本文为Thomas Simonini增强学习系列文章笔记或读后感,原文可以直接跳转到medium系列文章

主要概念为:

Q-Learning,探讨其概念以及用Numpy实现

我们可以将二维游戏想象成平面格子,每个格子代表一个状态,并且对应了不同的动作,例如下图:

Q函数接收状态和动作两个参数并输出Q值,即在一个状态下各种动作各自未来的期望奖励。公式如下:

这里的未来期望奖励,就是当前状态下一直到结束状态(成功或失败)所获取的奖励。

Q-learning算法伪代码

其中,更新Q值为bellman等式,如下描述:

这篇文章总体来说,非常简单,各种步骤也特别详细,告诉了我们如何计算Q-table的算法过程。但是为什么能迭代到最优,并没有给出一个比较明确的证明过程。主要也是因为采用的EE平衡问题,这个过程采用了greedy episolon的启发式算法,每次直接选取的是最大概率的action,而多次重复episode, 其实计算的是对未来的奖励积累的期望。所以从bellman等式到Q(s, a) state-value function 定义如何连接的呢?推导的公式如下:

Numpy具体实现

# -*- coding: utf-8 -*-

# pkg need
import numpy as np
import gym
import random
import time # step 1. create the environment
env = gym.make("Taxi-v2")
env.render() # tick and run it to see # this game enviroment could be found detail documented at:
# https://gym.openai.com/envs/#toy_text
# pick and drop off the passenger right for -20 points,
# fail for either one will lose 10 points
# every step will decrease 1 points # step 2. create the q-table and initialize it.
state_size = env.observation_space.n
action_size = env.action_space.n
qtable = np.zeros((state_size, action_size))
print("state size: %d, action size: %d" % qtable.shape) # tick and run # step 3. create the hyperparameters
total_episodes = 50000
total_test_episodes = 100
max_steps = 99 learning_rate = 0.7
gamma = 0.618 # exploration parameter
epsilon = 1.0 # exploration rate
max_epsilon = 1.0 # exploration probability at start
min_epsilon = 0.01 # minumum exploration probability
decay_rate = 0.01 # exponential rate to decay exploration rate # step 4. The Q learning algorithm
# 2 For life or until learning is stopped
for episode in range(total_episodes):
# reset the environment
state = env.reset()
step = 0
done = False # start the game
for step in range(max_steps):
# 3 choose an action a in the current world state (s)
# first random a number
ee_tradeoff = random.uniform(0, 1) # exploitation, taking the biggest Q value for this state
if ee_tradeoff > epsilon:
action = np.argmax(qtable[state, :])
else:
action = env.action_space.sample() # exploration, randomly sample a action # take action and observe the outcome
new_state, reward, done, info = env.step(action) # Update the Q(s, a)
qtable[state, action] += learning_rate * (
reward + gamma * np.max(qtable[new_state, :]) - qtable[state, action]) # update state
state = new_state # if done: finish episode
if done:
break # reduce epsilon -> we want less and less exploration
epsilon = min_epsilon + (max_epsilon - min_epsilon) * np.exp(-decay_rate * episode) print(qtable) # use q table to play taxi def play(env, qtable, show=True, sec=None):
state = env.reset()
step = 0
done = False
total_rewards = 0 for step in range(max_steps):
# see agent to play
if show:
env.render()
action = np.argmax(qtable[state, :]) new_state, reward, done, info = env.step(action)
total_rewards += reward if done:
break if sec:
time.sleep(sec) state = new_state
return total_rewards # play one test episode
play(env, qtable) env.reset()
rewards = []
for episode in range(total_test_episodes):
total_rewards = play(env, qtable, show=False)
rewards.append(total_rewards) env.close()
print("Score over time: " + str(sum(rewards) / total_test_episodes))

参考文献:

1. bellman equation to state value function,berkeley的增强学习课程,讲的真详细。

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