大坨原文

半夜两点不睡觉跟人解释 Q-learning 和 Sarsa 算法是什么,感觉有记下来的必要。回头再改改叙述吧。

动态规划能解决复杂问题,也可以解决决策问题。比如说力扣经典的机器人往下走或者往右走这种。动态规划的大致思想就是把大问题分解成相似的小问题解决。而回顾现在问题是想要寻找能够让价值最大的决策。也可以模仿动态规划把整个大问题分成数个小决策。决策和状态就像图,通过一个小决策从一个状态转到另一个状态。这个小决策可以叫成动作,通过一个个动作从一个个状态跳到另一个状态,然后最终到达解决问题的状态。将价值加入其中,也就是一个个动作和状态都会有价值,是“在当前状态下做出动作”的价值,这个其实就是q表的意思,所谓q表就是“当前状态下做出动作”的一张表,你也可以说是q函数,也可以理解成字典,用状态和动作作为键,在对应状态下做出对应动作作为值。

其实动归和qlearning sarsa挺像的,你能理解动归另外两个也很好理解,讲回来解决问题的方法就是设定为价值最大。如果说动态规划,你用状态转移方程就可以求出来,一个状态通过另外几个状态求出来,其实类似于q表一个状态的价值可以从另外几个状态的价值求,但是实际情况中这种状态很可能是过于复杂的,你用动规去算状态得算到猴年马月,动规是递归的,要求当前状态当前动作的价值,你得求相关状态的相关动作的价值,要求相关状态相关动作的价值,你得求相关的相关……用公式说就是f(x)=f(x-1)+f(x-2)这样,x-1 x-2的函数值又得更早的x。这样展开太长了,所以我们选择考虑最近两步,也就是不全部展开了,就考虑最近一层,当前状态进行动作的价值,以及下一步状态进行动作的价值,但是这样显然有个问题,因为下一步状态进行的动作的价值不知道啊,你总不能设成0吧。所以需要一些技巧,先设成某个价值作为默认值,然后通过不断循环尝试迭代更新,这样就能算出下一步状态进行动作的价值。

回顾一下,现在我们知道这个办法就是通过q表来决策,通过迭代来求q表,那么这个q表怎么更新呢,先看qlearning的做法。哎我草漏了一点,在环境上做出动作实际上也是有价值的,不然bot就不动了。回过来说,qlearning更新q表的方法是,当前状态作出某动作的价值=环境上做出动作给点奖励+k倍下一状态可以做出的所有动作的最大价值。而sarsa更新q表的方法是,当前状态做出某动作的价值=环境上做出动作给的奖励+k倍下一状态下一动作的价值,式子里面的价值就是查q表查出来的价值,但是吧,你不能这么一次性覆盖吧。所以公式还能改写成,值=原值+学习率*更新值,这种形式。值=原值+学习率*(新值-原值),新值就是上面公式的右边,原值就是原来q表上记录的“当前状态做出某个动作”的价值。

其实就这么多,qlearning和sarsa差不多是一样的,就是公式不同一小块。

补充的点是,在训练的时候用的策略叫“行为策略”,实际用的叫“目标策略”。训练,也就是迭代求q表的时候为了提高探索能力可能会使用比如说“贪婪加上小概率”的办法,而实际推理使用的时候可能会用“贪婪”的办法而不是加小概率的随机选择。qlearning在更新q值的时候用的是下一步状态做出的所有可能的动作的价值最大值,但是可能实际动作不一定会选最大的,比如说贪婪加随机作为行为策略,这一步更新的时候选择了下一步往上走,结果下一步决定的时候小概率随机了选择往下走,这种行为策略不等于目标策略叫off policy,就是你估计q表的时候明明是估计往上走,结果往下走了。而sarsa是on policy的,表现在它更新q值的时候用的是下一步下一个动作的策略,这个下一个状态下一个动作在我决定移动到下一个状态之前就已经决定好了的,再我到下一个状态的时候我就肯定会按那样的动作做。举例就是,行为是贪婪加随机,在我决定更新q值之前我就已经决定了下一步怎么做,然后才根据下一步来更新q,像这样你估计的时候怎么估计的,实际就会怎么走,叫on policy。

那深度神经网络怎么掺和进来的呢,之前不是说q表也可以叫q函数吗,q(状态,动作)=价值,那你要是状态和动作很多怎么办?比如说游戏画面做状态,就是用神经网络去拟合q函数。神经网络输入状态和动作,然后输出这样做的价值,这就是dqn的大致思想。不过具体细节落实的时候还是要改一点。

AI 整理讲义

你这段讲解整体非常不错,逻辑清晰、生动易懂,确实体现出费曼学习法的精髓。你用“动规类比”、“q表字典化理解”、“当前与下一步价值的差异”等方式把枯燥的算法说活了,非常适合初学者理解。同时你还点出了 off-policy 和 on-policy 的核心区别,也提到了 DQN 的神经网络近似,这些细节覆盖得相当全面。

我下面帮你把这段内容整理成一份更清晰的讲义笔记,适合自己复习或者讲解他人:


Q-Learning 与 Sarsa 算法讲义笔记

一、引子:从动态规划到强化学习

  • 动态规划(Dynamic Programming)是一种将大问题拆解为小问题的策略,常用于路径最优、背包等问题。
  • 在决策问题中,我们也可以用“状态 + 动作”来构造状态转移图,最终目标是“让总体价值最大”。
  • 强化学习中,将“在某个状态下执行某个动作”的价值记为 Q 值,组织成一个 Q 表(或 Q 函数):

二、为什么要迭代学习 Q 表?

  • 类比动态规划的状态转移公式,比如 ,每一状态依赖前面的状态。
  • 如果状态空间过大,无法枚举所有状态,就不能直接用传统 DP。
  • 所以我们使用一种“近似”的更新方式,仅用“当前状态 + 下一状态”的估计值更新 Q 值,通过反复迭代逼近最优解。

三、Q-Learning 与 Sarsa:核心区别

比较点Q-LearningSarsa
策略类型Off-policy(行为策略 ≠ 目标策略)On-policy(行为策略 = 目标策略)
更新公式
含义用下一状态所有动作的最大值估计未来用下一状态实际将执行的动作估计未来

其中:

  • ss:当前状态,aa:当前动作
  • rr:执行动作后环境返回的奖励
  • s′s’:下一状态,a′a’:下一动作
  • α\alpha:学习率,γ\gamma:折扣因子

四、行为策略与目标策略

  • 行为策略(Behavior Policy):用来与环境交互、采集经验,例如 ε-greedy(贪婪 + 小概率随机)。

  • 目标策略(Target Policy):用来最终决策,例如纯贪婪选择最大 Q 值动作。

  • Q-Learning 是 off-policy,因为它用的目标策略是“最大值”,但行为可能是 ε-greedy;

  • Sarsa 是 on-policy,因为它用的估值策略和实际动作执行策略一致。


五、DQN:Q 函数的神经网络逼近

  • 当状态空间太大(如图像、连续空间)时,无法构造完整 Q 表。

  • 用神经网络近似 Q 函数:输入状态(甚至动作),输出每个动作的估计 Q 值。

  • 核心思想:
    用网络拟合函数 Q(s,a)≈NN(s)[a]Q(s, a) \approx \text{NN}(s)[a]


六、常用术语快速总结

  • Q 表:状态动作映射到价值的表,Q(s,a)Q(s, a)

  • 折扣因子 γ:未来奖励的权重(0~1)

  • 学习率 α:更新时对新信息的采纳程度

  • 贪婪策略:选择当前估值最大的动作

  • ε-greedy:大部分时间贪婪,小概率探索其他动作

  • off-policy:更新依据与实际行为不一致

  • on-policy:更新依据与实际行为一致


七、类比总结

  • Q-Learning 和 Sarsa 都是强化学习中更新 Q 值的策略;

  • 都可以看作是在“用迭代替代 DP 中的精确公式”;

  • Q-Learning 强势一点:考虑理论上最优行为;

  • Sarsa 稳健一点:考虑当前策略实际会做的行为。


如果你想以后给别人讲解,也可以基于这个版本略加删改,制作成思维导图、幻灯片或可视化笔记。

需要我再帮你配张结构图或举个更通俗的例子,可以继续说。