RL学习笔记-贝尔曼最优方程(BOE)

学习笔记来自西湖大学的RL课程:https://github.com/MathFoundationRL/Book-Mathematical-Foundation-of-Reinforcement-Learning

回顾与引入

贝尔曼方程

贝尔曼方程描述了在给定策略 下,状态价值函数 或 状态-行为价值函数 的自洽性(self-consistency)关系。


贝尔曼最优方程

贝尔曼最优方程描述了在最优策略 下,最优状态价值函数 或 最优状态-行为价值函数的自洽性关系。

这就引入了几个问题:

  1. 什么叫最优?
  2. 存在性:最优策略一定存在吗?
  3. 唯一性:最优策略是唯一的吗?
  4. 随机性:最优策略是确定性的还是随机性的?
  5. 求解算法:如何计算最优状态值和最优策略?

最优的定义

当且仅当对于所有状态 s∈S 和任何其他策略 π,都满足 vπ∗(s)≥vπ(s) 时,策略 π∗ 被认为是最优策略。最优策略所对应的状态价值即为最优状态价值。

贝尔曼最优方程(BOE)

对于每一个 ,贝尔曼最优方程(BOE)的元素形式表示为:

其中 和 是待求解的未知变量,并且


然而,要完全理解这个方程并非易事。例如,它包含了两个未知变量:状态值v(s) 和策略π(a∣s)。这可能会让初学者感到困惑,不知道如何从一个方程中求解两个未知变量。

但实际上事可以解的比如,考虑两个未知变量 和 ,它们满足以下方程:

压缩映射定理

由于贝尔曼最优方程(BOE)可以表示为非线性方程 ,我们接下来介绍压缩映射定理来分析它。压缩映射定理是分析一般非线性方程的强大工具,它也被称为不动点定理。

考虑一个函数 ,其中 且 。如果满足以下条件,则称点 为不动点:

上述方程的解释是 的映射就是它本身。这就是为什么 被称为“固定”的原因。如果存在 使得:

对于任意 ,函数 则是一个压缩映射(或收缩函数)。 表示向量或矩阵范数。

它满足如下性质

  • 存在性:存在一个满足 的不动点 。
  • 唯一性:不动点 是唯一的。
  • 算法:考虑迭代过程:其中 。然后,对于任何初始猜测 ,当 时,。此外,收敛速度是指数级的快。

柯西序列

该证明依赖于柯西序列。如果对于任意小的 ,存在一个 使得对于**所有,都满足 ,则称序列 为柯西序列。直观的解释是存在一个有限整数 ,使得 之后的所有元素彼此足够接近。柯西序列很重要,因为它保证了会收敛到一个极限。它的收敛性质将用于证明压缩映射定理。请注意,我们必须有 对于所有** 。如果我们只是有,则不足以声称该序列是柯西序列。例如,对于 ,它满足 ,但显然 是发散的。

至于严谨的证明最后收敛到一个极限,这里不给证明,先接受这个结论。

压缩映射的迭代收敛性

当你对一个点反复应用一个压缩映射(即进行迭代 ),所产生的序列 必定是一个柯西序列。

首先,假设 是一个压缩映射,我们有:

类似地,我们有 ,…,。因此,我们有:

由于 ,我们知道当 时, 会以指数速度收敛到零(exponentially fast convergence),给定任意 。值得注意的是, 的收敛不足以暗示 的收敛。因此,对于任何 ,我们需要进一步考虑 。特别是:

因此,对于任何 ,我们总是可以找到 使得对于所有 ,。

因此,这个序列是柯西序列,并因此收敛到一个极限点,记为 。

压缩映射存在性证明

极限点为不动点的证明

我们证明极限 是一个不动点。* 为此,由于

我们知道 以指数速度收敛到零。因此,我们在极限处有 。

压缩映射唯一性证明

假设存在另一个不动点 满足 。那么,

由于 ,这个不等式成立当且仅当 。因此,。

贝尔曼最优公式的右边是一个压缩映射

考虑任意两个向量 ,并假设 且 。那么,

其中不等式表示元素级的比较。因此,

类似地,可以证明 。因此,

定义

其中 、 和 都是元素级运算符。根据定义,。一方面,很容易看出

这意味着

于是,

其中 是最大范数。

另一方面,假设 是 的第 个分量,并且 和 分别是 和 的第 行。那么,

由于 是一个所有元素非负且元素之和为一的向量,因此有:

类似地,我们有 。因此,

进而有:

将此不等式代入 (3.5) 式,得到:

这完成了对 的压缩性质的证明。

v∗ 和 π∗的最优性

解 是最优状态价值,而 是一个最优策略。也就是说,对于任何策略 ,都满足:

注:只要v*是最好的就证明了此时对应的π∗是最好的。(因为我们使用state value来评价一个策略的好坏)

其中 是策略 的状态价值,且不等式表示元素级比较。贝尔曼最优方程(BOE):它的解对应于最优状态价值和最优策略。下面是证明

对于任何策略 ,有:

由于

我们有:

重复应用上述不等式得到

因此,

其中最后一个等式成立是因为 且 是一个非负矩阵,其所有元素都小于或等于 1。

贪婪最优策略 - Greedy Optimal Policy

对于任意 (对于状态空间中的任何状态 ),确定性贪婪策略 定义如下:

这意味着对于任何给定的状态 ,最优策略 会以概率 1 选择动作 ,而选择其他任何动作的概率为 0。

这里, 是通过以下方式确定的:

这个公式表示, 是在当前状态 下,能够最大化 最优动作-值函数 (optimal action-value function) 的动作。简单来说,就是选择在当前状态下,未来预期回报最高的那个动作。

最优动作-值函数 定义如下:

这个公式是 贝尔曼最优方程 (Bellman Optimality Equation) 的核心部分,它解释了 的含义:

  • 代表在状态 下执行动作 ,然后从下一个状态 开始遵循最优策略所能获得的**预期总回报 (expected total return)**。
  • : 这一项表示在状态 下执行动作 后获得的即时奖励 (immediate reward) 的期望值。 是在状态 执行动作 得到奖励 的概率。
  • : 这一项表示在状态 下执行动作 后,到达下一个状态 ,并从 开始遵循最优策略所能获得的未来奖励 (future rewards) 的期望值。

最优策略是唯一的吗?

在标准的马尔可夫决策过程(MDP)中,如果最优值函数 _ 或最优动作-值函数 _ 存在,那么至少存在一个确定性的最优策略。这意味着你总能找到一个确定性的策略来达到最优性能。

然而,如果存在多个动作在某个状态下都能够达到相同的最大 值,那么这些动作的任何概率组合(即随机策略)也都是最优的。

Author

李三(cl0und)

Posted on

2025-08-16

Updated on

2025-08-17

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