深度強化學習圖解
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深度強化學習(Deep Reinforcement Leaming，DRL) 是深度學習和強化學習的巧
妙結(jié)合，是一種新興的通用人工智能技術(shù)，是人工智能邁向智能決策的重要一步，是機器學習的熱點，潛力無限，典型的成功案例是DeepMind AlphaGo和OpenAI Five。深度強化學習可看作在深度學習非線性函數(shù)超強擬合能力下，構(gòu)成的一種新增強算法。目前就深度強化學習而言，需要從三個方面進行積累:第一，深度強化學習的理論基礎(chǔ):第二，深度強化學習的仿真平臺:第三，產(chǎn)業(yè)落地的項目和產(chǎn)品。
從深度強化學習庫以及框架看，學術(shù)界PyTorch和工業(yè)界Tensor Flow深度學習框架都將前沿成果集成進來。目前已有一些經(jīng)典的深度強化學習文獻和著作，但將深度強化學習理論、工具和實戰(zhàn)相結(jié)合的著作還是很少，本書的出版恰好填補了這方面的空白。
本書圖文并茂地對晦澀難懂的深度強化學習理論進行描述，并結(jié)合大量的案例
和應(yīng)用程序，引導讀者邊思考邊實踐，從而逐步加深對深度強化學習的理解，并將這些新方法、新理論和新思想用于自己的研究。本書可作為從事智能機器人控制、計算機視覺、自然語言處理和自動駕駛系統(tǒng)/無人車等領(lǐng)域研究工作的工程師、計算機科學家和統(tǒng)計學家的參考書。
內(nèi)容簡介
我們在與環(huán)境交互的過程中進行學習，經(jīng)歷的獎勵或懲罰將指導我們未來的行為。深度強化學習將該過程引入人工智能領(lǐng)域，通過分析結(jié)果來尋找最有效的前進方式。DRL智能體可提升營銷效果、預(yù)測股票漲跌，甚至擊敗圍棋高手和國際象棋大師。
《深度強化學習圖解》呈現(xiàn)生動示例，指導你構(gòu)建深度學習體系。Python代碼包含詳明、直觀的注釋，助你深刻理解DRL技術(shù)。你將學習算法的運行方式，并學會用評估性反饋來開發(fā)自己的DRL智能體。
本書主要內(nèi)容包括:
●強化學習入門
●行為與人類似的DRL智 能體
●在復 雜情況下應(yīng)用DRL
作者簡介
Miguel Morales在洛克希德·馬丁(Lockheed Martin)公司從事強化學習工作，在佐治亞理工學院擔任強化學習與決策課程的講師。
目錄
第1章 深度強化學習導論 1
1.1 深度強化學習概念 2
1.1.1 深度強化學習：人工智能的機器學習法 2
1.1.2 深度強化學習著重創(chuàng)建計算機程序 5
1.1.3 智能體解決智能問題 6
1.1.4 智能體通過試錯提高性能 8
1.1.5 智能體從慣序性反饋中學習 9
1.1.6 智能體從評估性反饋中學習 10
1.1.7 智能體從抽樣性反饋中學習 10
1.1.8 智能體使用強大的非線性函數(shù)逼近 11
1.2 深度強化學習的過去、現(xiàn)在與未來 12
1.2.1 人工智能和深度強化學習的發(fā)展簡史 12
1.2.2 人工智能的寒冬 13
1.2.3 人工智能現(xiàn)狀 13
1.2.4 深度強化學習進展 14
1.2.5 未來的機遇 17
1.3 深度強化學習的適用性 18
1.3.1 利弊分析 18
1.3.2 深度強化學習之利 19
1.3.3 深度強化學習之弊 20
1.4 設(shè)定明確的雙向預(yù)期 21
1.4.1 本書的預(yù)期 21
1.4.2 本書的最佳使用方式 22
1.4.3 深度強化學習的開發(fā)環(huán)境 23
1.5 小結(jié) 24
第2章 強化學習數(shù)學基礎(chǔ) 27
2.1 強化學習組成 28
2.1.1 問題、智能體和環(huán)境的示例 30
2.1.2 智能體：決策者 31
2.1.3 環(huán)境：其余一切 32
2.1.4 智能體與環(huán)境交互循環(huán) 37
2.2 MDP：環(huán)境的引擎 38
2.2.1 狀態(tài)：環(huán)境的特定配置 40
2.2.2 動作：影響環(huán)境的機制 43
2.2.3 轉(zhuǎn)換函數(shù)：智能體行為的后果 44
2.2.4 獎勵信號：胡蘿卜和棍棒 46
2.2.5 視界：時間改變最佳選擇 49
2.2.6 折扣：未來是不確定的，別太看重它 50
2.2.7 MDP擴展 51
2.2.8 總體回顧 53
2.3 小結(jié) 54
第3章 平衡短期目標與長期目標 57
3.1 決策智能體的目標 58
3.1.1 策略：各狀態(tài)動作指示 62
3.1.2 狀態(tài).-.值函數(shù)：有何期望 63
3.1.3 動作-值函數(shù)：如果這樣做，有何期望 64
3.1.4 動作-優(yōu)勢函數(shù)：如果這樣做，有何進步 65
3.1.5 最優(yōu)性 66
3.2 規(guī)劃最優(yōu)動作順序 67
3.2.1 策略評估：評級策略 67
3.2.2 策略改進：利用評級得以改善 73
3.2.3 策略迭代：完善改進后的行為 77
3.2.4 價值迭代：早期改進行為 81
3.3 小結(jié) 85
第4章 權(quán)衡信息收集和運用 87
4.1 解讀評估性反饋的挑戰(zhàn) 88
4.1.1 老虎機：單狀態(tài)決策問題 89
4.1.2 后悔值：探索的代價 90
4.1.3 解決MAB環(huán)境的方法 91
4.1.4 貪婪策略：總在利用 93
4.1.5 隨機策略：總在探索 95
4.1.6 ε.貪婪策略：通常貪婪，時而隨機 97
4.1.7 衰減.ε.貪婪策略：先最大化探索，后最大化利用 99
4.1.8 樂觀初始化策略：始于相信世界美好 101
4.2 策略型探索 105
4.2.1 柔性最大值策略：根據(jù)估計值按比隨機選擇動作 106
4.2.2 置信上界策略：現(xiàn)實樂觀，而非樂觀 108
4.2.3 湯普森抽樣策略：平衡回報與風險 110
4.3 小結(jié) 116
第5章 智能體行為評估 119
5.1 學習估計策略價值 120
5.1.1 首次訪問蒙特卡洛：每次迭代后，改善估計 123
5.1.2 蒙特卡洛每次訪問：處理狀態(tài)訪問的不同方法 125
5.1.3 時差學習：每步后改進估計 129
5.2 學習從多步進行估算 137
5.2.1 n.步TD學習：經(jīng)過幾步后改進估計 138
5.2.2 前瞻TD(λ)：改進對所有訪問狀態(tài)的估計 141
5.2.3 TD(λ)：在每步之后改進對所有訪問狀態(tài)的估計 143
5.3 小結(jié) 151
第6章 智能體行為的優(yōu)化 153
6.1 對智能體強化學習的解析 154
6.1.1 大多數(shù)智能體都要收集經(jīng)驗樣本 156
6.1.2 大多數(shù)智能體都要評估 157
6.1.3 大多數(shù)智能體都要優(yōu)化策略 159
6.1.4 廣義策略迭代 160
6.2 學習動作策略的優(yōu)化 162
6.2.1 蒙特卡洛控制：在每一迭代后優(yōu)化策略 163
6.2.2 SARSA：在每一步之后優(yōu)化策略 169
6.3 從學習中分離動作 173
6.3.1 Q學習：學會最優(yōu)動作，即使我們不選 173
6.3.2 雙Q學習：最大值估計值的最大估計值 177
6.4 小結(jié) 184
第7章 更有效、更高效地完成目標 187
7.1 學習使用魯棒性目標優(yōu)化策略 188
7.1.1 SARSA(λ)：基于多階段評估，在每一階段后優(yōu)化策略 189
7.1.2 Watkin的Q(λ)：再一次，從學習中分離行為 196
7.2 智能體的交互、學習、計劃 200
7.2.1 Dyna-Q：學習樣本模型 201
7.2.2 軌跡抽樣：為不久的將來做計劃 206
7.3 小結(jié) 219
第8章 基于價值的深度強化學習 221
8.1 深度強化學習智能體使用的反饋種類 222
8.1.1 深度強化學習智能體處理慣序性反饋 223
8.1.2 如果它不是慣序性反饋，那它是什么 224
8.1.3 深度強化學習智能體處理評估性反饋 225
8.1.4 如果它不是評估性反饋，那它是什么 226
8.1.5 深度強化學習智能體處理抽樣性反饋 226
8.1.6 如果它不是抽樣性反饋，那它是什么 227
8.2 強化學習中的逼近函數(shù) 228
8.2.1 強化學習問題能夠擁有高維狀態(tài)和動作空間 229
8.2.2 強化學習問題可以具有連續(xù)的狀態(tài)和動作空間 229
8.2.3 使用函數(shù)逼近有很多優(yōu)點 231
8.3 NFQ：對基于價值的深入強化學習的第一次嘗試 233
8.3.1 第1個決策點：選擇逼近一個值函數(shù) 234
8.3.2 第2個決策點：選擇神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 235
8.3.4 第3個決策點：選擇要優(yōu)化的內(nèi)容 236
8.3.5 第4個決策點：為策略評估選擇目標 238
8.3.6 第5個決策點：選擇探索策略 241
8.3.7 第6個決策點：選擇損失函數(shù) 242
8.3.8 第7個決策點：選擇一種最優(yōu)方法 243
8.3.9 可能出錯的事情 248
8.4 小結(jié) 250
第9章 更穩(wěn)定的基于價值方法 253
9.1 DQN：使強化學習更像是監(jiān)督學習 254
9.1.1 基于價值的深度強化學習的普遍問題 254
9.1.2 使用目標網(wǎng)絡(luò) 256
9.1.3 使用更大網(wǎng)絡(luò) 259
9.1.4 使用經(jīng)驗回放 259
9.1.5 使用其他探索策略 263
9.2 雙重DQN：減少對動作-值函數(shù)的高估 269
9.2.1 高估問題 269
9.2.2 將動作選擇從動作評估剝離 270
9.2.3 一個解決方案 271
9.2.4 一個更實用的解決方案 272
9.2.5 一個更寬容的損失函數(shù) 275
9.2.6 仍可改進之處 280
9.3 小結(jié) 281
第10章 高效抽樣的基于價值學習方法 285
10.1 Dueling DDQN：具備強化學習意識的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 286
10.1.1 強化學習不屬于監(jiān)督學習問題 286
10.1.2 基于價值的強化學習方法的微妙區(qū)別 287
10.1.3 利用優(yōu)點的優(yōu)勢 288
10.1.4 有意識強化學習框架 289
10.1.5 建立一個Dueling網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 290
10.1.6 重構(gòu)動作-值函數(shù) 291
10.1.7 連續(xù)更新目標網(wǎng)絡(luò) 293
10.1.8 Dueling網(wǎng)絡(luò)能為表格帶來什么 294
10.2 PER：優(yōu)先有意義經(jīng)驗的回放 297
10.2.1 更明智的回放經(jīng)驗方法 297
10.2.2 如何較好地衡量“重要”經(jīng)驗 298
10.2.3 利用TD 誤差做出貪婪優(yōu)先級操作 299
10.2.4 隨機對優(yōu)先的經(jīng)驗進行抽樣 300
10.2.5 成比例的優(yōu)先級 301
10.2.6 基于排名的優(yōu)先級 302
10.2.7 優(yōu)先偏倚 303
10.3 小結(jié) 309
第11章 策略梯度與actor-critic方法 313
11.1 REINFORCE算法：基于結(jié)果策略學習 314
11.1.1 策略梯度法簡介 314
11.1.2 策略梯度法之優(yōu)勢 315
11.1.3 直接學習策略 319
11.1.4 減少策略梯度方差 320
11.2 VPG：學習值函數(shù) 322
11.2.1 進一步減少策略梯度方差 323
11.2.2 學習值函數(shù) 323
11.2.3 鼓勵探索 324
11.3 A3C：平行策略更新 328
11.3.1 使用actor工作器 328
11.3.2 使用n-step估計 331
11.3.3 無障礙模型更新 334
11.4 GAE: 穩(wěn)健優(yōu)勢估計 335
11.5 A2C: 同步策略更新 338
11.5.1 權(quán)重分擔模型 338
11.5.2 恢復策略更新秩序 340
11.6 小結(jié) 346
第12章 高級actor-critic方法 349
12.1 DDPG: 逼近確定性策略 351
12.1.1 DDPG使用DQN中的許多技巧 351
12.1.2 學習確定性策略 353
12.1.3 用確定性策略進行探索 356
12.2 TD3：最先進的DDPG改進 358
12.2.1 DDPG中的雙重學習 358
12.2.2 平滑策略更新目標 360
12.2.3 延遲更新 363
12.3 SAC: 最大化預(yù)期收益和熵 365
12.3.1 在貝爾曼方程中添加熵 365
12.3.2 學習動作-值函數(shù) 366
12.3.3 學習策略 366
12.3.4 自動調(diào)整熵系數(shù) 367
12.4 PPO: 限制優(yōu)化步驟 372
12.4.1 使用與A2C相同的actor-critic架構(gòu) 372
12.4.2 分批處理經(jīng)驗 373
12.4.3 剪裁策略更新 377
12.4.4 剪裁值函數(shù)更新 377
12.5 小結(jié) 382
第13章 邁向通用人工智能 385
13.1 已涵蓋的以及未特別提及的內(nèi)容 386
13.1.1 馬爾可夫決策過程 387
13.1.2 規(guī)劃法 388
13.1.3 Bandit法 389
13.1.4 表格型強化學習 390
13.1.5 基于值函數(shù)的深度強化學習 391
13.1.6 基于策略的深度強化學習和actor-critic深度強化學習 392
13.1.7 高級actor-critic技術(shù) 392
13.1.8 基于模型的深度強化學習 393
13.1.9 無梯度優(yōu)化方法 395
13.2 更多AGI高級概念 397
13.2.1 什么是AGI 397
13.2.2 高級探索策略 399
13.2.3 逆強化學習 399
13.2.4 遷移學習 400
13.2.5 多任務(wù)學習 401
13.2.6 課程學習 401
13.2.7 元學習 402
13.2.8 分層強化學習 402
13.2.9 多智能體強化學習 402
13.2.10 可解釋AI、安全、公平和道德標準 403
13.3 接下來是什么 404
13.3.1 如何用DRL解決特定問題 404
13.3.2 繼續(xù)前進 405
13.3.3 從現(xiàn)在開始，放下本書 406
13.4 小結(jié) 407
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