Q learning

Q Learning是强化学习算法中的一个经典算法。在一个决策过程中，我们不知道完整的计算模型，所以需要我们去不停的尝试。

算法流程

整体流程如下：

• Q-table 初始化 第一步是创建 Q-table，作为跟踪每个状态下的每个动作和相关进度的地方
• Observation. 代理需要观察环境的当前状态
• Action.智能体选择在环境中行动。动作完成后，模型会观察该动作是否对环境有益。
• Update.采取行动后，用结果更新 Q-table
• Repeat 重复步骤 2-4，直到模型达到预期目标的终止状态。

数学公式

$Q(s,a)=Q(s,a)+\alpha \ast (r+\gamma \ast max(Q(s’,a’))-Q(s,a))$
该等式分解如下：

• Q(s, a) 表示在状态 s 中采取行动 a 的预期奖励。
• 该动作收到的实际奖励由 r 引用，而 s’ 指的是下一个状态。
• 学习率是 α，γ 是折扣因子。
• 状态 s’ 中所有可能的动作 a’ 的最高预期奖励由 max(Q(s’, a’)) 表示。

代码

基于表格的简单价值学习

1. 构建环境

import gym#定义环境
class MyWrapper(gym.Wrapper):def __init__(self):#is_slippery控制会不会滑env = gym.make('FrozenLake-v1',render_mode='rgb_array',is_slippery=False)super().__init__(env)self.env = envdef reset(self):state, _ = self.env.reset()return statedef step(self, action):state, reward, terminated, truncated, info = self.env.step(action)over = terminated or truncated#走一步扣一份,逼迫机器人尽快结束游戏if not over:reward = -1#掉坑扣100分if over and reward == 0:reward = -100return state, reward, over#打印游戏图像def show(self):from matplotlib import pyplot as pltplt.figure(figsize=(3, 3))plt.imshow(self.env.render())plt.show()env = MyWrapper()
env.reset()
env.show()

2. 构建Q 表

import numpy as np#初始化Q表,定义了每个状态下每个动作的价值
Q = np.zeros((16, 4))Q

3. 记录数据

from IPython import display
import random#玩一局游戏并记录数据
def play(show=False):data = []reward_sum = 0state = env.reset()over = Falsewhile not over:action = Q[state].argmax()if random.random() < 0.1:action = env.action_space.sample()next_state, reward, over = env.step(action)data.append((state, action, reward, next_state, over))reward_sum += rewardstate = next_stateif show:display.clear_output(wait=True)env.show()return data, reward_sumplay()[-1]

#数据池
class Pool:def __init__(self):self.pool = []def __len__(self):return len(self.pool)def __getitem__(self, i):return self.pool[i]#更新动作池def update(self):#每次更新不少于N条新数据old_len = len(self.pool)while len(pool) - old_len < 200:self.pool.extend(play()[0])#只保留最新的N条数据self.pool = self.pool[-1_0000:]#获取一批数据样本def sample(self):return random.choice(self.pool)pool = Pool()
pool.update()len(pool), pool[0]

4. 训练

#训练
'''
Brain of the agent 探索者的大脑！
agent will make desicion here 用于做决策
Q(s,a) <- Q(s,a) + Alpha * [r + gamma * max(Q(s', a')) - Q(s,a)]下面是Q——table表: (状态:行，行为：列)up    down    left    right   
state1  
state2...     
'''
def train():#共更新N轮数据for epoch in range(1000):pool.update()#每次更新数据后,训练N次for i in range(200):#随机抽一条数据state, action, reward, next_state, over = pool.sample()#Q矩阵当前估计的state下action的价值value = Q[state, action]#实际玩了之后得到的reward+下一个状态的价值*0.9target = reward + Q[next_state].max() * 0.9#value和target应该是相等的,说明Q矩阵的评估准确#如果有误差,则应该以target为准更新Q表,修正它的偏差#这就是TD误差,指评估值之间的偏差,以实际成分高的评估为准进行修正update = (target - value) * 0.1#更新Q表Q[state, action] += updateif epoch % 100 == 0:print(epoch, len(pool), play()[-1])train()