【强化学习】 REINFORCE 算法 - 教程

REINFORCE 算法

策略梯度法中，一个主要问题是：采用了不相关的奖励信息。在PG计算梯度时，启用了总回报$G(\tau )$作为权重，它包含了整个轨迹的回报（也就是说，站在时刻 t 的视角去看，这个总回报既包含了时刻 t 之前的奖励，也具备了时刻t之后的奖励），实际上，在评估当前动作的时候，只需要关注从这一动作开始直到轨迹结束的“后续表现”（也叫 “rewards to go”），即当前以及未来的奖励，而不应该考虑过去的奖励 。

为了应对这个问题，REINFORCE 算法使用 $G_t$ 来代替 $G(\tau )$作为权重。 表示从当前时刻 t 到轨迹结束的总回报，也就是只要「现在」和「未来」，不要「过去」：

$G_t={\sum }_{k=t}^T{\gamma }^{k-t}{r}_k$表示从时刻 t 开始的累积折扣回报， $ r_k$ 表示在时刻 k 的奖励（初始化为 t ），$\gamma$表示折扣率 。（ 对比$G(\tau )={\sum }_{t=0}^T{\gamma }^t{r}_t$ 理解）

这样一来，启用$G_t$作为权重许可更准确地估计策略梯度。REINFORCE 算法的梯度计算公式如下：

带基线（Baseline）的REINFORCE 算法

借助就是REINFORCE 算法通过用“rewards to go”代替轨迹整体回报改进了PG，但由于强化学习采样轨迹来计算策略梯度的，但这种梯度计算方法往往具有较高的方差，意味着每次采样得到的梯度值差异可能很大，会影响策略更新的稳定性和收敛速度 。

方差较高的原因：

• 智能体每次与环境交互产生的轨迹具体多样性和随机性
• 策略更新后，策略的微小变化可能会导致生成的轨迹发生很大改变

为了减少方差，能够引入基线（Baseline）。核心思想是，为每一步的“后续奖励”减去一个基准值，在数学上表示为b，即参考线，它不一定是一个常数，更多时候是状态$s_t$的一个函数。这个参考线的实际意义是当前的状态下回报奖励的期望，那么超出期望（Baseline）的部分就是优势（Advantage）。在实际训练中，大家会用优势代替原来的“后续奖励”进行梯度估计，以减小方差。具体来说，利用$G_t-b(s_t)$ 来代替 $G_t$作为权重，其中$b(s_t)$ 是当前状态 $s_t$ 的基线值。

带基线的REINFORCE的梯度计算公式如下：

那么当前状态$s_t$ 的基线值 $b(s_t)$ 如何计算？

“rewards to go” 即当前动作之后的奖励在强化学习中被称为Q 函数（动作价值函数）$Q^{\pi }(s,a)$，即在状态 s 采取动作 a 后，未来能获得的累积奖励期望。（即上面的$G_t$ ）

当前状态 $s_t$ 的基线值 $b(s_t)$ 通常通过状态价值函数$V^{\pi }(s)$表示，状态价值函数$V^{\pi }(s)$指的是“状态 s 下的未来累积折扣回报期望”（基准值），可以被认为是对当前状态下「好坏」程度的评估 。$V^{\pi }(s)$通常由一个网络估计出来（如用一个神经网络（价值模型）拟合$V^{\pi }(s)$，并与策略模型联合训练）

通过动作价值函数$Q^{\pi }(s,a)$减去状态价值函数$V^{\pi }(s)$, 我们得到优势函数：$A^{\pi }(s,a)=Q^{\pi }(s,a)-V^{\pi }(s)$, 具体的含义是在某个状态 s 下，选择某个动作 a 相比于平均走法能提升多少胜率。倘若这个动作带来的预期回报$Q^{\pi }(s,a)$远高于当前状态的基准水平$V^{\pi }(s)$相对的好，即相对优势。就是，那么这个动作的优势就是正的，说明它非常值得采用；反之，则说明不如平均水平。优势函数在意的不是绝对的好，而