【强化学习】强化学习数学基础：值函数近似

Value Function Approximation

Motivating examples: curve fitting

到目前为止，我们都是使用tables表示state和action values。例如，下表是action value的表示：

• 优势：直观且容易分析
• 劣势：难以处理较大或者连续的state或者action空间。两个方面：1）存储；2）泛化能力。

举个例子：假定有一个one-dimensional states $s_1,...,s_{|S|}$，当$\pi$是给定策略的时候，它们的state values是$v_{\pi }(s_1),...,v_{\pi }(s_{|S|})$。假设$|S|$非常大，因此我们希望用一个简单的曲线近似它们的点以降低内存：

答案是可以的。
首先我们使用简单的straight line去拟合这些点。假设straight line的方程为

其中：

• $w$是参数向量（parameter vector）
• $\varphi (s)$是s的特征向量（feature vector）
• $\hat{v}(s,w)$与$w$成线性关系（当然，也可以是非线性的）

这样表示的好处是：

• 表格形式需要存储$|S|$个state values，现在，只需要存储两个参数$a$和$b$
• 每次我们想要使用s的值，我们可以计算${\varphi }^T(s)w$。
• 但是这个好处也不是免费的，它需要付出一些代价：state values不能被精确地表示，这也是为什么这个方法被称为value approximation。

既然直线不够准确，那么是否可以使用高阶的曲线呢？当然可以。第二，我们使用一个second-order curve去拟合这些点：

在这种情况下：

• $w$和$\varphi (s)$的维数增加了，但是values可以被拟合的更加精确。
• 尽管$\hat{v}(s,w)$与$s$是非线性的，但是它与$w$是线性的。这种非线性的性质包含在$\varphi (s)$中。

当然，还可以继续增加阶数。第三，使用一个更加high-order polynomial curves（多项式曲线）或者其他复杂的曲线来拟合这些点：

• 好处是：更好的approximate
• 坏处是：需要更多的parameters

小结一下：

• Idea：value function approximation的idea是用一个函数$\hat{v}(s,w)$来拟合$v_{\pi }(s)$，这个函数里边有参数$w$，所以被称为parameterized function，$w$就是parameter vector。
• 这样做的好处：
  • 1）节省存储：$w$的维数远小于$|S|$
  • 2）泛化能力：当一个state $s$是visited，参数$w$是updated，这样某些其他unvisited states的values也可以被updated。按这种方式，the learned values可以泛化到unvisited states。

Algorithm for state value estimation

Objective function

首先，用一种更正式的方式：

• 令$v_{\pi }(s)$和$\hat{v}(s,w)$分别表示true state value和approximate函数.
• 我们的目标是找到一个最优的$w$，使得$\hat{v}(s,w)$对于每个$s$达到最优的近似$v_{\pi }(s)$
• 这个问题就是一个policy evaluation问题，稍后我们将会把它推广到policy improvement。
• 为了找到最优的$w$，我们需要两步：
  • 第一步定义一个目标函数（object function）
  • 第二步是优化这个目标函数。

The objective function is:$$J(w)=\mathbb{E}[(v_{\pi }(S)-\hat{v}(S,w){)}^2]$$

• 我们的目标是找到最优的$w$，这样可以最小化$J(w)$
• The expectation is with respect to the random variable $S\in \mathcal{S}$。$S$的概率分布是什么？
  • This is often confusing because we have not discussed the probability distribution of states so far
  • There are several ways to define the probability distribution of $S$.

第一种方式是使用一个uniform distribution.

• 它对待每个states都是同等的重要性，通过将每个state的概率设置为$1/|\mathcal{S}|$
• 这种情况下，目标函数变为：$$J(w)=\mathbb{E}[(v_{\pi }(S)-\hat{v}(S,w){)}^2]=\frac{1}{|\mathcal{S}|}\sum _{s\in \mathcal{S}}(v_{\pi }(s)-\hat{v}(s,w){)}^2$$
• 虽然平均分布是非常直观的，但是有一个问题：这里假设所有状态都是平等的，但是实际上可能不是那么回事。例如，某些状态在一个策略下可能几乎不会访问到。因此这种方式没有考虑一个给定策略下Markov process的实际动态变化。

第二种方式是使用stationary distribution

• Stationary distribution is an important concept. 它描述了一个Markov process的long-run behavior。
• 令{dπ(s)}s∈S\{d_\pi(s)\}_{s\in \mathcal{S} }{dπ​(s)}s∈S​表示基于策略$\pi$的Markov process的stationary distribution。根据定义有，$d_{\pi }(s)\ge 0$且${\sum }_{s\in \mathcal{S}}{d}_{\pi }(s)=1$
• 在这种情况下，目标函数被重写为：$$J(w)=\mathbb{E}[(v_{\pi }(S)-\hat{v}(S,w){)}^2]=\sum _{s\in \mathcal{S}}{d}_{\pi }(s)(v_{\pi }(s)-\hat{v}(s,w){)}^2$$这里的$d_{\pi }(s)$就扮演了权重的意思，这个函数是一个weighted squared error。
• 由于更频繁地visited states，具有更高的$d_{\pi }(s)$值，它们在目标函数中的权重也比那些很少访问的states的权重高。

对于stationary distribution更多的介绍：

• Distribution：state的Distribution
• Stationary : Long-run behavior
• Summary: 智能体agent根据一个策略运行一个较长时间之后，the probability that the agent is at any state can be described by this distribution.

需要强调的是：

• Stationary distribution 也被称为steady-state distribution，或者limiting distribution
• 它在理解value functional approximation method方面是非常重要的
• 对于policy gradient method也是非常重要的。

举个例子：如图所示，给定一个探索性的策略。让agent从一个状态出发然后跑很多次，根据这个策略，然后看一下会发生什么事情。

• 令$n_{\pi }(s)$表示次数，$s$ has been visited in a very long episode generated by $\pi$。
• 然后，$d_{\pi }(s)$可以由下式估计：$$d_{\pi }(s)\approx \frac{n_{\pi }(s)}{{\sum }_{s^{\prime }\in \mathcal{S}}{n}_{\pi }(s^{\prime })}$$
  
  The converged values can be predicted because they are the entries of $d_{\pi }$：$$d_{\pi }^T=d_{\pi }^T{P}_{\pi }$$
  对于上面的例子，有$P_{\pi }$：$$P_{\pi }=\left[\begin{array}{cccc}0.3& 0.1& 0.6& 0\\ 0.1& 0.3& 0& 0.6\\ 0.1& 0& 0.3& 0.6\\ 0& 0.1& 0.1& 0.8\end{array}\right]$$可以计算出来它左边对应于eigenvalue等于1的那个eigenvector：$$d_{\pi }=[0.0345,0.1084,0.1330,0.7241{]}^T$$

Optimization algorithms

当我们有了目标函数，下一步就是优化它。为了最小化目标函数$J(w)$，我们可以使用gradient-descent算法：$$w_{k+1}=w_k-{\alpha }_k{\nabla }_{w}J(w_k)$$它的true gradient是：

这个true gradient需要计算一个expectation。我们可以使用stochastic gradient替代the true gradient：$$w_{t+1}=w_t+{\alpha }_t(v_{\pi }(s_t)-\hat{v}(s_t,w_t)){\nabla }_w\hat{v}(s_t,w_t)$$其中$s_t$是$\mathcal{S}$的一个采样。这里$2{\alpha }_k$合并到了${\alpha }_k$。

• 这个算法在实际当中是不能使用的，因为它需要true state value $v_{\pi }$，这是未知的。
• 可以使用$v_{\pi }(s_t)$的一个估计来替代它，这样该算法就可以实现了

那么如何进行代替呢？有两种方法：

• 第一种，Monte Carlo learning with function approximation
  令$g_t$表示在episode中从$s_t$开始的discounted return，然后使用$g_t$近似$v_{\pi }(s_t)$。该算法变为$$w_{t+1}=w_t+{\alpha }_t(g_t-\hat{v}(s_t,w_t)){\nabla }_w\hat{v}(s_t,w_t)$$
• 第二种，TD learning with function approximate
  By the spirit of TD learning, $r_{t+1}+\gamma \hat{v}(s_{t+1},w_t)$可以视为$v_{\pi }(s_t)$的一个近似。因此，算法变为：$$w_{t+1}=w_t+{\alpha }_t[r_{t+1}+\gamma \hat{v}(s_{t+1},w_t)]{\nabla }_w\hat{v}(s_t,w_t)$$

TD learning with function approximation的伪代码：

该方法仅能估计在给定policy情况下的state values，但是对于后面的算法的理解是非常重要的。

Selection of function approximators

如何选取函数$\hat{v}(s,w)$？

• 第一种方法，也是之前被广泛使用的，就是linear function$$\hat{v}(s,w)={\varphi }^T(s)w$$这里的$\varphi (s)$是一个feature vector， 可以是polynomial basis，Fourier basis,…。
• 第二种方法是，现在广泛使用的，就是用一个神经网络作为一个非线性函数近似器。神经网络的输入是state，输出是$\hat{v}(s,w)$，网络参数是$w$。

在线性的情况中$\hat{v}(s,w)={\varphi }^T(s)w$，我们有$${\nabla }_w\hat{v}(s_t,w_t)=\varphi (s)$$将这个带入到TD算法$$w_{t+1}=w_t+{\alpha }_t[r_{t+1}+\gamma \hat{v}(s_{t+1},w_t)-\hat{v}(s_t,w_t)]{\nabla }_w\hat{v}(s_t,w_t)$$就变成了$$w_{t+1}=w_t+{\alpha }_t[r_{t+1}+\gamma {\varphi }^T(s_{t+1})w_t-{\varphi }^T(s_t)w_t]\varphi (s_t)$$这个具有线性函数近似的TD learning算法称为TD-Linear。
线性函数近似的劣势是：

• 难以去选择合适的feature vector.
  线性函数近似的优势是：
• TD算法在线性情况下的理论上的性质很容易理解和分析，与非线性情况相比
• 线性函数近似仍然在某些情况下使用：tabular representation是linear function approximation的一种少见的特殊情况。

那么为什么tabular representation是linear function approximation的一种少见的特殊情况？

• 首先，对于state $s$，选择一个特殊的feature vector$$\varphi (s)=e_s\in {\mathbb{R}}^{|\mathcal{S}|}$$其中$e_s$是一个vector，其中第$s$个实体为1，其他为0.
• 在这种情况下$$\hat{v}(s_t,w_t)=e_s^{T}w=w(s)$$其中$w(s)$是$w$的第s个实体。

回顾TD-Linear算法：$$w_{t+1}=w_t+{\alpha }_t[r_{t+1}+\gamma {\varphi }^T(s_{t+1})w_t-{\varphi }^T(s_t)w_t]\varphi (s_t)$$

• 当$\varphi (s_t)=e_s$，上面的算法变成了$$w_{t+1}=w_t+{\alpha }_t[r_{t+1}+\gamma w_t(s_{t+1})-w_t(s_t)]e_{s_t}$$这是一个向量等式，仅仅更新$w_t$的第$s$个实体。
• 将上面式子两边乘以$e_{s_t}^T$，得到$$w_{t+1}(s_t)=w_t(s_t)+{\alpha }_t[r_{t+1}+\gamma w_t(s_{t+1})-w_t(s_t)]$$这就是基于表格形式的TD算法。

Illustrative examples

考虑一个5×5的网格世界示例：

• 给定一个策略：$$\pi (a|s)=0.2$$，对于任意的$s,a$
• 我们的目标是基于该策略，估计state values（策略评估问题）
• 总计有25种state values。
• 设置$r_{forbidden}=r_{boundary}=-1,r_{target}=1,\gamma =0.9$
  

Ground truth:

• true state values和3D可视化
  

Experience samples：

• 500 episodes were generated following the given policy
• Each episode has 500 steps and starts from a randomly selected state-action pair following a uniform distribution。

为了对比，首先给出表格形式的TD算法（TD-Table）的结果：

那么看一下TD-Linear是否也能很好估计出来state value呢？
第一步就是要建立feature vector。要建立一个函数，这个函数也对应一个曲面，这个曲面能很好地拟合真实的state value对应的曲面。那么函数对应的曲面最简单的情况是什么呢？就是平面，所以这时候选择feature vector等于$$\varphi (s)=\left[\begin{array}{c}1\\ x\\ y\end{array}\right]\in {\mathbb{R}}^3$$在这种情况下，近似的state value是$$\hat{v}(s,w)={\varphi }^T(s)w=[1,x,y]\left[\begin{array}{c}{w}_1\\ w_2\\ w_3\end{array}\right]=w_1+w_{2}x+w_{3}y$$注意，$\varphi (s)$也可以定义为$\varphi (s)=[x,y,1{]}^T$，其中这里边的顺序是不重要的。

将刚才的feature vector带入TD-Linear算法中，得到:

• 这里边的趋势是正确的，但是有一些错误，这是由于用平面拟合的本身方法的局限性。
• 我们尝试使用一个平面去近似一个非平面，这是非常困难的。

为了提高近似能力，可以使用high-order feature vectors，这样也就有更多的参数。

• 例如，我们考虑这样一个feature vector：$$\varphi (s)=[1,x,y,x^2,y^2,xy{]}^T\in {\mathbb{R}}^6$$在这种情况下，有$$\hat{v}(s,w)={\varphi }^T(s)w=w_1+w_{2}x+w_{3}y+w_4{x}^2+w_5{y}^2+w_{6}xy$$这对应一个quadratic surface。
• 可以进一步增加feature vector的维度$$\varphi (s)=[1,x,y,x^2,y^2,xy,x^3,y^3,x^{2}y,x{y}^2{]}^T\in {\mathbb{R}}^{1}0$$

通过higher-order feature vectors的TD-Linear算法的结果:

Summary of the story

1）首先从一个objective function出发$$J(w)=\mathbb{E}[(v_{\pi }(S)-\hat{v}(S,w){)}^2]$$这个目标函数表明这是一个policy evaluation问题.
2）然后对这个objective function进行优化，优化方法使用gradient-descent algorithm:$$w_{t+1}=w_t+{\alpha }_t(v_{\pi }(s_t)-\hat{v}(s_t,w_t)){\nabla }_w\hat{v}(s_t,w_t)$$但是问题是里边有一个$v_{\pi }(s_t)$是不知道的。
3）第三，使用一个近似替代算法中的true value function $v_{\pi }(s_t)$，得到下面算法：$$w_{t+1}=w_t+{\alpha }_t[r_{t+1}+\gamma \hat{v}(s_{t+1},w_t)-\hat{v}(s_t,w_t)]{\nabla }_w\hat{v}(s_t,w_t)$$

尽管上面的思路对于理解基本思想是非常有帮助的，但是它在数学上是不严谨的，因为做了替换操作。

Theoretical analysis

一个基本的结论，这个算法$$w_{t+1}=w_t+{\alpha }_t[r_{t+1}+\gamma \hat{v}(s_{t+1},w_t)-\hat{v}(s_t,w_t)]{\nabla }_w\hat{v}(s_t,w_t)$$不是去minimize下面的objective function：$$J(w)=\mathbb{E}[(v_{\pi }(S)-\hat{v}(S,w){)}^2]$$

实际上，有多种objective functions：

• Objective function 1：True value error$$J(w)=\mathbb{E}[(v_{\pi }(S)-\hat{v}(S,w){)}^2]=||\hat{v}(w)-v_{\pi }|{|}_D^2$$
• Objective function 2：Bellman error$$J_{BE}(w)=||\hat{v}(w)-(r_{\pi }+\gamma P_{\pi }\hat{v}(w))|{|}_D^2\doteq ||\hat{v}(w)-T_{\pi }(\hat{v}(w))|{|}_D^2$$其中$T_{\pi }(x)\doteq r_{\pi }+\gamma P_{\pi }x$
• Objective function 2：Projected Bellman error$$J_{PBE}(w)=||\hat{v}(w)-M{T}_{\pi }(\hat{v}(w))|{|}_D^2$$其中$M$是一个projection matrix（投影矩阵）

简而言之，上面提到的TD-Linear算法在最小化projected Bellman error。

Sarsa with function appriximation

到目前为止，我们仅仅是考虑state value estimation的问题，也就是我们希望$$\hat{v}\approx v_{\pi }$$。为了搜索最优策略，我们需要估计action values。

The Sarsa algorithm with value function approximation是：

这个上一节介绍的TD算法是一样的，只不过将$\hat{v}$换成了$\hat{q}$

为了寻找最优策略，我们将policy evaluation（上面算法做的事儿）和policy improvement结合。下面给出Sarsa with function approximation的伪代码：

举个例子：

• Sarsa with linear function approximation。
• $r_{forbidden}=r_{boundary}=-10,r_{target}=1,\gamma =0.9,\alpha =0.001,ϵ=0.1$
  

Q-learning with function approximation

类似地，tabular Q-learning也可以扩展到value function approximation的情况。

The q-value更新规则是：

这与上面的Sarsa算法相同，除了$\hat{q}(s_{t+1},a_{t+1},w_t)$被替换为${\max }_{a\in \mathcal{A}(s_{t+1})}\hat{q}(s_{t+1},a,w_t)$。

Q-learning with function approximation伪代码（on-policy version）：

举个例子：

• Q-learning with linear function approximation
• $r_{forbidden}=r_{boundary}=-10,r_{target}=1,\gamma =0.9,\alpha =0.001,ϵ=0.1$
  

Deep Q-learning

Deep Q-learning算法又被称为deep Q-network (DQN)：

• 最早的一个和最成功的一个将深度神经网络算法引入到强化学习中
• 神经网络的角色是一个非线性函数approximator
• 与下面的算法不同，是由于训练一个网络的方式：
  
  Deep Q-learning旨在最小化目标函数/损失函数：
  
  其中$(S,A,R,S^{\prime })$是随机变量。
  
  那么如何最小化目标函数呢？使用Gradient-descent！但是如何计算目标函数的梯度还是有一些tricky。这是因为在目标函数中有两个位置有$w$：
  
  也就是说参数w不仅仅只出现在$\hat{q}(S,A,w)$中，还出现在它的前面。这里用$y$表示：$$y\doteq R+\gamma \underset{a\in \mathcal{A}(S^{\prime })}{\max }\hat{q}(S^{\prime },a,w)$$

为了简单起见，我们可以假设$w$在$y$中是固定的(至少一定时间内)，当我们计算梯度的时候。为了这样做，我们引入两个network。

• 一个是main network，用以表示$\hat{q}(s,a,w)$
• 另一个是target network $\hat{q}(s,a,w_T)$

用这两个network吧上面目标函数中的两个$\hat{q}$区分开来，就得到了如下式子：

其中$w_T$是target network parameter。

当$w_T$是固定的，可以计算出来$J$的梯度如下：

• 这就是Deep Q-learning的基本思想，使用gradient-descent算法最小化目标函数。
• 然而，这样的优化过程涉及许多重要的技巧。

第一个技巧：使用了两个网络，一个是main network，另一个是target network。
为什么要使用两个网络呢？在数学上来说因为计算梯度的时候会非常的复杂，所以先去固定一个，然后再去计算另一个，这样就需要两个网络来实现。
具体实现的细节：

• 令$w$和$w_T$分别表示mean network和target network的参数，它们初始化的时候是一样的。
• 在每个iteration中，从replay buffer中draw一个mini-batch样本$\{(s,a,r,s^{\prime })\}$
• 网络的输入包括state $s$和action $a$，目标输出是$y_T\doteq r+\gamma {\max }_{a\in \mathcal{A}(s^{\prime })}\hat{q}(s^{\prime },a,w_T)$。然后我们直接基于the mini-batch $\{(s,a,r,s^{\prime })\}$最小化TD error或者称为loss function $(y_T-\hat{q}(s,a,w){)}^2$。这样一段时间后，参数w发生变化，再将其赋给$w_T$，再用来训练$w$。

另一个技巧：Experience replay（经验回放）
问题：什么是Experience replay？
回答：

• 我们收集一些experience samples之后，we do NOT use these samples in the order they were collected。
• Instead，我们将它们存储在一个set中，称为replay buffer $\mathcal{B}\doteq \{(s,a,r,s^{\prime })\}$
• 每次我们训练neural network，我们可以从replay buffer中draw a mini-batch的random samples
• 取出的samples，称为experience replay，应当按照一个均匀分布的方式，即每个experience被replay的机会是相等的。

问题：为什么在deep Q-learning中要用experience replay？为什么replay必须要按照一个uniform distribution的方式?
回答：这个回答依赖于下面的objective function

• $(S,A)\sim d$：$(S,A)$是一个索引，并将其视为一个single random variable。
• $R\sim p(R|S,A),S^{\prime }\sim p(S^{\prime }|S,A)$：$R$和$S$由system model确定
• state-action pair $(S,A)$的分布假定是uniform.
• 然而，样本采集不是按照均匀分布来的，因为它们是由某个policies按顺序生成的。
• 为了打破顺序采样样本的关联，我们才从replay buffer中按照uniformly方式drawing samples，也就是experience replay technique
• 这是在数学上为什么experience replay是必须的，以及为什么experience replay必须是uniform的原因。

回顾tabular的情况：

• 问题1：为什么tabular Q-learning没有要求experience replay？
  • 回答：没有uniform distribution的需要
• 问题2：为什么Deep Q-learning 涉及distribution？
  • 回答：因为在deep Q-learning的情况下，目标函数是一个在所有$(S,A)$之上的scale average。tabular case没有涉及$S$或者$A$的任何distribution。在tabular情况下算法旨在求解对于所有的$(s,a)$的一组方程（Bellman optimality equation）。
• 问题3：可以在tabular Q-learning中使用experience replay吗？
  • 回答：可以，而且还会让sample更加高效，因为同一个sample可以用多次。

再次给出Deep Q-learning的伪代码（off-policy version）：

需要澄清的几个问题：

• 为什么没有策略更新？因为这里是off-policy
• 为什么没有使用之前导出的梯度去更新策略？因为之前导出梯度的算法比较底层，它可以指导我们去生成现在的算法，但是要遵循神经网络批量训练的黑盒特性，然后更好地高效地训练神经网络
• 这里网络的input和output与DQN原文中的不一样。原文中是on-policy的，这里是off-policy的。

举个例子：目标是learn optimal action values for every state-action pair。一旦得到最优策略，最优greedy策略可以立即得到。
问题设置：

仿真结果：

如果我们仅仅使用100步的一个single episode将会发生什么？也就是数据不充分的情况

可以看出，好的算法是需要充分的数据才能体现效果的。

内容来源

1. 《强化学习的数学原理》 西湖大学工学院赵世钰教授 主讲
2. 《动手学强化学习》 俞勇 著