强化学习

强化学习（英语：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。其灵感来源于心理学中的行为主义理论，即有机体如何在环境给予的奖励或惩罚的刺激下，逐步形成对刺激的预期，产生能获得最大利益的习惯性行为。这个方法具有普适性，因此在其他许多领域都有研究，例如博弈论、控制论、运筹学、信息论、仿真优化、多主体系统学习、群体智能、统计学以及遗传算法。在运筹学和控制理论研究的语境下，强化学习被称作“近似动态规划”（approximate dynamic programming，ADP）。在最优控制理论中也有研究这个问题，虽然大部分的研究是关于最优解的存在和特性，并非是学习或者近似方面。在经济学和博弈论中，强化学习被用来解释在有限理性的条件下如何出现平衡。在机器学习问题中，环境通常被规范为马尔可夫决策过程（Markov decision processes，MDP），所以许多强化学习算法在这种情况下使用动态规划技巧。传统的技术和强化学习算法的主要区别是，后者不需要关于MDP的知识，而且针对无法找到确切方法的大规模MDP。强化学习和标准的监督式学习之间的区别在于，它并不需要出现正确的输入/输出对，也不需要精确校正次优化的行为。强化学习更加专注于在线规划，需要在探索（在未知的领域）和遵从（现有知识）之间找到平衡。强化学习中的“探索-遵从”的交换，在多臂老虎机（英语：multi-armed bandit）问题和有限MDP中研究得最多。基本的强化学习模型包括：规则通常是随机的。主体通常可以观察即时奖励和最后一次转换。在许多模型中，主体被假设为可以观察现有的环境状态，这种情况称为“完全可观测”（full observability），反之则称为“部分可观测”（partial observability）。通常，主体被允许的动作是有限的，例如，在棋盘中棋子只能上、下、左、右移动，或是使用的钱不能多于所拥有的。强化学习的主体与环境基于离散的时间步作用。在每一个时间 t {displaystyle t} ，主体接收到一个观测 o t {displaystyle o_{t}} ，通常其中包含奖励 r t {displaystyle r_{t}} 。然后，它从允许的集合中选择一个动作 a t {displaystyle a_{t}} ，然后送出到环境中去。环境则变化到一个新的状态 s t + 1 {displaystyle s_{t+1}} ，然后决定了和这个变化 ( s t , a t , s t + 1 ) {displaystyle (s_{t},a_{t},s_{t+1})} 相关联的奖励 r t + 1 {displaystyle r_{t+1}} 。强化学习主体的目标，是得到尽可能多的奖励。主体选择的动作是其历史的函数，它也可以选择随机的动作。将这个主体的表现和自始自终以最优方式行动的主体相比较，它们之间的行动差异产生了“悔过”的概念。如果要接近最优的方案来行动，主体必须根据它的长时间行动序列进行推理：例如，要最大化我的未来收入，我最好现在去上学，虽然这样行动的即时货币奖励为负值。因此，强化学习对于包含长期反馈的问题比短期反馈的表现更好。它在许多问题上得到应用，包括机器人控制、电梯调度、电信通讯、双陆棋和西洋跳棋。强化学习的强大能来源于两个方面：使用样本来优化行为，使用函数近似来描述复杂的环境。它们使得强化学习可以使用在以下的复杂环境中：强化学习需要比较聪明的探索机制，直接随机的对动作进行采样的方法性能比较差。虽然小规模的马氏过程已经被认识的比较清楚，这些性质很难在状态空间规模比较大的时候适用，这个时候相对简单的探索机制是更加现实的。其中的一种方法就是 ϵ {displaystyle epsilon } -贪婪算法，这种方法会以比较大的概率(1- ϵ {displaystyle epsilon } )去选择现在最好的动作。如果没有选择最优动作，就在剩下的动作中随机选择一个。 ϵ {displaystyle epsilon } 在这里是一个可调节的参数，更小的 ϵ {displaystyle epsilon } 意味着算法会更加贪心。

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