价值迭代是一种算法,用于求解以马尔可夫决策过程(MDP)表示的序贯决策问题。它反复更新对可实现的最佳长期回报的估计,直到这些估计趋近最优价值函数,随后便可从中提取决策规则。该方法属于动态规划,也是强化学习中的一种基本规划方法。其经典形式假设转移概率和奖励已知,而不是直接通过交互来学习它们。(incompleteideas.net)
数学设定
考虑一个有限马尔可夫决策过程,其状态集合为 ,可用动作集合为 ,转移概率为 ,即时奖励的期望为 ,折扣因子为 。对于每个状态—动作对, 都是后继状态上的概率分布。马尔可夫性质意味着,当前状态和动作包含了确定下一状态分布所需的信息。(web.stanford.edu)
策略(强化学习)规定了如何选择动作。其折扣价值是累积奖励的期望值:
当奖励有界时,折扣使这一无穷级数绝对收敛。最优价值 满足贝尔曼方程的最优性形式:
这个方程将即时奖励与后续可实现的最佳价值分开表示。(web.stanford.edu)
更新规则与策略提取
将贝尔曼最优性算子 定义为
从任意各分量均为有限值的初始价值向量 出发,价值迭代应用如下递推关系:
每次更新都通过向前展望一步来评估所有可用动作,并保留其中的最大结果。这是一种完全备份:它对所有可能的后继状态求加权平均,而不是仅使用一次采样得到的转移。(inst.eecs.berkeley.edu)
在同步价值迭代中, 的每个分量都仅根据 计算。典型实现会将价值初始化为零,反复完整遍历所有状态,并在满足指定的精度标准时停止。若采用零初始化, 也表示终止收益为零、时域长度为 步时的最优回报。因此,连续迭代相当于不断延长规划时域。(inst.eecs.berkeley.edu)
对于计算得到的价值函数 ,贪心策略选择
当 时,任何这样的策略都是最优策略。若多个动作并列达到最大值,则可能存在不止一个最优动作;始终按照固定规则选择其中一个,就能得到确定性策略。(wanghemath.github.io)
收敛性与停止准则
因此,巴拿赫不动点定理保证存在唯一的不动点 ,并且从任意初始向量出发的迭代都会收敛到它。价值误差满足
这是几何收敛,但随着 趋近于 1,收敛速度会变慢。(wanghemath.github.io)
由于 未知,实际实现通常会监测贝尔曼残差:
它给出了一个可计算的误差上界:
对于同步迭代,。因此,当这个差值不超过 时停止,就能保证 在最大范数下的误差不超过 。判断相邻两轮遍历之间的微小变化时,必须结合折扣因子。价值估计的精度与贪心策略的性能是不同的量;在数值尚未完全收敛之前,所选策略就可能已经达到最优。(wanghemath.github.io)
计算成本与变体
对于具有 个状态、每个状态至多有 个动作的情况,若转移模型是稠密的,则每轮遍历需要进行 次算术运算,这里使用的是大O记号。如果每个状态—动作对至多有 个可能的后继状态,计算成本就降为 。价值向量需要 的存储空间,模型本身所需的存储空间另计。因此,稀疏性会显著影响计算复杂性。(cs.cmu.edu)
原地更新会立即复用刚计算出的价值。异步变体只更新选定的状态,而不是均匀遍历所有状态。在折扣设定下,只要每个状态都持续得到更新,就可以保持收敛性;使用延迟信息的实现还需要对延迟施加适当限制。这类方法可以将计算集中在状态空间中相关的区域。(incompleteideas.net)
相关方法与局限
策略迭代交替进行固定策略的评估与贪心改进。价值迭代不必完成每一次策略评估,而是反复进行最优性备份。修正策略迭代介于两者之间:它先执行有限次数的评估更新,再改进策略。(incompleteideas.net)
规模庞大或连续的状态空间往往需要函数逼近,由此产生拟合价值迭代或近似价值迭代方法。它们的逼近步骤改变了算子,因此经典表格型方法的压缩性保证并不会自动成立。某些更新方式与逼近器的组合可能导致发散。(see.stanford.edu)
针对折扣情形的证明也不能原封不动地推广到 的情况。无折扣问题需要额外假设,而有限时域问题则使用带时间索引的反向递推。平均成本问题采用相对价值迭代等相关方法,其收敛条件也有所不同。(web.stanford.edu)
参考来源
- 3 Value Iteration — Introduction to Artificial Intelligenceinst.eecs.berkeley.edu
- Value Iterationcs.cmu.edu
- 11 Value Iteration — Reinforcement Learning: A Mathematical Introductionwanghemath.github.io
- Algorithm 2 discounted value iterationweb.stanford.edu
- CertRL: Formalizing Convergence Proofs for Value and Policy Iteration in Coqarxiv.org
- Machine Learning — Lecture 17see.stanford.edu
- The Divergence of Reinforcement Learning Algorithms with Value-Iteration and Function Approximationarxiv.org
- An Empirical Algorithm for Relative Value Iteration for Average-Cost MDPsweb.stanford.edu