人工智能機器學習有關算法內容，請參見公眾號“科技優化生活”之前相關文章。人工智能之機器學習主要有三大類：1）分類；2）回歸；3）聚類。今天我們重點探討一下Q Learning算法。 ＾＿＾

通過前一篇TD－Learning時序差分（請參見人工智能（48）算法介紹，我們知道，TD－Learning時序差分是結合了動態規劃DP和蒙特卡洛MC（請參見人工智能（31））方法，并兼具兩種算法的優點，是強化學習的中心。

TD－learning時序差分大概分了6類。其中，策略行動價值qπ的off－policy時序差分學習方法： Q－Learning（單步），Double Q－Learning（單步）。今天重點介紹Q－Learning算法。

Q Learning算法是由Watkins于1989年在其博士論文中提出，是強化學習發展的里程碑，也是目前應用最為廣泛的強化學習算法。

Q Learning算法概念：

Q Learning算法是一種off－policy的強化學習算法，一種典型的與模型無關的算法，即其Q表的更新不同于選取動作時所遵循的策略，換句化說，Q表在更新的時候計算了下一個狀態的最大價值，但是取那個最大值的時候所對應的行動不依賴于當前策略。

Q Learning始終是選擇最優價值的行動，在實際項目中，Q Learning充滿了冒險性，傾向于大膽嘗試。

Q Learning算法下，目標是達到目標狀態（Goal State）并獲取最高收益，一旦到達目標狀態，最終收益保持不變。因此，目標狀態又稱之為吸收態。

Q Learning算法下的agent，不知道整體的環境，知道當前狀態下可以選擇哪些動作。通常，需要構建一個即時獎勵矩陣R，用于表示從狀態s到下一個狀態s’的動作獎勵值。由即時獎勵矩陣R計算得出指導agent行動的Q矩陣。

Q矩陣是agent的大腦。

Q Learning算法本質：

QLearning屬于TD－Learning時序差分學習。同樣，該算法結合了動態規劃和蒙特卡羅MC算法，模擬（或者經歷）一個情節，每行動一步（或多步）后，根據新狀態的價值，來估計執行前的狀態價值。

下面提到的Q－Learning是單步更新算法。

Q Learning算法描述：

Q－learning是一個突破性的算法。

利用下面公式進行off－policy學習，即用公式來表示Q－Learning中Q表的更新：

Q（St，At）←Q（St，At）＋α［Rt＋1＋γmax Q（St＋1，a）？Q（St，At）］

其中：

St： 當前狀態state

At： 從當前狀態下，采取的行動action

St＋1：本次行動所產生的新一輪state

At＋1： 次回action

Rt： 本次行動的獎勵reward

γ為折扣因子，0＜＝ γ＜1，γ＝0表示立即回報，γ趨于1表示將來回報，γ決定時間的遠近對回報的影響程度，表示犧牲當前收益，換取長遠收益的程度。將累計回報作為評價策略優劣的評估函數。當前的回報值以及以前的回報值都可以得到，但是后續狀態的回報很難得到，因此累計回報就難以計算。而Q－learning用Q函數來代替累計回報作為評估函數，正好解決這個問題。

α為控制收斂的學習率，0＜ α＜1。通過不斷的嘗試搜索空間，Q值會逐步趨近最佳值Q＊。

1）Q－learning單步時序差分學習方法算法描述

Initialize Q（s，a），？s∈S，a∈A（s） arbitrarily， and Q（terminal， ˙）＝0
Repeat （for each episode）：
？ Initialize S
？ Choose A from S using policy derived from Q （e．g． ？？greedy）
？ Repeat （for each step of episode）：
？？ Take action A， observe R，S′
？？ Q（S，A）←Q（S，A）＋α［R＋γmaxa Q（S‘，a）？Q（S，A）］
？？ S←S′；
？ Until S is terminal

每個episode是一個training session，且每一輪訓練意義就是加強大腦，表現形式是agent的Q矩陣元素更新。當Q習得后，可以用Q矩陣來指引agent的行動。

Q－learning使用了max，會引起一個最大化偏差（Maximization Bias）問題。
可以使用Double Q－learning可以消除這個問題。

2）Double Q－learning單步時序差分學習方法算法描述

Initialize Q1（s，a） and Q2（s，a），？s∈S，a∈A（s） arbitrarily
Initialize Q1（terminal， ˙）＝Q2（terminal， ˙）＝0
Repeat （for each episode）：
？ Initialize S
？ Repeat （for each step of episode）：
？？ Choose A from S using policy derived from Q1 and Q2 （e．g． ？？greedy）
？？ Take action A， observe R，S′
？？ With 0．5 probability：
？？？ Q1（S，A）←Q1（S，A）＋α［R＋γQ2（S′，argmax Q1（S′，a））？Q1（S，A）］
？？ Else：
？？？ Q2（S，A）←Q2（S，A）＋α［R＋γQ1（S′，argmax Q2（S′，a））？Q2（S，A）］
？？ S←S′；
？ Until S is terminal

Double Q Learning算法本質上是將計算Q函數進行延遲，并不是得到一條樣本就可以更新價值函數，而是一定的概率才可以更新。由原來的1條樣本做到影響決策變為多條（至少兩條）樣本影響決策。

Q Learning理論基礎：

QLearning理論基礎如下：

1）蒙特卡羅方法

2）動態規劃

3）信號系統

4）隨機逼近

5）優化控制

Q Learning算法優點：

1）所需的參數少；

2）不需要環境的模型；

3）不局限于episode task；

4）可以采用離線的實現方式；

5）可以保證收斂到 qπ。

Q Learning算法缺點：

1）    Q－learning使用了max，會引起一個最大化偏差問題；

2）    可能會出現更新速度慢；

3）    可能會出現預見能力不強。

注：使用Double Q－learning可以消除問題1）；使用多步Q －learning可以消除問題2）和3）。

Q Learning算法應用：

從應用角度看，Q Learning應用領域與應用前景都是非常廣闊的，目前主要應用于動態系統、機器人控制、工廠中學習最優操作工序以及學習棋類對弈等領域。

結語：

Q Learning是一種典型的與模型無關的算法，它是由Watkins于1989年在其博士論文中提出，是強化學習發展的里程碑，也是目前應用最為廣泛的強化學習算法。Q Learning始終是選擇最優價值的行動，在實際項目中，Q Learning充滿了冒險性，傾向于大膽嘗試，屬于TD－Learning時序差分學習。Q Learning算法已經被廣泛應用于動態系統、機器人控制、工廠中學習最優操作工序以及學習棋類對弈等領域。