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【机器学习：三十二、强化学习：理论与应用】

article 2025/1/18 20:40:41

1. 强化学习概述

**强化学习（Reinforcement Learning, RL）**是一种机器学习方法，旨在通过试验与反馈的交互，使智能体（Agent）在动态环境中学习决策策略，以最大化累积奖励（Cumulative Reward）。
相比监督学习和无监督学习，强化学习更关注长期目标，而非简单地从标签中学习。

核心概念
- 智能体（Agent）：进行学习和决策的主体。
- 环境（Environment）：智能体所在的动态系统，提供反馈。
- 状态（State）：环境的当前表示，智能体需要基于状态采取行动。
- 动作（Action）：智能体对状态的响应行为。
- 奖励（Reward）：环境提供的反馈信号，用于评估动作的好坏。
主要特性
- 探索与利用：智能体需要在探索未知的行为结果与利用已有知识之间找到平衡。
- 序列决策：强化学习目标是通过一系列决策实现长期利益最大化，而非单次结果优化。
应用领域
- 机器人控制：自动化路径规划与操作。
- 游戏AI：如AlphaGo在围棋中的成功应用。
- 金融领域：动态投资组合优化。
- 自动驾驶：车辆决策与路径规划。

强化学习的理论基础通常以**马尔可夫决策过程（Markov Decision Process, MDP）**为框架。MDP通过数学模型描述环境与智能体的交互。

马尔可夫决策过程
- 定义：MDP由状态空间 $S$ 、动作空间 $A$ 、转移概率 $P (s^{'} ∣ s, a)$ 、奖励函数 $R (s, a)$ 和折扣因子 $\gamma$ 构成。
- 马尔可夫性：未来状态仅取决于当前状态与动作，与历史无关。
策略与价值函数
- 策略（Policy）：智能体的行为规则，可分为确定性策略和随机策略。
  - 确定性策略： $\pi(s) = a$ ，即在状态 $s$ 下总选择动作 $a$ 。
  - 随机策略： $\pi(a|s)$ ，即在状态 $s$ 下以概率 $\pi(a|s)$ 选择动作 $a$ 。
- 价值函数（Value Function）：衡量状态或动作的长期回报期望值。
  - 状态价值函数： $V^\pi(s) = \mathbb{E}[R_t|s]$ 。
  - 动作价值函数： $Q^\pi(s, a) = \mathbb{E}[R_t|s, a]$ 。
强化学习的目标
寻找最优策略 $\pi^*$ ，使得累积奖励 $G_t = \sum_{t=0}^\infty \gamma^t R_t$ 最大化。

基于值的算法
- Q-learning：通过学习动作价值函数 $Q (s, a)$ 实现策略优化。
  - 更新公式：
    $\leftarrow Q(s, a) + \alpha \left[R + \gamma \max_{a'} Q(s', a') - Q(s, a)\right]$
  - 特点：无需环境模型，适合离线学习。
基于策略的算法
- 策略梯度方法：直接优化策略参数，通过梯度上升找到最优策略。
  - 优化目标：
    $J(\theta) = \mathbb{E}_\pi[R]$
    梯度计算：
    $\nabla_\theta J(\theta) = \mathbb{E}[\nabla_\theta \log \pi_\theta(a|s) Q^\pi(s, a)]$
  - 优点：适合连续动作空间，能够产生随机策略。
基于值与策略结合的算法
- Actor-Critic 方法：结合策略优化和值函数估计，分为“Actor”（策略）和“Critic”（价值评估）。
- 优势：兼具策略梯度与值迭代的优点，收敛速度快。
深度强化学习
- 将深度学习与强化学习结合，使智能体能够处理高维状态空间。
- 代表算法：Deep Q-Network（DQN），Trust Region Policy Optimization（TRPO），Proximal Policy Optimization（PPO）。

稀疏奖励问题
- 挑战：奖励信号过于稀疏，智能体难以有效学习。
- 解决方案：
  - 引入奖励塑形（Reward Shaping）。
  - 使用模仿学习加速初始策略优化。
探索与利用的平衡
- 挑战：过度探索会降低效率，过度利用可能陷入局部最优。
- 解决方案：
  - 使用 $\epsilon$ -贪婪策略或软策略探索。
  - 引入随机性或熵正则化鼓励探索。
高维状态与动作空间
- 挑战：状态空间或动作空间过大，导致计算成本高。
- 解决方案：
  - 使用函数逼近（如神经网络）替代表格方法。
  - 采用层次化强化学习（Hierarchical RL）。
样本效率与稳定性
- 挑战：强化学习通常需要大量样本，且算法不易稳定。
- 解决方案：
  - 引入经验回放（Experience Replay）。
  - 使用目标网络（Target Network）稳定训练过程。