7. 深度强化学习:智能体的学习与决策

2024-09-08 07:36

本文主要是介绍7. 深度强化学习:智能体的学习与决策,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

引言

深度强化学习结合了强化学习与深度学习的优势,通过智能体与环境的交互,使得智能体能够学习最优的决策策略。深度强化学习在自动驾驶、游戏AI、机器人控制等领域表现出色,推动了人工智能的快速发展。本篇博文将深入探讨深度强化学习的基本框架、经典算法(如DQN、策略梯度法),以及其在实际应用中的成功案例。

1. 强化学习的基本框架

强化学习是机器学习的一个分支,专注于智能体在与环境的交互过程中,学习如何通过最大化累积奖励来完成任务。强化学习的基本框架包括以下几个核心组件:

  • 状态(State):表示智能体在环境中的当前情境。
  • 动作(Action):智能体可以在当前状态下执行的行为。
  • 奖励(Reward):智能体在执行动作后,环境反馈给智能体的信号,用于评估该动作的好坏。
  • 策略(Policy):智能体基于当前状态选择动作的策略,可以是确定性的(确定动作)或随机性的(选择动作的概率分布)。
  • 价值函数(Value Function):用于评估智能体在某一状态下的长期收益。

强化学习的目标是找到一个最优策略,使得智能体在与环境的交互过程中,能够获得最大的累积奖励。

强化学习框架示意图:
[ 环境 ] -- 状态 --> [ 智能体 ] -- 动作 --> [ 环境 ]^                                           ||------------------ 奖励 -------------------|
2. 深度Q网络(DQN)的工作原理

深度Q网络(DQN)是深度强化学习中的经典算法之一,通过引入深度神经网络来近似Q值函数,从而解决了传统Q学习算法在高维状态空间中的局限性。

  • Q学习的基本思想:Q学习通过学习Q值函数 Q ( s , a ) Q(s, a) Q(s,a),来估计在状态 s s s下执行动作 a a a后,能够获得的累积奖励。智能体在每个状态下选择具有最高Q值的动作,从而获得最大化的累积奖励。

  • DQN的改进:DQN使用深度神经网络来近似Q值函数,克服了传统Q学习在高维状态空间中的计算难题。同时,DQN引入了经验回放和目标网络两项关键技术,稳定了训练过程。

    • 经验回放(Experience Replay):通过将智能体的经验存储在一个回放池中,DQN能够在每个训练步骤中随机抽取小批量样本进行训练,从而打破数据的相关性,提升模型的泛化能力。

    • 目标网络(Target Network):DQN使用一个独立的目标网络来计算目标Q值,定期更新该目标网络的参数,以减少Q值估计的波动,稳定训练过程。

  • DQN的更新公式

y = r + γ max ⁡ a ′ Q ( s ′ , a ′ ; θ − ) y = r + \gamma \max_{a'} Q(s', a'; \theta^{-}) y=r+γamaxQ(s,a;θ)
θ ← θ − α ∇ θ 1 2 ( y − Q ( s , a ; θ ) ) 2 \theta \leftarrow \theta - \alpha \nabla_{\theta} \frac{1}{2} (y - Q(s, a; \theta))^2 θθαθ21(yQ(s,a;θ))2

其中, y y y是目标Q值, γ \gamma γ是折扣因子, θ \theta θ是Q网络的参数, θ − \theta^{-} θ是目标网络的参数。

3. 策略梯度方法与Actor-Critic架构

除了基于Q值的算法,深度强化学习还包括一类基于策略的算法,称为策略梯度方法。这类方法通过直接优化策略来最大化累积奖励,特别适用于连续动作空间的任务。

  • 策略梯度方法:策略梯度方法通过优化策略的参数,使得执行动作 a a a的概率最大化。与Q学习不同,策略梯度方法不需要估计Q值函数,而是直接学习一个策略函数 π ( a ∣ s ; θ ) \pi(a|s; \theta) π(as;θ)

    • **策略梯度

公式**:

∇ θ J ( θ ) = E π θ [ ∇ θ log ⁡ π θ ( a ∣ s ) Q ( s , a ) ] \nabla_{\theta} J(\theta) = \mathbb{E}_{\pi_{\theta}} \left[\nabla_{\theta} \log \pi_{\theta}(a|s) Q(s, a)\right] θJ(θ)=Eπθ[θlogπθ(as)Q(s,a)]

其中, J ( θ ) J(\theta) J(θ)表示累积奖励的期望, π θ ( a ∣ s ) \pi_{\theta}(a|s) πθ(as)表示策略函数, Q ( s , a ) Q(s, a) Q(s,a)表示动作的价值。

  • Actor-Critic架构:Actor-Critic架构结合了策略梯度方法和价值函数方法,通过两个独立的网络来分别表示策略(Actor)和价值(Critic)。Actor负责选择动作,而Critic负责评估动作的好坏,二者协同工作,提高了学习效率。

    • Actor网络:输出策略 π ( a ∣ s ; θ π ) \pi(a|s; \theta_{\pi}) π(as;θπ),决定智能体在每个状态下的动作选择。

    • Critic网络:输出价值函数 V ( s ; θ v ) V(s; \theta_v) V(s;θv)或Q值函数 Q ( s , a ; θ v ) Q(s, a; \theta_v) Q(s,a;θv),评估当前策略的优劣。

Actor-Critic架构示意图:
[ 状态 ] --> Actor (选择动作) --> [ 动作 ]^                              ||------ Critic (评估动作) ------|
4. 深度强化学习的经典案例:AlphaGo、自动驾驶

深度强化学习在诸多实际应用中取得了突破性进展,其中最著名的两个案例是AlphaGo和自动驾驶。

  • AlphaGo:AlphaGo是由DeepMind开发的围棋AI,通过深度强化学习技术,AlphaGo成功击败了多位世界顶级围棋选手。AlphaGo使用了深度神经网络来估计围棋局面,并通过策略网络和价值网络来选择最优策略。

  • 自动驾驶:深度强化学习在自动驾驶中的应用主要体现在车辆的决策和控制上。通过与虚拟环境中的模拟驾驶训练,自动驾驶系统能够学习如何在复杂的交通环境中作出最优决策,如避让行人、保持车道、变道超车等。

AlphaGo的基本架构:

AlphaGo使用了两个深度神经网络:一个策略网络负责选择下棋的动作,另一个价值网络负责评估棋盘局势,并预测当前局势的胜率。

总结

深度强化学习通过智能体与环境的交互,学习最优的决策策略,为自动驾驶、游戏AI、机器人控制等领域带来了革命性的进展。经典算法如DQN和策略梯度方法,以及创新架构如Actor-Critic,为深度强化学习的成功奠定了基础。随着技术的不断进步,深度强化学习将继续在更多领域中展现其强大的应用潜力,推动人工智能的发展迈向新的高度。


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