Datawhale 强化学习笔记(三）基于策略梯度(policy-based)的算法

参考

第九章 策略梯度

之前介绍的 DQN 算法属于基于价值(value-based)的算法，基于策略梯度的算法直接对策略本身进行优化。
将策略描述成一个带有参数 $\theta$ 的连续函数，该函数将某个状态作为输入，输出的不再是某个确定性(deterministic)的离散动作，而是对应的动作概率分布，通常用 $\pi (a|s)$ 表示，称作随机性(stochastic)策略。对比之前的动作价值函数$Q(s,a)$.

基于价值函数的缺点

• 无法表示连续动作。由于 DQN 等算法是通过学习状态和动作的价值函数来间接指导策略的，因此它们只能处理离散动作空间的问题，无法表示连续动作空间的问题。而在一些问题中，比如机器人的运动控制问题，连续动作空间是非常常见的，比如要控制机器人的运动速度、角度等等，这些都是连续的量。注意
• 高方差。基于价值的方法通常都是通过采样的方式来估计价值函数，这样会导致估计的方差很高，从而影响算法的收敛性。
• 探索与利用的平衡问题。DQN等算法在实现时通常选择贪心的确定性策略，而很多问题的最优策略是随机策略，即需要以不同的概率选择不同的动作。虽然可以通过 $??greedy$ 策略等方式来实现一定程度的随机策略，但是实际上这种方式并不是很理想，因为它并不能很好地平衡探索与利用的关系。

策略梯度算法

策略梯度算法是一类直接对策略进行优化的算法，但它的优化目标与基于价值的算法是一样的，都是累积的价值期望
$V^{?}(s)$。我们通常用 ${\pi }_{\theta }(a|s)$ 来表示策略，即在状态 s 下采取动作 a
的概率分布 $p(a|s)$，其中 $\theta$ 是我们要去求出来的模型参数。

目标就是最大化策略的价值期望 KaTeX parse error: Undefined control sequence: \J at position 1: \?J?(\pi_{\theta}).
基于价值的算法是通过学习价值函数来指导策略的，而基于策略的算法则是对策略进行优化，并且通过计算轨迹的价值期望来指导策略的更新。

REINFORCE 算法

轨迹是由状态和动作组合而成的序列，实际上一方面环境的初始状态是随机的，另一方面智能体每次采取的动作是随机的，从而导致每条轨迹的长度都可能不一样，这样组合起来的轨迹几乎是无限多条的，这样一来求解目标函数的梯度就变得非常困难了。那么这个时候我们就需要利用蒙特卡洛的方法来近似求解了，即我们可以不必采样所有的轨迹，而是采样一部分且数量足够多的轨迹，然后利用这些轨迹的平均值来近似求解目标函数的梯度。这种方法就是蒙特卡洛策略梯度算法，也称作 REINFORCE 算法。

策略梯度推导进阶

平稳分布，顾名思义就是指在无外界干扰的情况下，系统长期运行之后其状态分布会趋于一个固定的分布，不再随时间变化。
平稳分布的性质

• 任意两个状态之间都是互相连通的，即任意两个状态之间都可以通过一定的步骤到达，这个性质称为连通性
• 任意状态在平稳分布下的概率都是一样的，这个性质称为细致平稳
  这两个性质在马尔科夫链中是等价的，即如果一个马尔科夫链满足连通性，那么它一定满足细致平稳性，反之亦然。

策略函数的设计

离散动作的策略函数

策略函数输出的是各个动作的概率分布，输入层和 DQN中的近似Q函数一样，一般是维度等于状态数的线性层。但原来 Q 网络模型输出的值有正有负，一般用 softmax 转换成概率分布。

连续动作的策略函数