Q-Learning详解

前言:
本文算是个人笔记，如有不足或需要讨论的，欢迎交流，邮箱即QQ。
有大佬知道如何搭网络的（如多少层和每层多少个神经元等参数怎么调），求请教。。

照例顶封面：

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强化学习简介： image.png

Q-Learning是强化学习方法的一种。要使用这种方法必须了解Q-table（Q表）。
Q表是 状态-动作 与 估计的未来奖励 之间的映射表，如下图所示。（谁会做个好图的求教=-=）

image.png

纵坐标为状态，横坐标为动作，值为估计的未来奖励。
每次处于某一确定状态的时候，从表中查找此状态下最高未来奖励值的动作作为接下来的动作，若存在多个相同的值，则随机选择其中一个。一直重复，直到终点。

Q表的作用可看出是至关重要的。那么关键就在于如何获取一个可用的Q表。一般来说，我们的RL任务的模型都是未知的，不可以采用动态规划的方法。两种基本方法--蒙特卡洛（MC）和时间差分法（TD）。

蒙特卡洛（MC）：
找了许多资料都没找到使用这方法的代码，所以只能从其定义出发说明是如何工作的。（有错误请指正）

• 1：随机选取一个状态S开始游戏
• 2：直到游戏终或者行动步数到达最大时，将获得的未来奖励（以目前表以及游戏每个状态本身的反馈奖励获得）。
• 3：重复2步骤N次，所获得奖励的平均值为目前此状态S的新的未来奖励值（注意，可以使用目前平均值为新的值，直接覆盖旧的值。也可以新值与旧值加权求合）。对于（s，a）的未来奖励同理。
• 4：重复1步骤，但要求每个状态s都能够被选到。
  很明显这要的时间相当多，所以这也应该是没人用他写代码的原因吧。

时间差分法（TD）：
这个能做到每一步都更新一次，同时可以异步跟新（不用每次都要求所有状态更新一次来轮转，选到谁就更新谁，所以也要求每个状态都能够选到）。一般说的TD都指的是TD(0) （ps：为啥不叫TD(1)啊），即每次只往后看一步，这是什么意思呢，看了接下来的流程估计就懂了。（使用的都是（s，a）值）

• 1：随机选取一个状态S开始游戏
• 2：此s状态下选取a（根据贪婪 或者 ε-贪婪），并在动作a的状态下获得s‘，即下一状态。
• 3：使用s状态下的反馈奖励以及s’的未来奖励更新s的未来奖励。（一般这两者与目前s状态的未来奖励加权求和）（ps： 这里就是sarsar与Qlearning的区别，s'是指s中通过策略抵达的下一状态，但此状态下也有许多的（s，a）值，该以哪个来更新呢？Qlearning中，选取最大的（s，a）为更新值。sarsar中，对所有（s，a）值求平均，作为更新值。这也是所谓的Qlearning高风险高收益，sarsar比较保守的原因。）
• 4：重复1步骤，(但要求每个状态s都能够被选到。)

#Initialize table with all zeros
Q = np.zeros([env.observation_space.n,env.action_space.n])
# Set learning parameters
lr = .8
y = .95
num_episodes = 2000
#create lists to contain total rewards and steps per episode
#jList = []
rList = []
for i in range(num_episodes):
    #Reset environment and get first new observation
    s = env.reset()
    rAll = 0
    d = False
    j = 0
    #The Q-Table learning algorithm
    while j < 99:
        j+=1
        #Choose an action by greedily (with noise) picking from Q table
        a = np.argmax(Q[s,:] + np.random.randn(1,env.action_space.n)*(1./(i+1)))
        #Get new state and reward from environment
        s1,r,d,_ = env.step(a)
        #Update Q-Table with new knowledge
        Q[s,a] = Q[s,a] + lr*(r + y*np.max(Q[s1,:]) - Q[s,a])
        rAll += r
        s = s1
        if d == True:
            break
    #jList.append(j)
    rList.append(rAll)

这是网上找到的一个代码，每个episode运行99次动作，s最开始都是同一个地方，在这99次动作中，每次s产生的下个s1状态作为下一次的s，然后每次进行TD（0）更新。
注意，这里所用的是上面提到的TD(0),若想要TD(n) ，n>1,
（以上面代码为例）

• 则应该在每次j下，还要添加n次循环，
• n次循环的每一次都要用Q表选择a然后获得s‘，对每次获得的（s,a）加权求合，然后以此加权值更新当前的（s，a）。
• 当然下一状态应该是第一次选a时所获得的状态s’。
  如果还是不懂的话，建议参考David Silver关于TD的那节（没记错的话是第五节的课）。或者是看An Introduction to RL - SuttonBook这本书中关于TD的部分。

目前为止，Qlearning所要讲的都讲完了，应该没有落下的。接下来就是DQN，将DQN必须要理解Qlearning以及神经网络的一些基本原理。

如果对你有帮助，请点个感谢，如果有问题，请私信。
照常：

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