2020李宏毅学习笔记——65 RL Advanced Version 1.Policy Gradient

Policy Gradient
术语和基本思想
基本组成:

actor (即policy gradient要学习的对象, 是我们可以控制的部分)
环境 environment (给定的,无法控制)
回报函数 reward function (无法控制)
Policy of actor π:

如下图所示,Policy 可以理解为一个包含参数 θ \thetaθ的神经网络,该网络将观察到的变量作为模型的输入,基于概率输出对应的行动action在这里插入图片描述
Episode:
游戏从开始到结束的一个完整的回合
actor的目标:
最大化总收益reward
Trajectory τ:
行动action和状态state的序列
给定神经网络参数θ \的情况下,出现行动状态序列 ττ的概率:
以下概率的乘积:初始状态出现的概率;给定当前状态,采取某一个行动的概率;以及采取该行动之后,基于该行动以及当前状态返回下一个状态的概率,用公式表示为:在这里插入图片描述
给定一个行动状态序列 τ \tauτ, 我们可以得到它对应的收益reward,通过控制actor,我们可以得到不同的收益。由于actor采取的行动以及给定环境下出现某一个状态state是随机的,最终的目标是找到一个具有最大期望收益(即下述公式)的actor。

累积期望收益:采取某一个行动状态序列τ \tauτ的概率, 以及该行动状态序列对应的收益reward的乘积之和。
在这里插入图片描述
Policy Gradient
得出目标函数之后,就需要根据目标函数求解目标函数最大值以及最大值对应的policy的参数 θ。类比深度学习中的梯度下降求最小值的方法,由于我们这里需要求的是目标函数的最大值,因此需要采取的方法是梯度上升。也就是说,思想起点是一样的,即需要求出目标函数的梯度。

求解梯度的步骤如下,以前文所述目标函数为基础,对参数 θ 求导,其中,对概率加权的reward求和就是求reward的期望,因此有红框部分的改写,又因为训练的过程中会进行采样训练,采样个数为N,因此公式可以近似表示为N词采样得到的reward的平均。
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Tip 1: 添加基准线
由于训练过程中采样是随机的,可能会出现某个行动不被采样的情况,这会导致采取该行动的概率下降;另外,由于采取的行动概率和为一,可能存在归一化之后,好的action的概率相对下降,坏的action概率相对上升的情况,因此需要引入一个基准线baseline b bb.
具体的例子:当policy决定采取的三个action a,b,c均有正的reward时,比如3,4,5,在计算各个action的概率的时候,本来应该给action c分配较大的概率,但是归一化之后,a的概率反而可能上升,c的概率可能会下降,与对应reward应该被分配的概率分布不符。但是引入baseline之后,可能a的reward会变为负,这样的话,采取该行动的概率就会下降。
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Tip 2: 进一步考虑各个时间点的累积收益计算方式
考虑到在时间t采取的行动action与t时期之前的收益reward无关,因此只需要将t时刻开始到结束的reward进行加总。并且,由于行动action对随后各时间点的reward的影响会随着时间的推移而减小,因此加入折旧因子 γ。这样就得到了一个考虑比较全面,比较完善的梯度计算方式。

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