Preparation

增強式學習跟機器學習一樣都是三個步驟

对于一些问题，人类也不知道正确答案（最优解）。RL（强化学习）。

大纲：

What is RL? (Three steps in ML)
- 什么是 RL？(ML 的三个步骤）
Policy Gradient
- 策略梯度
Actor-Critic
Reward Shaping
- 奖励塑造
No Reward: Learning from Demonstration
- 示教学习/模仿学习

对于机器学习，就是找到一个函数。

对于强化学习，Actor 对于观察 Environment 做出 Action = f(Observation), 所做出的 Function output 又可以影响环境。目标就是找到一个 policy 使得环境反馈得到的 total reward 最大。

强化学习的示例：电子游戏

Space invader 游戏，目标是击杀外 aliens 获得 score 并防止自己的 shield 和 spaceship 不被击杀。

Actor 通过操控 spaceship 以获得更高的 reward。

下围棋也可以是一个 RL 问题，赢了 reward = 1，输了 reward = -1。

用传统机器学习的流程去理解强化学习。

Step 1: Function with Unknown

lnput of neural network: the observation of machine represented as a vector or a matrix
- 神经网络的输入：以矢量或矩阵形式表示的机器观测结果
Output neural network : each action corresponds to aneuron in output layer
- 输出神经网络：每个动作对应输出层的神经元

Step 2: Define “Loss”

在做出不同的行为后，可能获得不同的 reward。

episode 是强化学习中的一个术语，指智能体在环境中执行某个策略从开始到结束的一次完整交互过程。

经过 many turns 后，游戏结束，就是一个 episode，Total reard: $R=\sum^T_{t=1}r_t$ ，即为需要 maximize 的目标。

Step 3: Optimization

对于序列 $\tau=\{s_{1},a_{1},s_{2},a_{2},\cdots\}$ ，获得的 Reward 的总和： $R(\tau)=\sum^T_{t=1}r_t$ 。

如何进行优化是 RL 面临的主要挑战。

Policy Gradient 與修課心情

How to control your actor:

Make it take (or don’t take) a specific action $\hat a$ $ a ^ $ given specific observation $s$ $s$ .
- `在特定观察结果 $s$ 的情况下，让它采取（或不采取）特定行动 $\hat a$ 。

采取行动 $\hat a$ ： $L=e$

不采取行动 $\hat a$ ： $L=-e$

最终目标： $\theta^*=arg\min_\theta L$

对于环境 $s$ ，以及做出的行为 $a$ ，得到最终的 reward $A$ ，则 $L=\sum A_ne_n$ ， $\theta^*=arg\min_{\theta}L$

如果只看当前的 $A$ 最大作为优化目标，是短视的行为，因为局部最优不等于全局最优。

An action affects the subsequent observations and thus subsequent rewards.
- 行动会影响后续的观察结果，从而影响后续的奖励。
Reward delay: Actor has to sacrifice immediate reward togain more long-term reward.
- 奖励延迟：行为者必须牺牲眼前的奖励来换取更多的长期奖励。
In space invader, only “fire” yields positive reward, so version 0 will learn an actor that always “fire”
- 在 "太空入侵者 "中，只有 "开火 "才会产生正奖励，因此 Verison 0 将学习一个总是 "开火 "的行为者。

Version 1：每个操作都将后续所有的 $r$ 加起来得到 $G=\sum^N_{n=t}r_n$ 作为优化目标。

Version 2: 加一个 $\gamma$ ： $G_t'=\sum^ N_{n=t}\gamma^{n-t}r_n$

对 reward 做归一化处理，每个 $A$ 都要减去 baseline $b$ 。

Policy Gradient

Initialize actor network parameters $\theta^0$

初始化角色网络参数 $\theta^0$
For training iteration $i=1$ to $T$

训练迭代 $i=1$ 至 $T$
- Using actor $\theta^{i-1}$ to interact
  
  使用 actor $\theta^{i-1}$ 进行互动
- Obtain data $\{s_1,a_1\},\{s_2,a_2\},...,\{s_N,a_N\}$
- Compute $A_1,A_2,...,A_N$
- Compute loss $L$
- $\theta^i\leftarrow \theta^{i-1}-\eta\bigtriangledown L$

Data collection is in the “for loop”of training iterations

在训练迭代的 "for 循环 "中收集数据

Each time you update the model parameters, you need tocollect the whole training set again.

每次更新模型参数时，都需要重新收集整个训练集。

为什么每次更新模型参数时，都需要重新收集整个训练集？因为 $\theta^{i-1}$ 的经验对 $\theta^i$ 来说不一定是最好的。

《棋魂》中，对于新手来说小马步飞是对的，因为比较稳，而对于高手来说，应该走大马步飞。

On-policy v.s. Off-policy

The actor to train and the actor for interacting is the same.→ On-policy

要训练的角色和互动的角色是相同的。→ On-policy
Can the actor to train and the actor for interacting be different?→ Off-policy

用于训练的角色和用于互动的角色可以不同吗？→ Off-policy

In this way, we do not have to collection data after each update.

这样，我们就不必在每次更新后收集数据。

Off-policy → Proximal Policy Optimization(PPO) 近端策略优化

要训练的角色和互动的角色认定是不同的。

Collection Training Data: Exploration

收集培训数据：探索

The actor needs to have randomness duringdata collection.

在数据收集过程中，角色需要有随机性。

扩大 output entropy，增加 noises

Google’s DeepMind AI Just Taught Itself To Walk - YouTube

blog.openai.com 进不去。

Actor-Critic

Critic

Critic: Given actor $\theta$ , how good it is when observing $s$ (and taking action $a$ )

Critic：给定行为者 $\theta$ ，它在观察 $s$ （并采取 $a$ 行动）时的表现如何
Value function $V^\theta(s)$ : When using actor $\theta$ , the discounted cumulated reward expects to be obtained after seeing $s$

价值函数 $V^\theta(s)$ ：当使用行为者 $\theta$ 时，在看到 $s$ 后期望获得的折现累积奖励

The output values of a critic depend on the actor evaluated.

Critic 的输出值取决于被评价的行为体。

How to estimate $V^\theta(s)$

如何估计 $V^\theta(s)$

Monte-Carlo(MC) based approach

基于蒙特卡洛（MC）的方法
- The critic watches actor $\theta$ to interact with the environment.
  
  评论家观察演员 $\theta$ 与环境的互动。

After seeing $s_a$ , Until the end of the episode, the cumulated reward is $G'_a$

看到 $s_a$ 后，直到 episode 结束，累计奖励为 $G'_a$

After seeing $s_b$ , Until the end of the episode, the cumulated reward is $G'_b$

看到 $s_b$ 后，直到 episode 结束，累计奖励为 $G'_b$

How to estimate $V^\pi(s)$

Temporal-difference(TD) approach
- 时差（TD）法

对于上面这个场景，MC 与 TD 估计 $V^\theta(s_a)$ 的结果是不一样的。

Version 3.5， $A$ 的计算公式与 $V^\theta(s)$ 挂钩。

Version 4：Advantage Actor-Critic 优势演员-评论家

$A_t=r_t+V^\theta(s_{t+1})-V ^\theta(s_t)$

Tip of Actor-Critic 演员评论家的提示

The parameters of actor and critic can be shared.

演员和评论家的参数可以共享。

Outlook: Deep Q Network (DQN)

回饋非常罕見的時候怎麼辦？機器的望梅止渴

Sparese Reward 人为给某些操作定义 Reward。

使用强化学习教会电脑玩第一人称射击游戏。

给定好奇心——获取新事物的时候获得 Reward。

如何從示範中學習？逆向增強式學習 -Inverse RL

Motivation

Even define reward can be challenging in some tasks.

甚至在某些任务中定义奖励也具有挑战性。
Hand-crafted rewards can lead to uncontrolled behavior.

手工制作的奖励会导致行为失控。

Three Laws of Robotics:

A robot may not injure a human being or, throughinaction, allow a human being to come to harm.
A robot must obey the orders given it by human beingsexcerpt where such orders would conflict with the First Law.
A robot must protect its own existence as long as suchprotection does not conflict with the First or Second Laws.

机器人三大法则：

机器人不得伤害人类，也不得通过行动让人类受到伤害。
机器人必须服从人类的命令，除非这种命令与第一法则相冲突。
机器人必须保护自己的生存，只要这种保护不与第一或第二法则相抵触。

最终结果：

restraining individual human behavior and sacrificing some humans will ensure humanity’s survival.

约束人类的个人行为并牺牲部分人类将确保人类的生存。

Imitation Learning 模仿学习

Actor can interact with the environment, but reward function is not available.

角色可以与环境互动，但不具备奖励功能。

逆向式增强学习是监督学习吗？

问题：专家只能观察到有限的场景。

更多的问题：

The agent will copy every behavior, even irrelevant actions.

代理会复制每一个行为，甚至是无关的行为。

生活大爆炸-----Sheldon 学中文那段.mp4 chinese - YouTube

使用 reward function 以获得 optimal actor。

Inverse Reinforcement Learning 逆向强化学习

Principle: The teacher is always the best. 老师永远是最好的。
Basic idea:
- Initialize an actor 初始化角色
- In each iteration 在每轮迭代过程中、
  - The actor interacts with the environments to obtainsome trajectories.
    
    演员（actor）与环境（environments）交互以获取一些轨迹。
  - Define a reward function, which makes thetrajectories of the teacher better than the actor.
    
    定义一个奖励函数（reward function），该函数使教师的轨迹比角色的轨迹更好。
  - The actor learns to maximize the reward based onthe new reward function.
    
    角色根据新的奖励函数学习最大化奖励。

IRL 的思想有点类似于 GAN。

Guided Cost Learning (berkeley.edu)