动态规划

Posted 2020-09-27 jhcelue

• 最优化问题
  • 一般优化问题描写叙述
  • 随机动态规划的结构
    • 离散时间系统
    • 离散时间系统代价函数
  • 反馈
  • 第一个栗子随机动态优化问题
  • 第二个栗子确定动态优化问题
  • 第三个栗子来点复杂的无线网络问题
  • 小结

最优化问题

       动态规划(Dynamic programming)是用来优化一个随机问题的最优解。随机问题是仅仅我们优化的目标是随机的，最优解指的是在统计平均上的最优。

       比較权威的參考资料：Dimiri P. Bertsekas, Dynamic Programming and Optimal Control, 3rd ed., Athena Scientific, Belmont, Massachusetts,2005

一般优化问题描写叙述

$$\mathop {min}\limits_{u\in \mathcal{U}} g(u)$$

• $~u~$是最优化问题的决策
• $~g(u)~$是决策的代价函数

• $~\mathcal{U}~$是全部决策$~u_i~$的集合

  动态规划的优化问题能够分为：

  1. 随机优化问题：

          由于代价函数存在一个随机变量$w$，因此最优解的优化目标是代价函数的统计平均。
  

  $$g(u) = E_w{G(u,w)}$$
  1. 确定优化问题：

         这个问题代价函数是一个确定函数。

       怎样区分这两个问题呢？我们能够观察系统是否存在随机性，这个随机性是体如今系统之中的，而不是这个系统。

举个栗子，优化一个随机网络是个确定性问题，即给定随意网络结构，找到最短路径。由于网络尽管是随机的，可是优化的目标在确定以后是不变的。

然而优化一个随时变化的网络是一个随机问题。即一边进行优化。网络结构一边在变的问题。
       动态规划正是能够解决每个步骤都有随机变量$~w~$影响的目标函数，怎样在全局取得统计平均上最优解的问题。后面我们能够看到每个决策都会利用$~w~$的信息。

随机动态规划的结构

离散时间系统

$$x_{k+1} =f_k(x_k,u_k,w_k), k=0,1,\ldots,N-1$$

当中：

• $~k~$：表示离散$\color{red}{时间}$（也能够看作是步骤）。

• $~x_k~$：表示在时间$~k~$的$\color{red}{状态}$，该状态具有马尔科夫性，即当前状态已经包括决策所须要的各种信息，与之前的状态无关。当前状态将会參与决策。

• $~u_k~$：表示在时间$~k~$所输出的$\color{red}{控制}$，即再时间$~k~$在集合$~\mathcal{U}~$中选择的控制信息。

• $~w_k~$：是一个$\color{red}{随机变量}$，这个随机变量将会影响代价函数。
• $~N~$：表示控制的窗体时间。

离散时间系统代价函数

$$E\left\{\sum\limits_{k=0}^{N-1} g_k(x_k,u_k,w_k)~+~g_N(x_N)\right\}$$

我们的优化目标就是优化这个系统的平均代价。

能够看到这个代价是每个决策的代价和终于状态代价的统计平均。

反馈

    前面描写叙述了动态规划的目的，动态规划为了优化一个随机函数。

它的解是平均意义上的最优，并非每次都是最优。动态规划问题能够分为随机优化问题以及确定优化问题。当中确定优化问题能够每次都取得最优解（算法导论上面介绍的就是确定优化问题，这仅仅是动态优化的冰山一角。）。

    动态规划除了能够分为随机动态规划和确定动态规划，还能够分为带反馈和不带反馈(feed back)。也有人叫做开环(open-loop)和闭环(closed-loop)。这个命名可能会导致我们理解错误。

由于，反馈并非指的前一级对后一级的反馈。而是当前状态$x_k$依据$w_k$得出的$u_k$导致的状态跳转。

如图：

    可见反馈真正的意义是，依据如今的状态以及信息$w_k$做决策做决策，并记录这个过程的状态跳转。

第一个栗子：随机动态优化问题

       如果系统是一个零售商的进货系统。进货是周期性的。如果一个周期需求是$~w_k~$显然需求是一个随机变量，库存是$~x_k~$。同一时候也表示这个系统的状态。我们的进货量$~u_k~$也就是我们的决策。所以每一次周期完成后的库存能够表示为$x_{k+1}~=~x_k+u_k-w_k$。

因此我们能够建立例如以下模型：

这个离散时间系统就能够描写叙述为：

$$x_{k+1}~=~f_k(x_k,u_k,w_k)~=~x_k+u_k-w_k$$

其代价函数会随着时间叠加，所以这个系统的代价函数为：

$$E\left\{\sum\limits_{k=0}^{N-1}(cu_k+r(x_k))+R(x_N)\right\}$$

我们能够看到每个周期其代价都会叠加，到最后会有一个终于状态的代价（为什么有这个代价呢？最好还是如果没有这个代价，在第$N-2$个周期我们进货量为正无穷。定能满足需求。

可是这明显是不合理的。

）

第二个栗子：确定动态优化问题

    确定一个确定系统操作顺序问题：我们要找到A,B,C,D的最佳操作顺序。

当中有几个限制：
1. A必须在B之前运行，C必须在D之前运行
2. 必须从A和C開始，即起始状态必须为:$S_A$或者$S_C$
3. 状态$~m~$到$~n~$的跳转代价是$~C_{mn}~$
则能够画出一个相似二叉树的图：

显然仅仅须要遍历整个图我们就可以找到一个最优解。

第三个栗子：来点复杂的无线网络问题

    系统描写叙述：我们须要在$~N~$个时隙中发送$~M~$个数据包，当中有几个限制：
1. 信道条件有两种：好的（概率为：$p$）。坏的（概率为：$~1-p~$）
2. 在好的和坏的信道以下都能够传包。不同信道条件下传包的代价不同。好信道的代价为$~P_G~$。

坏的信道的代价为$~P_B~$
3. $~N~$个发送时隙完成后，最后剩余$~m~$个数据包的代价为$~C(m)~$

以下我们依据已知的知识对系统建模：

• 系统状态：$~(m_k,H_k)~$：$~m_k~$表示剩余数据包的数量，$~H_k~$表示信道条件。

• 控制信息：$~u_k~$有两个取值，0（表示不发送），1（表示发送）。

• 随机变量$~w~$:表示信道变化
• 系统描写叙述：$m_{k+1} = m_k - u_k, H_{k+1} = w_k$
• 开销函数：
  $$E\left\{\sum\limits_{k=0}^{N-1} g((m_k,H_k),u_k)+C(m_N)\right\}$$
  问题解答见：http://blog.csdn.net/sylar_d/article/details/50900521

小结

经过以上栗子我们看出，动态规划问题具有以下几点特性：
1. 控制是局部的，仅仅取决于当前的状态$x_k$
2. 状态具有马尔科夫性。

3. 动态规划系统具有以下特性：

• 系统描写叙述：$~x_{k+1}=f_k(x_k,u_k,w_k),k=0,1,\ldots,N-1~$
• 控制约束：$~u_k \in \mathcal{U}(x_k)~$
• 随机概率分布：$~P_k(w_k) = P_k(·|x_k,u_k)~$
• 策略：有一系列的策略$~\pi=\{\mu_0,\ldots,\mu_{N-1}\}~$当中每个$~\mu_k~$都将状态$~x_k~$依照映射$~u_k = \mu_k(x_k)~$映射成为一个决策。
• 代价函数：从$x_0$開始的策略$~\pi~$的代价函数为：
  $$J_{\pi}(x_0) = E\left\{\sum\limits_{k=0}^{N-1}g_k(x_k,\mu_k(x_k),w_k)+g_N(x_N)\right\}$$
• 最优策略：
  $$J^*(x_0) = \mathop {min}\limits_{\pi}J_{\pi}(x_0)$$
• 最优策略$~\pi^*~$必须满足：
  $$J_{\pi^*}(x_0) = J^*(x_0)$$