人工智能

MDP 与贝尔曼方程:强化学习的公理系统

导读:Sutton 与 Barto 第 3 章给出 RL 的公理系统:状态、动作、奖励、转移与折扣——贝尔曼方程把长期回报折叠成递归。

MDP 五要素与回报

折扣回报 $G_t = \sum \gamma^k r_{t+k+1}$,折扣率在零一之间保证无限和收敛并编码未来折扣。

价值函数两件套:状态价值与动作价值。贝尔曼期望方程把当前价值写成当前奖励加折扣后续价值——递归分解是 RL 的一切计算的基础。

最优性方程

贝尔曼最优方程取最大动作:压缩映射(折扣小于一)保证唯一解——价值迭代、策略迭代都在解这组方程。

策略改进定理:对任意策略做贪婪化不劣于原策略——策略迭代「评估加改进」循环收敛到最优的理论担保。

与动态规划的接口

模型已知时动态规划足矣(策略迭代收敛快);模型未知则转向采样学习(MC 与 TD),后续文章的 Q-learning 就是在采样上逼近贝尔曼算子。奖励设计的工程性(稀疏奖励、奖励塑形)是最容易被低估的环节。

常见误区

  • 折扣率取一且奖励有正项导致价值发散。
  • 把状态设计成马尔可夫性不足(缺关键信息)。

吃透自检

  • 能写出四组贝尔曼方程并解释各自用途
  • 能证明策略改进定理
  • 能为一个具体问题定义合法的 MDP

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