【强化学习】什么是强化学习？2025
1. 强化学习简介
一句话总结：强化学习（Reinforcement Learning, RL）是一种机器学习范式，强调智能体（agent）通过与环境（environment）的交互，以试错（trial‑and‑error）的方式学习一套策略（policy），以最大化累积奖励（cumulative reward）。
1.1. 基本组成：智能体与环境
- 智能体（Agent）：能够感知环境状态并执行动作的主体。
- 环境（Environment）：智能体所处的外部系统，会根据智能体的动作返回新的状态和奖励信号。
1.2. 关键要素
- 奖励（Reward）：环境对智能体动作的反馈，可正可负，指导智能体区分好坏行为。
- 策略（Policy）：智能体决定在某状态下选择何种动作的概率分布。可以是确定性的，也可以是随机的。
- 值函数（Value Function）：用于评估在某一状态（或状态—动作对）下，后续可能获得的累积奖励。
1.3. 与其他学习范式的区别
- 监督学习：需要大量标注的输入–输出样本；强化学习仅需奖励信号，不需标签。
- 无监督学习：关注数据结构与分布；强化学习关注通过交互获取反馈并优化决策。
1.4. 强化学习的应用
| 应用领域 | 具体示例 |
|---|---|
| 游戏 AI | DeepMind 的 AlphaGo、OpenAI Five 在 Dota 2 中的表现 |
| 机器人控制 | Figure 02 的仿真训练步态、Google 机器人手臂开门实例 |
| 自动驾驶 | 基于卷积神经网络的自动驾驶汽车感知与决策、静态环境下车辆轨迹预测 |
| 金融交易与投资 | 算法交易、投资组合优化与风险管理 |
| 医疗健康 | 动态治疗方案推荐（如癌症放疗和脓毒症治疗） |
| 自然语言处理 | 对话系统优化、文本摘要与机器翻译 |
| 营销与广告 | 实时竞价与广告位优化、个性化推荐广告 |
| 能源管理 | 电网负荷优化与微电网控制 |
| 推荐系统 | 新闻推荐与内容个性化推荐 |
| 交通信号控制 | 多交叉口交通信号协调优化 |
2. 专业名词解释
| 专业名词 | 解释 |
|---|---|
| 智能体 (Agent) | 在环境中执行动作、接收状态和奖励，并根据策略不断学习和决策的主体。 |
| 环境 (Environment) | 智能体所处的外部系统或仿真场景，定义了状态空间、动作空间以及奖励机制。 |
| 状态 (State) | 环境在某一时刻的描述，通常由一组变量或观测组成，表示智能体可观测的信息。 |
| 动作 (Action) | 智能体在某一状态下可执行的操作或决策，可离散也可连续。 |
| 奖励 (Reward) | 环境对智能体动作的反馈信号，指导智能体区分好坏行为，以最大化累积奖励为目标。 |
| 折扣因子 (Discount Factor, γ) | 用于计算未来奖励现值的系数，γ∈[0,1]，γ 越大表示越重视长期回报，γ 越小表示越偏好短期回报。 |
| 累积回报 (Return, Gₜ) | 智能体从时间步 t 开始到未来各时刻获得的折扣奖励总和： ( G t = ∑ k = 0 ∞ γ k R t + k + 1 ) (G_t = \sum_{k=0}^\infty γ^k R_{t+k+1}) (Gt=∑k=0∞γkRt+k+1)。 |
| 策略 (Policy, π) | 智能体在各状态下选择动作的概率分布，可为确定性策略或随机策略。 |
| 值函数 (Value Function) | 用于评估状态（或状态–动作对）如何“好”的函数，代表从该状态（或状态–动作对）出发可获得的期望累积回报。 |
| 状态–动作值函数 (Q-Value, Q) | 特殊的值函数，评估在给定状态下执行某动作后，按照策略继续行动可获得的期望累积回报。 |
| 马尔可夫决策过程 (MDP) | 强化学习的数学框架，由状态空间、动作空间、转移概率和奖励函数构成，假设系统满足马尔可夫性。 |
| 探索–利用权衡 (Exploration–Exploitation) | 智能体在尝试新动作（探索）与利用已知最优动作（利用）之间的平衡策略或机制。 |
| 模型基 (Model-based) | 强化学习方法之一，通过学习或已知环境模型来进行规划和决策。 |
| 无模型 (Model-free) | 强化学习方法之一，不显式构建环境模型，直接从交互经验中学习策略或值函数。 |
| On‑policy | 策略学习方式之一，使用当前行为策略生成数据并更新同一策略，如 SARSA、PPO。 |
| Off‑policy | 策略学习方式之一，使用与行为策略不同的数据或经验回放更新目标策略，如 Q‑learning、DQN。 |
3. 强化学习分类
一、按算法核心思想分类
1. 基于价值（Value-Based）
- 特点：通过估计状态或动作的长期价值（Q值）选择最优策略。
- 代表算法：
- Q-learning：无模型、离线策略，通过最大化未来奖励更新Q表。
- DQN（Deep Q-Network）：结合深度神经网络与Q-learning，解决高维状态空间问题，加入经验回放和目标网络稳定训练。
- Double DQN：改进DQN的过估计问题，分离动作选择与价值评估。
2. 基于策略（Policy-Based）
- 特点：直接优化策略函数，输出动作概率分布。
- 代表算法：
- REINFORCE：回合更新策略，通过蒙特卡洛采样估计梯度。
- PPO（Proximal Policy Optimization）：限制策略更新幅度，平衡稳定性与效率，广泛应用于游戏和大模型对齐。
- TRPO（Trust Region Policy Optimization）：通过KL散度约束策略更新步长，保证稳定性。
3. Actor-Critic混合方法
- 特点：结合价值函数（Critic）与策略函数（Actor），兼顾评估与优化。
- 代表算法：
- A3C（Asynchronous Advantage Actor-Critic）：异步多线程训练，加速收敛。
- DDPG（Deep Deterministic Policy Gradient）：处理连续动作空间，结合确定性策略与Q函数。
- SAC（Soft Actor-Critic）：最大化熵正则化，鼓励探索，提升鲁棒性。
二、按环境模型依赖分类
1. Model-Free（无模型）
- 特点：不依赖环境动态模型，直接通过交互学习策略或价值函数。
- 典型算法：Q-learning、DQN、PPO、SAC。
2. Model-Based（有模型）
- 特点：学习或假设环境模型（如状态转移概率），利用规划优化策略。
- 代表方法：
- 动态规划（DP）：基于已知模型求解最优策略。
- 蒙特卡洛树搜索（MCTS）：结合模型预测与策略优化，如AlphaGo。
三、按更新方式分类
1. 回合更新（Monte-Carlo）
- 特点：等待完整回合结束后更新策略，如REINFORCE。
2. 单步更新（Temporal Difference）
- 特点：每一步交互后立即更新，如Q-learning、SARSA。
3. 多步更新（n-Step Bootstrapping）
- 特点：平衡单步与回合更新的偏差与方差，如Sarsa(λ)。
四、其他重要算法
- SARSA：在线策略算法，强调动作选择的连续性，保守性强。
- A2C（Advantage Actor-Critic）：同步版本A3C，简化多线程设计。
- Imitation Learning（模仿学习）：结合专家示范数据加速策略学习。