[Reinforcement Learning] 强化学习介绍

Posted 2021-01-15 maybe2030

随着AlphaGo和AlphaZero的出现，强化学习相关算法在这几年引起了学术界和工业界的重视。最近也翻了很多强化学习的资料，有时间了还是得自己动脑筋整理一下。

强化学习定义

先借用维基百科上对强化学习的标准定义：

强化学习（Reinforcement Learning，简称RL）是机器学习中的一个领域，强调如何基于环境而行动，以取得最大化的预期利益。

从本质上看，强化学习是一个通用的问题解决框架，其核心思想是 Trial & Error。

强化学习可以用一个闭环示意图来表示：

强化学习四元素

• 策略（Policy）：环境的感知状态到行动的映射方式。
• 反馈（Reward）：环境对智能体行动的反馈。
• 价值函数（Value Function）：评估状态的价值函数，状态的价值即从当前状态开始，期望在未来获得的奖赏。
• 环境模型（Model）：模拟环境的行为。

强化学习的特点

• 起源于动物学习心理学的试错法（trial-and-error），因此符合行为心理学。
• 寻求探索（exploration）和采用（exploitation）之间的权衡：强化学习一面要采用（exploitation）已经发现的有效行动，另一方面也要探索（exploration）那些没有被认可的行动，已找到更好的解决方案。
• 考虑整个问题而不是子问题。
• 通用AI解决方案。

强化学习 vs. 机器学习

机器学习是人工智能的一个分支，在近30多年已发展为一门多领域交叉学科，而强化学习是机器学习的一个子领域。强化学习与机器学习之间的关系可以通过下图来形式化的描述：

注：上图中Machine Learning分支应该包含进化算法（Evolutionary Algorithms）。

强化学习与其他机器学习的不同：

• 强化学习更加专注于在线规划，需要在探索（explore 未知领域）和采用（exploit 现有知识）之间找到平衡。
• 强化学习不需要监督者，只需要获取环境的反馈。
• 反馈是延迟的，不是立即生成的。
• 时间在强化学习中很重要，其数据为序列数据，并不满足独立同分布假设（i.i.d）。

强化学习 vs. 监督学习

强化学习与监督学习可以参考下图：

两者的目标都是学习一个model，而区别在于：

监督学习：

• Open loop
• Learning from labeled data
• Passive data

强化学习：

• Closed loop
• Learning from decayed reward
• Explore environment

强化学习 vs. 进化算法

进化算法（Evolutionary Algorithms，简称EA）是通过生物进化优胜略汰，适者生存的启发而发展的一类算法，通过种群不断地迭代达到优化的目标。进化算法属于仿生类算法的一种，仿生类算法还包括粒子群算法（PSO）、人工免疫算法以及如日中天的神经网络算法等。

进化算法最大的优点在于整个优化过程是gradients-free的，其思想可以通过下图表示：

RL和EA虽然都属于优化问题的求解框架，而且两者都需要大量的算力，但是两者有着本质上的区别。

Sutton在其强化学习介绍一书中也重点谈到了RL与EA的区别，这里简单谈几点：

• RL通过与环境交互来进行学习，而EA通过种群迭代来进行学习；
• RL通过最大化累计回报来解决序列问题，而EAs通过最大化适应函数（Fitness Function）来寻求单步最优；
• RL对于state过于依赖，而EA在agent不能准确感知环境的状态类问题上也能适用。

近期随着RL的研究热潮不断推进，很多研究也尝试通过将EA和RL结合解决优化问题，比如OpenAI通过使用进化策略来优化RL，获得了突破性的进展[3]。

强化学习分类

强化学习分类比较多样：

• 按照环境是否已知可以分为Model-based & Model-free；
• 按照学习方式可以分为On-Policy & Off-Policy；
• 按照学习目标可以分为Value-based & Policy-based。

下图为根据环境是否已知进行细分的示意图：

强化学习相关推荐资料

• Reinforcement Learning: An Introduction, Richard S. Sutton and Andrew G. Barto：介绍强化学习很全面的一本书籍，相关的电子书及源码见这里。
• David Silver在UCL的强化学习视频教程：介绍强化学习的视频教程，基本与Sutton的书籍可以配套学习，Silver来自于Google Deepmind，视频和课件可以从Silver的主页获取，中文字幕版视频YouTube链接点这里。
• 强化学习在阿里的技术演进与业务创新：介绍强化学习在阿里巴巴的落地，可以拓展强化学习应用的业务思路，电子版见这里，密码：yh48。
• Tutorial: Deep Reinforcement Learning：同样来自于Sliver的一个课件，主要针对RL与DL的结合进行介绍，电子版见这里，密码：9mrp。
• 莫烦PYTHON强化学习视频教程：可以通过简短的视频概括地了解强化学习相关内容，适合于入门的同学，视频见这里。
• OpenAI Gym：Gym is a toolkit for developing and comparing reinforcement learning algorithms，Gym包含了很多的控制游戏（比如过山车、二级立杆、Atari游戏等），并提供了非常好的接口可以学习，链接见这里。
• Lil‘Log：介绍DL和RL的一个优质博客，RL相关包括RL介绍、Policy Gradients算法介绍及Deep RL结合Tensorflow和Gym的源码实现，主页链接见这里。

Reference

[1] 维基百科-强化学习
[2] Reinforcement Learning: An Introduction, Richard S. Sutton and Andrew G. Barto, 2018
[3] Evolution Strategies as a Scalable Alternative to Reinforcement Learning