人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)有關(guān)算法內(nèi)容，請(qǐng)參見公眾號(hào)“科技優(yōu)化生活”之前相關(guān)文章。人工智能之機(jī)器學(xué)習(xí)主要有三大類：1)分類;2)回歸;3)聚類。今天我們重點(diǎn)探討一下Q Learning算法。 ^_^

　　通過前一篇TD-Learning時(shí)序差分(請(qǐng)參見人工智能(48)算法介紹，我們知道，TD-Learning時(shí)序差分是結(jié)合了動(dòng)態(tài)規(guī)劃DP和蒙特卡洛MC(請(qǐng)參見人工智能(31))方法，并兼具兩種算法的優(yōu)點(diǎn)，是強(qiáng)化學(xué)習(xí)的中心。

　　TD-learning時(shí)序差分大概分了6類。其中，策略行動(dòng)價(jià)值qπ的off-policy時(shí)序差分學(xué)習(xí)方法： Q-Learning(單步)，Double Q-Learning(單步)。今天重點(diǎn)介紹Q-Learning算法。

　　Q Learning算法是由Watkins于1989年在其博士論文中提出，是強(qiáng)化學(xué)習(xí)發(fā)展的里程碑，也是目前應(yīng)用最為廣泛的強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法。

　　Q Learning算法概念：

　　Q Learning算法是一種off-policy的強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，一種典型的與模型無關(guān)的算法，即其Q表的更新不同于選取動(dòng)作時(shí)所遵循的策略，換句化說，Q表在更新的時(shí)候計(jì)算了下一個(gè)狀態(tài)的最大價(jià)值，但是取那個(gè)最大值的時(shí)候所對(duì)應(yīng)的行動(dòng)不依賴于當(dāng)前策略。

　　Q Learning始終是選擇最優(yōu)價(jià)值的行動(dòng)，在實(shí)際項(xiàng)目中，Q Learning充滿了冒險(xiǎn)性，傾向于大膽嘗試。

　　Q Learning算法下，目標(biāo)是達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)(Goal State)并獲取最高收益，一旦到達(dá)目標(biāo)狀態(tài)，最終收益保持不變。因此，目標(biāo)狀態(tài)又稱之為吸收態(tài)。

　　Q Learning算法下的agent，不知道整體的環(huán)境，知道當(dāng)前狀態(tài)下可以選擇哪些動(dòng)作。通常，需要構(gòu)建一個(gè)即時(shí)獎(jiǎng)勵(lì)矩陣R，用于表示從狀態(tài)s到下一個(gè)狀態(tài)s’的動(dòng)作獎(jiǎng)勵(lì)值。由即時(shí)獎(jiǎng)勵(lì)矩陣R計(jì)算得出指導(dǎo)agent行動(dòng)的Q矩陣。

　　Q矩陣是agent的大腦。

　　Q Learning算法本質(zhì)：

　　QLearning屬于TD-Learning時(shí)序差分學(xué)習(xí)。同樣，該算法結(jié)合了動(dòng)態(tài)規(guī)劃和蒙特卡羅MC算法，模擬(或者經(jīng)歷)一個(gè)情節(jié)，每行動(dòng)一步(或多步)后，根據(jù)新狀態(tài)的價(jià)值，來估計(jì)執(zhí)行前的狀態(tài)價(jià)值。

　　下面提到的Q-Learning是單步更新算法。

　　Q Learning算法描述：

　　Q-learning是一個(gè)突破性的算法。

　　利用下面公式進(jìn)行off-policy學(xué)習(xí)，即用公式來表示Q-Learning中Q表的更新：

　　Q(St，At)←Q(St，At)+α[Rt+1+γmax Q(St+1，a)?Q(St，At)]

　　其中：

　　St： 當(dāng)前狀態(tài)state

　　At： 從當(dāng)前狀態(tài)下，采取的行動(dòng)action

　　St+1：本次行動(dòng)所產(chǎn)生的新一輪state

　　At+1： 次回action

　　Rt： 本次行動(dòng)的獎(jiǎng)勵(lì)reward

　　γ為折扣因子，0<= γ<1，γ=0表示立即回報(bào)，γ趨于1表示將來回報(bào)，γ決定時(shí)間的遠(yuǎn)近對(duì)回報(bào)的影響程度，表示犧牲當(dāng)前收益，換取長(zhǎng)遠(yuǎn)收益的程度。將累計(jì)回報(bào)作為評(píng)價(jià)策略優(yōu)劣的評(píng)估函數(shù)。當(dāng)前的回報(bào)值以及以前的回報(bào)值都可以得到，但是后續(xù)狀態(tài)的回報(bào)很難得到，因此累計(jì)回報(bào)就難以計(jì)算。而Q-learning用Q函數(shù)來代替累計(jì)回報(bào)作為評(píng)估函數(shù)，正好解決這個(gè)問題。

　　α為控制收斂的學(xué)習(xí)率，0< α<1。通過不斷的嘗試搜索空間，Q值會(huì)逐步趨近最佳值Q*。

　　1)Q-learning單步時(shí)序差分學(xué)習(xí)方法算法描述

　　Initialize Q(s，a)，?s∈S，a∈A(s) arbitrarily， and Q(terminal， ˙)=0

　　Repeat (for each episode)：

　　? Initialize S

　　? Choose A from S using policy derived from Q (e.g. ??greedy)

　　? Repeat (for each step of episode)：

　　?? Take action A， observe R，S′

　　?? Q(S，A)←Q(S，A)+α[R+γmaxa Q(S‘，a)?Q(S，A)]

　　?? S←S′;

　　? Until S is terminal

　　每個(gè)episode是一個(gè)training session，且每一輪訓(xùn)練意義就是加強(qiáng)大腦，表現(xiàn)形式是agent的Q矩陣元素更新。當(dāng)Q習(xí)得后，可以用Q矩陣來指引agent的行動(dòng)。

　　Q-learning使用了max，會(huì)引起一個(gè)最大化偏差(Maximization Bias)問題。

　　可以使用Double Q-learning可以消除這個(gè)問題。

　　2)Double Q-learning單步時(shí)序差分學(xué)習(xí)方法算法描述

　　Initialize Q1(s，a) and Q2(s，a)，?s∈S，a∈A(s) arbitrarily

　　Initialize Q1(terminal， ˙)=Q2(terminal， ˙)=0

　　Repeat (for each episode)：

　　? Initialize S

　　? Repeat (for each step of episode)：

　　?? Choose A from S using policy derived from Q1 and Q2 (e.g. ??greedy)

　　?? Take action A， observe R，S′

　　?? With 0.5 probability：

　　??? Q1(S，A)←Q1(S，A)+α[R+γQ2(S′，argmax Q1(S′，a))?Q1(S，A)]

　　?? Else：

　　??? Q2(S，A)←Q2(S，A)+α[R+γQ1(S′，argmax Q2(S′，a))?Q2(S，A)]

　　?? S←S′;

　　? Until S is terminal

　　Double Q Learning算法本質(zhì)上是將計(jì)算Q函數(shù)進(jìn)行延遲，并不是得到一條樣本就可以更新價(jià)值函數(shù)，而是一定的概率才可以更新。由原來的1條樣本做到影響決策變?yōu)槎鄺l(至少兩條)樣本影響決策。

　　Q Learning理論基礎(chǔ)：

　　QLearning理論基礎(chǔ)如下：

　　1)蒙特卡羅方法

　　2)動(dòng)態(tài)規(guī)劃

　　3)信號(hào)系統(tǒng)

　　4)隨機(jī)逼近

　　5)優(yōu)化控制

　　Q Learning算法優(yōu)點(diǎn)：

　　1)所需的參數(shù)少;

　　2)不需要環(huán)境的模型;

　　3)不局限于episode task;

　　4)可以采用離線的實(shí)現(xiàn)方式;

　　5)可以保證收斂到 qπ。

　　Q Learning算法缺點(diǎn)：

　　1) Q-learning使用了max，會(huì)引起一個(gè)最大化偏差問題;

　　2) 可能會(huì)出現(xiàn)更新速度慢;

　　3) 可能會(huì)出現(xiàn)預(yù)見能力不強(qiáng)。

　　注：使用Double Q-learning可以消除問題1);使用多步Q -learning可以消除問題2)和3)。

　　Q Learning算法應(yīng)用：

　　從應(yīng)用角度看，Q Learning應(yīng)用領(lǐng)域與應(yīng)用前景都是非常廣闊的，目前主要應(yīng)用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)、機(jī)器人控制、工廠中學(xué)習(xí)最優(yōu)操作工序以及學(xué)習(xí)棋類對(duì)弈等領(lǐng)域。

　　結(jié)語：

　　Q Learning是一種典型的與模型無關(guān)的算法，它是由Watkins于1989年在其博士論文中提出，是強(qiáng)化學(xué)習(xí)發(fā)展的里程碑，也是目前應(yīng)用最為廣泛的強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法。Q Learning始終是選擇最優(yōu)價(jià)值的行動(dòng)，在實(shí)際項(xiàng)目中，Q Learning充滿了冒險(xiǎn)性，傾向于大膽嘗試，屬于TD-Learning時(shí)序差分學(xué)習(xí)。Q Learning算法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)、機(jī)器人控制、工廠中學(xué)習(xí)最優(yōu)操作工序以及學(xué)習(xí)棋類對(duì)弈等領(lǐng)域。