增强学习（五）----- 时间差分学习(Q learning, Sarsa learning)

接下来我们回顾一下动态规划算法(DP)和蒙特卡罗方法(MC)的特点，对于动态规划算法有如下特性：

需要环境模型，即状态转移概率PsaPsa
状态值函数的估计是自举的(bootstrapping)，即当前状态值函数的更新依赖于已知的其他状态值函数。

相对的，蒙特卡罗方法的特点则有：

可以从经验中学习不需要环境模型
状态值函数的估计是相互独立的
只能用于episode tasks

而我们希望的算法是这样的：

不需要环境模型
它不局限于episode task，可以用于连续的任务

本文介绍的时间差分学习(Temporal-Difference learning, TD learning)正是具备了上述特性的算法，它结合了DP和MC，并兼具两种算法的优点。

TD Learing思想

在介绍TD learning之前，我们先引入如下简单的蒙特卡罗算法，我们称为constant-αα MC，它的状态值函数更新公式如下：

V(st)←V(st)+α[Rt−V(st)](1)(1)V(st)←V(st)+α[Rt−V(st)]

其中RtRt是每个episode结束后获得的实际累积回报，αα是学习率，这个式子的直观的理解就是用实际累积回报RtRt作为状态值函数V(st)V(st)的估计值。具体做法是对每个episode，考察实验中stst的实际累积回报RtRt和当前估计V(st)V(st)的偏差值，并用该偏差值乘以学习率来更新得到V(St)V(St)的新估值。

现在我们将公式修改如下，把RtRt换成rt+1+γV(st+1)rt+1+γV(st+1)，就得到了TD(0)的状态值函数更新公式：

V(st)←V(st)+α[rt+1+γV(st+1)−V(st)](2)(2)V(st)←V(st)+α[rt+1+γV(st+1)−V(st)]

为什么修改成这种形式呢，我们回忆一下状态值函数的定义：

Vπ(s)=Eπ[r(s′|s,a)+γVπ(s′)](3)(3)Vπ(s)=Eπ[r(s′|s,a)+γVπ(s′)]

容易发现这其实是根据(3)的形式，利用真实的立即回报rt+1rt+1和下个状态的值函数V(st+1)V(st+1)来更新V(st)V(st)，这种就方式就称为时间差分(temporal difference)。由于我们没有状态转移概率，所以要利用多次实验来得到期望状态值函数估值。类似MC方法，在足够多的实验后，状态值函数的估计是能够收敛于真实值的。

那么MC和TD(0)的更新公式的有何不同呢？我们举个例子，假设有以下8个episode, 其中A-0表示经过状态A后获得了回报0:

index	samples
episode 1	A-0, B-0
episode 2	B-1
episode 3	B-1
episode 4	B-1
episode 5	B-1
episode 6	B-1
episode 7	B-1
episode 8	B-0

首先我们使用constant-αα MC方法估计状态A的值函数，其结果是V(A)=0V(A)=0，这是因为状态A只在episode 1出现了一次，且其累计回报为0。

现在我们使用TD(0)的更新公式，简单起见取λ=1λ=1，我们可以得到V(A)=0.75V(A)=0.75。这个结果是如何计算的呢？首先，状态B的值函数是容易求得的，B作为终止状态，获得回报1的概率是75%，因此V(B)=0.75V(B)=0.75。接着从数据中我们可以得到状态A转移到状态B的概率是100%并且获得的回报为0。根据公式(2)可以得到V(A)←V(A)+α[0+λV(B)−V(A)]V(A)←V(A)+α[0+λV(B)−V(A)]，可见在只有V(A)=λV(B)=0.75V(A)=λV(B)=0.75的时候，式(2)收敛。对这个例子，可以作图表示：

可见式(2)由于能够利用其它状态的估计值，其得到的结果更加合理，并且由于不需要等到任务结束就能更新估值，也就不再局限于episode task了。此外，实验表明TD(0)从收敛速度上也显著优于MC方法。

将式(2)作为状态值函数的估计公式后，前面文章中介绍的策略估计算法就变成了如下形式，这个算法称为TD prediction:

输入：待估计的策略ππ
任意初始化所有V(s)V(s)，(e.g.,V(s)=0,∀s∈s+e.g.,V(s)=0,∀s∈s+)
Repeat(对所有episode):
　　初始化状态 ss
　　Repeat(对每步状态转移):
　　　　a←a←策略ππ下状态ss采取的动作
　　　　采取动作aa，观察回报rr，和下一个状态s′s′
　　　　V(s)←V(s)+α[r+λV(s′)−V(s)]V(s)←V(s)+α[r+λV(s′)−V(s)]
　　　　s←s′s←s′
　　Until stst is terminal
　Until 所有V(s)V(s)收敛
输出Vπ(s)Vπ(s)

Sarsa算法

现在我们利用TD prediction组成新的强化学习算法，用到决策/控制问题中。在这里，强化学习算法可以分为在策略(on-policy)和离策略(off-policy)两类。首先要介绍的sarsa算法属于on-policy算法。
与前面DP方法稍微有些区别的是，sarsa算法估计的是动作值函数(Q函数)而非状态值函数。也就是说，我们估计的是策略ππ下，任意状态ss上所有可执行的动作a的动作值函数Qπ(s,a)Qπ(s,a)，Q函数同样可以利用TD Prediction算法估计。如下就是一个状态-动作对序列的片段及相应的回报值。

给出sarsa的动作值函数更新公式如下：

Q(st,at)←Q(st,at)+α[rt+1+λQ(st+1,at+1)−Q(st,at)](4)(4)Q(st,at)←Q(st,at)+α[rt+1+λQ(st+1,at+1)−Q(st,at)]

可见式(4)与式(2)的形式基本一致。需要注意的是，对于每个非终止的状态stst，在到达下个状态st+1st+1后，都可以利用上述公式更新Q(st,At)Q(st,At)，而如果stst是终止状态，则要令Q(st+1=0,at+1)Q(st+1=0,at+1)。由于动作值函数的每次更新都与(st,at,rt+1,st+1,at+1)(st,at,rt+1,st+1,at+1)相关，因此算法被命名为sarsa算法。sarsa算法的完整流程图如下：

算法最终得到所有状态-动作对的Q函数，并根据Q函数输出最优策略ππ

Q-learning

在sarsa算法中，选择动作时遵循的策略和更新动作值函数时遵循的策略是相同的，即ϵ−greedyϵ−greedy的策略，而在接下来介绍的Q-learning中，动作值函数更新则不同于选取动作时遵循的策略，这种方式称为离策略(Off-Policy)。Q-learning的动作值函数更新公式如下：

Q(st,at)←Q(st,at)+α[rt+1+λmaxaQ(st+1,a)−Q(st,at)](5)(5)Q(st,at)←Q(st,at)+α[rt+1+λmaxaQ(st+1,a)−Q(st,at)]

可以看到，Q-learning与sarsa算法最大的不同在于更新Q值的时候，直接使用了最大的Q(st+1,a)Q(st+1,a)值——相当于采用了Q(st+1,a)Q(st+1,a)值最大的动作，并且与当前执行的策略，即选取动作atat时采用的策略无关。 Off-Policy方式简化了证明算法分析和收敛性证明的难度，使得它的收敛性很早就得到了证明。Q-learning的完整流程图如下：

小结

本篇介绍了TD方法思想和TD(0),Q(0),Sarsa(0)算法。TD方法结合了蒙特卡罗方法和动态规划的优点，能够应用于无模型、持续进行的任务，并拥有优秀的性能，因而得到了很好的发展，其中Q-learning更是成为了强化学习中应用最广泛的方法。在下一篇中，我们将引入资格迹(Eligibility Traces)提高算法性能，结合Eligibility Traces后，我们可以得到Q(λ),Sarsa(λ)Q(λ),Sarsa(λ)等算法