[Reinforcement Learning] 強化學習介紹
隨著AlphaGo和AlphaZero的出現，強化學習相關算法在這幾年引起了學術界和工業界的重視。最近也翻了很多強化學習的資料，有時間了還是得自己動腦筋整理一下。
強化學習定義
先借用維基百科上對強化學習的標準定義：
強化學習（Reinforcement Learning，簡稱RL）是機器學習中的一個領域，強調如何基於環境而行動，以取得最大化的預期利益。
從本質上看，強化學習是一個通用的問題解決框架，其核心思想是 Trial & Error。
強化學習可以用一個閉環示意圖來表示：
強化學習四元素
- 策略（Policy）：環境的感知狀態到行動的映射方式。
- 反饋（Reward）：環境對智能體行動的反饋。
- 價值函數（Value Function）：評估狀態的價值函數，狀態的價值即從當前狀態開始，期望在未來獲得的獎賞。
- 環境模型（Model）：模擬環境的行為。
強化學習的特點
- 起源於動物學習心理學的試錯法（trial-and-error），因此符合行為心理學。
- 尋求探索（exploration）和采用（exploitation）之間的權衡：強化學習一面要采用（exploitation）已經發現的有效行動，另一方面也要探索（exploration）那些沒有被認可的行動，已找到更好的解決方案。
- 考慮整個問題而不是子問題。
- 通用AI解決方案。
強化學習 vs. 機器學習
機器學習是人工智能的一個分支，在近30多年已發展為一門多領域交叉學科，而強化學習是機器學習的一個子領域。強化學習與機器學習之間的關系可以通過下圖來形式化的描述：
註：上圖中Machine Learning分支應該包含進化算法（Evolutionary Algorithms）。
強化學習與其他機器學習的不同：
- 強化學習更加專註於在線規劃，需要在探索（explore 未知領域）和采用（exploit 現有知識）之間找到平衡。
- 強化學習不需要監督者，只需要獲取環境的反饋。
- 反饋是延遲的，不是立即生成的。
- 時間在強化學習中很重要，其數據為序列數據，並不滿足獨立同分布假設（i.i.d）。
強化學習 vs. 監督學習
強化學習與監督學習可以參考下圖：
兩者的目標都是學習一個model，而區別在於：
監督學習：
- Open loop
- Learning from labeled data
- Passive data
強化學習：
- Closed loop
- Learning from decayed reward
- Explore environment
強化學習 vs. 進化算法
進化算法（Evolutionary Algorithms，簡稱EA）是通過生物進化優勝略汰，適者生存的啟發而發展的一類算法，通過種群不斷地叠代達到優化的目標。進化算法屬於仿生類算法的一種，仿生類算法還包括粒子群算法（PSO）、人工免疫算法以及如日中天的神經網絡算法等。
進化算法最大的優點在於整個優化過程是gradients-free的，其思想可以通過下圖表示：
RL和EA雖然都屬於優化問題的求解框架，而且兩者都需要大量的算力，但是兩者有著本質上的區別。
Sutton在其強化學習介紹一書中也重點談到了RL與EA的區別，這裏簡單談幾點：
- RL通過與環境交互來進行學習，而EA通過種群叠代來進行學習；
- RL通過最大化累計回報來解決序列問題，而EAs通過最大化適應函數（Fitness Function）來尋求單步最優；
- RL對於state過於依賴，而EA在agent不能準確感知環境的狀態類問題上也能適用。
近期隨著RL的研究熱潮不斷推進，很多研究也嘗試通過將EA和RL結合解決優化問題，比如OpenAI通過使用進化策略來優化RL，獲得了突破性的進展[3]。
強化學習分類
強化學習分類比較多樣：
- 按照環境是否已知可以分為Model-based & Model-free；
- 按照學習方式可以分為On-Policy & Off-Policy；
- 按照學習目標可以分為Value-based & Policy-based。
下圖為根據環境是否已知進行細分的示意圖：
強化學習相關推薦資料
- Reinforcement Learning: An Introduction, Richard S. Sutton and Andrew G. Barto：介紹強化學習很全面的一本書籍，相關的電子書及源碼見這裏。
- David Silver在UCL的強化學習視頻教程：介紹強化學習的視頻教程，基本與Sutton的書籍可以配套學習，Silver來自於Google Deepmind，視頻和課件可以從Silver的主頁獲取，中文字幕版視頻YouTube鏈接點這裏。
- 強化學習在阿裏的技術演進與業務創新：介紹強化學習在阿裏巴巴的落地，可以拓展強化學習應用的業務思路，電子版見這裏，密碼：yh48。
- Tutorial: Deep Reinforcement Learning：同樣來自於Sliver的一個課件，主要針對RL與DL的結合進行介紹，電子版見這裏，密碼：9mrp。
- 莫煩PYTHON強化學習視頻教程：可以通過簡短的視頻概括地了解強化學習相關內容，適合於入門的同學，視頻見這裏。
- OpenAI Gym：Gym is a toolkit for developing and comparing reinforcement learning algorithms，Gym包含了很多的控制遊戲（比如過山車、二級立桿、Atari遊戲等），並提供了非常好的接口可以學習，鏈接見這裏。
- Lil‘Log：介紹DL和RL的一個優質博客，RL相關包括RL介紹、Policy Gradients算法介紹及Deep RL結合Tensorflow和Gym的源碼實現，主頁鏈接見這裏。
Reference
[1] 維基百科-強化學習
[2] Reinforcement Learning: An Introduction, Richard S. Sutton and Andrew G. Barto, 2018
[3] Evolution Strategies as a Scalable Alternative to Reinforcement Learning
[Reinforcement Learning] 強化學習介紹