ( s , a ) + γ ∑ s ′ p ( s ′ ∣ s , a ) u ( s ′ ) ,对任意策略连续展开 N N N 步,可得
u ( s ) ≥ E [ ∑ k = 0 N − 1 γ k R t + k + 1 + γ N u ( S t + N ) ∣ S t = s ] .
u(s)\geq\mathbb E\left[\sum_{k=0}^{N-1}\gamma^kR_{t+k+1}+\gamma^Nu(S_{t+N})\mid S_t=s\right].
u ( s ) ≥ E [ k = 0 ∑ N − 1 γ k R t + k + 1 + γ N u ( S t + N ) ∣ S t = s ] . 由于 u u u 有界且 γ < 1 \gamma<1 γ < 1 ,最后一项随 N → ∞ N\to\infty N → ∞ 消失。因此历史依赖策略也不能超过 u u u ;平稳确定性策略已经足够达到最优。
由此要区分:最优价值函数唯一,但最优策略不一定唯一。 如果某状态有多个动作并列最大,任选其一都可以;在并列最大动作之间随机化也可以最优。存在确定性最优策略,不等于所有最优策略都必须确定。
对于近似解,压缩性还给出实用的残差界:
∥ v − V ∗ ∥ ∞ ≤ ∥ T ∗ v − v ∥ ∞ 1 − γ .
\|v-V^*\|_\infty\leq\frac{\|T^*v-v\|_\infty}{1-\gamma}.
∥ v − V ∗ ∥ ∞ ≤ 1 − γ ∥ T ∗ v − v ∥ ∞ . 证明是在 ∥ v − V ∗ ∥ ∞ \|v-V^*\|_\infty ∥ v − V ∗ ∥ ∞ 中加减 T ∗ v T^*v T ∗ v ,使用三角不等式与压缩性后移项。它说明当 γ \gamma γ 接近 1 1 1 时,同样小的方程残差未必意味着同样小的价值误差。
3.6 贯穿算例:求出并验证最优策略
最优方程为
V 2 ∗ = 2 + 0.9 V 2 ∗ , V 1 ∗ = max { 1 + 0.9 V 1 ∗ , 0.9 V 2 ∗ } .
V_2^*=2+0.9V_2^*,\qquad
V_1^*=\max\{1+0.9V_1^*,\ 0.9V_2^*\}.
V 2 ∗ = 2 + 0.9 V 2 ∗ , V 1 ∗ = max { 1 + 0.9 V 1 ∗ , 0.9 V 2 ∗ } . 先得 V 2 ∗ = 20 V_2^*=20 V 2 ∗ = 20 。假设在 s 1 s_1 s 1 选择升级,则 V 1 ∗ = 18 V_1^*=18 V 1 ∗ = 18 ;代回两个候选项:
1 + 0.9 × 18 = 17.2 < 18 = 0.9 × 20.
1+0.9\times18=17.2<18=0.9\times20.
1 + 0.9 × 18 = 17.2 < 18 = 0.9 × 20. 最大值确实由升级取得,候选解自洽;由唯一性,它就是最优解:
V ∗ ( s 1 ) = 18 , V ∗ ( s 2 ) = 20.
\boxed{V^*(s_1)=18,\qquad V^*(s_2)=20.}
V ∗ ( s 1 ) = 18 , V ∗ ( s 2 ) = 20. 最优策略是在 s 1 s_1 s 1 立即升级,在 s 2 s_2 s 2 持续获利。相应的 Q ∗ ( s 1 , a s t a y ) = 17.2 Q^*(s_1,a_{\mathrm{stay}})=17.2 Q ∗ ( s 1 , a stay ) = 17.2 表示“现在先留下,下一步起采取最优策略”,而不是永远留下。
对比三个策略在 s 1 s_1 s 1 的价值:永远留下为 10 10 10 ;原随机策略为 190 / 11 ≈ 17.2727 190/11\approx17.2727 190/11 ≈ 17.2727 ;立即升级为 18 18 18 。这把“单步奖励”“策略评价”和“最优控制”联系起来。
3.7 什么会改变最优策略
最优策略由奖励、状态转移和折扣因子共同决定。仍看上述例子,但允许 γ \gamma γ 改变。两个确定性策略在 s 1 s_1 s 1 的价值分别为
V s t a y ( s 1 ) = 1 1 − γ , V u p ( s 1 ) = 2 γ 1 − γ .
V^{\mathrm{stay}}(s_1)=\frac{1}{1-\gamma},\qquad
V^{\mathrm{up}}(s_1)=\frac{2\gamma}{1-\gamma}.
V stay ( s 1 ) = 1 − γ 1 , V up ( s 1 ) = 1 − γ 2 γ . 由于本例只有这两个平稳确定性策略,且至少有一个这样的策略最优,因此比较二者即可:
γ < 1 / 2 \gamma<1/2 γ < 1/2 :一直留下最优。
γ > 1 / 2 \gamma>1/2 γ > 1/2 :立即升级最优。
γ = 1 / 2 \gamma=1/2 γ = 1/2 :两动作并列最优,在它们之间随机选择也可最优。
奖励变换也要注意适用条件。若在无限时域折扣模型中,对每一步的所有奖励 都作同一变换 R t ′ = α R t + β R'_t=\alpha R_t+\beta R t ′ = α R t + β ,其中 α > 0 \alpha>0 α > 0 ,则
G t ′ = α G t + β 1 − γ , V ′ π ( s ) = α V π ( s ) + β 1 − γ .
G'_t=\alpha G_t+\frac{\beta}{1-\gamma},\qquad
V'^\pi(s)=\alpha V^\pi(s)+\frac{\beta}{1-\gamma}.
G t ′ = α G t + 1 − γ β , V ′ π ( s ) = α V π ( s ) + 1 − γ β . 所有策略价值同向缩放并平移,所以最优策略集合不变。但如果回合在终止后停止计分,只给终止前的奖励加常数,那么新增项取决于回合长度,可能改变最优策略。例如每步额外扣分可能鼓励尽早结束。不能把这两种设定混为一谈。
3.8 前三章总结与自检
基础概念 :( S , A , p , γ ) (\mathcal S,\mathcal A,p,\gamma) ( S , A , p , γ ) 描述环境和目标,π \pi π 描述行为,G t G_t G t 描述一次未来收益。
策略评价 :给定 π \pi π ,求 V π = T π V π V^\pi=T^\pi V^\pi V π = T π V π ;动作按策略取平均,形成线性方程组。
最优性刻画 :求 V ∗ = T ∗ V ∗ V^*=T^*V^* V ∗ = T ∗ V ∗ ;动作取最大值,形成非线性但具有压缩性的方程。
价值到策略 :已知 Q ∗ Q^* Q ∗ 后,逐状态选择最大动作即可得到一个最优策略。
贝尔曼方程与贝尔曼最优方程是数学关系,不等于完整的学习算法。后续章节才讨论如何通过模型计算或交互样本逼近这些量;本笔记暂不展开值迭代、策略迭代、蒙特卡洛或时序差分算法。
读完后,应能独立回答:
为什么状态必须保留预测未来所需的信息?策略随机与环境随机有什么区别?
能否从 G t = R t + 1 + γ G t + 1 G_t=R_{t+1}+\gamma G_{t+1} G t = R t + 1 + γ G t + 1 推出贝尔曼方程,并解释每个求和的含义?
为什么 I − γ P π I-\gamma P^\pi I − γ P π 可逆?当 γ = 1 \gamma=1 γ = 1 时,原证明哪里失效?
为什么 Q π ( s , a ) Q^\pi(s,a) Q π ( s , a ) 的第一步动作可以不由 π \pi π 选择?
最优方程中为什么对动作取最大值,但仍对下一状态取期望?
为什么最优价值唯一却可能有多个最优策略?
参考资料
章节顺序与核心主题对照赵世钰(Shiyu Zhao)的官方教材及课程资料;上面的两状态算例用于串联推导。