[数据结构与算法]【深度强化学习】动态规划（Dynamic Programming）

动态规划是 model-based 类的算法，需要明确 MDP 的所有信息。在实际应用中，很少使用动态规划来解决大规模强化学习问题。动态规划分为两个算法，一个是值迭代，另一个是策略迭代。

1?Introduction

1.1 What is Dynamic Programming?

动态规划就是将一个比较复杂的问题拆解为多个简单的子问题，转而将目标放在解决子问题的一般步骤上，最终结合所有子问题的解即可得到复杂问题的最终解。（刷过leetcode的应该都知道吧）

1.2 Requirements for Dynamic Programming

对于动态规划使用的复杂问题，需要具备以下两个性质：

• 复杂问题的最优解由子问题的最优解组成
• 子问题在求解复杂问题中重复出现，子问题的解可以被缓存和重用

马尔科夫决定过程（MDP）具有上述两个属性：

• Bellman 方程把问题递归为求解子问题
• 价值函数就相当于存储了一些子问题的解，可以复用

因此，我们可以使用动态规划来求解 MDP。

1.3 Planning by Dynamic Programming

“Planning ” ：“规划问题”，在完全了解 MDP 结构的情况下，求解最优的 Policy。

所谓完全了解 MDP 结构，就是知道 状态行为空间、转换矩阵、奖励等。

“规划” 问题分为两个方面：预测（prediction）和 控制（control）。prediction 要解决的是在知道 policy 的前提下，求 value function（评估）。control 要解决的是在 prediction 的基础上，循环不同的 policy，找到最佳 policy。

2 Policy Evaluation

2.1?Iterative Policy Evaluation

我们使用 反向迭代 Bellman 期望方程?的方式去 评估 policy。

同步反向迭代：对于第 K+1 次迭代，所有状态的价值??使用第 K 次迭代的??来更新，其中，?是 s 的后继状态。

?例子：评估小方格世界中的随机策略

上图说明了例子中的条件：

1. 该 MDP 的衰减因子为1（不衰减）；
2. 具有14个非终止状态，1个终止状态（阴影方块就是终止状态）；
3. 当 action 出界时，不改变状态（出界的行为将原地不动）；
4. 在到达终止状态前，每个 action 的 reward 都是 -1；
5. 上、下、左、右的 action 的概率相同，都是 1/4。

k = 0（初始）时，所有状态的价值都初始化为0；

k = 1 时，更新每个状态的价值。以蓝色块为例，其向上、下、左、右方向的 reward 都是 -1，且 k = 0 时所有状态价值均为0，故 1/4 * (-1 -1 -1 -1) = -1；

k = 2 时，更新每个状态的价值。以蓝色块为例，括号里前两项【-1+(-1)】指的是 当前reward 和 k = 1 时的后继状态价值，由于 k = 1 时从蓝色块出发，上、下、右的后继状态价值都时1，而左的后继状态价值为0，故括号里最后一项【-1+0】。

以此类推，直至收敛。

2.2 How to Improve a Policy

优化策略的方法很简单：

1. 首先在一个给定的策略下迭代更新价值函数；
2. 然后在当前策略的基础上，贪心地选择行为，使得后继价值增加得最多。

在上述例子中，基于给定策略的价值迭代最终收敛得到的就是最佳策略，这并不常见。通常，还需要在改善的策略上继续评估，反复多次。不过这种方法总能收敛至最优策略。

2.3 Policy Iteration

下图很直观的表现出了策略迭代的核心思想，在当前策略上迭代计算 v 值，再根据 v 值贪婪地更新策略，如此反复多次，最终得到 最优策略?和最优状态价值函数。

贪心?指的是仅采取那个（些）使得状态价值得到最大的行为。

2.4 Policy Improvment

下面是策略迭代的理论证明。

3 Value Iteration

3.1?Principle of Optimality

一个最优的策略可以分为两个部分，一个从 状态s 到达 状态 s' 的最佳 action 和 从 状态 s' 出发采取的最佳 policy。

定理：一个策略能够使得 状态s 获得最优价值，当且仅当：对于从 状态s 可以到达的任何 状态s’，该策略能够使得 状态s’ 的价值是最优价值。

?3.2?Deterministic Value Iteration

?在 3.1 的定理的基础上，如果我们知道?期望的最终状态的位置?以及 反推需要明确的状态间关系，我们就可以从最终状态出发，进行反推。这就是一个确定性的价值迭代。

例子

Solution 1：Value Iteration

并不确定最终状态在哪里，而是根据?每一个状态?的最优后续状态价值来更新该状态的最佳状态价值。多次迭代最终收敛。这也是根据一般适用性的价值迭代。在这种情况下，就算不知道目标状态在哪里，这套系统同样可以工作。

?Solution 2：Determistic Value Iteration

在已知左上角为最终目标的情况下，我们可以从与左上角相邻的两个方格开始计算，因为这两个方格是可以仅通过1步就到达目标状态的状态，或者说目标状态是这两个状态的后继状态。最短路径可以量化为：每移动一步获得一个-1的即时奖励。为此我们可以更新与目标方格相邻的这两个方格的状态价值为-1。如此依次向右下角倒推，直至所有状态找到最短路径。

3.3 Value Iteration

Solution：从初始状态价值开始同步迭代计算，最终收敛，整个过程中?没有遵循任何策略。?

注意：与策略迭代不同，在值迭代过程中，算法不会给出明确的策略，迭代过程其间得到的价值函数不对应任何策略。

4 Summary

1. Prediction（预测）：根据已知的 policy，求价值函数；
2. Control（控制）：基于 Prediction，求出最优策略；
3. Control 的两个解决方案：Policy Iteration 和 Value Iteration；
4. Policy Iteration：policy evaluation?+ policy improvement 交替执行直到收敛；
5. Value Iteration：寻找 Optimal value function + 一次 policy extraction，它们不用交替执行，因为值函数最优，策略通常也是最优。

?Reference

1. David Silver《深度强化学习课程》
2. https://zhuanlan.zhihu.com/reinforce

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