强化学习系列--时序差分学习方法(SARSA算法)

强化学习系列--时序差分学习方法(SARSA算法)

  • 介绍
    • 示例代码

介绍

SARSA(State-Action-Reward-State-Action)是一种强化学习算法,用于解决马尔可夫决策过程(MDP)中的问题。SARSA算法属于基于值的强化学习算法,用于学习最优策略。

在SARSA算法中,智能体通过与环境进行交互来学习。它基于当前状态、选择的动作、获得的奖励、下一个状态和下一个动作来更新价值函数(或者动作值函数),并根据更新后的价值函数选择下一个动作。

SARSA算法的更新规则如下:

Q(s, a) = Q(s, a) + α * (r(s,a,s’) + γ * Q(s’, a’) - Q(s, a))

其中,Q(s, a) 表示在状态 s 执行动作 a 的动作值函数,α 是学习率,r 是即时奖励,γ 是折扣因子,s’ 是下一个状态,a’ 是在下一个状态下选择的动作。

SARSA算法的核心思想是根据当前策略进行动作选择,并根据选择的动作和环境的反馈进行更新。它使用一种称为ε-greedy策略的方法,即以ε的概率选择一个随机动作,以1-ε的概率选择当前最优的动作。这样可以在探索和利用之间进行权衡,有助于智能体探索新的状态和动作,并最终学习到最优策略。

SARSA算法的步骤如下:

  1. 初始化动作值函数 Q(s, a) 为任意值;
  2. 选择初始状态 s;
  3. 根据当前策略选择动作 a;
  4. 执行动作 a,观察下一个状态 s’ 和即时奖励 r;
  5. 根据当前策略选择下一个动作 a’;
  6. 更新动作值函数:Q(s, a) = Q(s, a) + α * (r + γ * Q(s’, a’) - Q(s, a));
  7. 将状态更新为下一个状态:s = s’;
  8. 将动作更新为下一个动作:a = a’;
  9. 重复步骤3到8,直到达到终止状态。

通过不断与环境交互和更新动作值函数,SARSA算法能够逐步学习到最优策略,并在最优策略下获得最大的累积奖励。

示例代码

以下是一个简单的示例代码,演示了如何使用SARSA算法来解决一个简单的强化学习问题:

import numpy as np# 定义环境
num_states = 5
num_actions = 3
Q = np.zeros((num_states, num_actions))  # 动作值函数
rewards = np.array([[-1, 0, -1],  # 状态0的奖励表[-1, -1, 0],  # 状态1的奖励表[0, -1, -1],  # 状态2的奖励表[-1, 0, -1],  # 状态3的奖励表[-1, -1, 0]])  # 状态4的奖励表
gamma = 0.8  # 折扣因子
alpha = 0.1  # 学习率
epsilon = 0.1  # ε-greedy策略的ε值# 定义SARSA算法
def sarsa(num_episodes):for episode in range(num_episodes):state = 0  # 初始状态action = epsilon_greedy(state)  # 初始动作while state != num_states - 1:  # 直到达到终止状态next_state = action  # 下一个状态为当前动作next_action = epsilon_greedy(next_state)  # 下一个动作# 使用SARSA更新动作值函数Q[state, action] += alpha * (rewards[state, action] + gamma * Q[next_state, next_action] - Q[state, action])state = next_stateaction = next_action# ε-greedy策略
def epsilon_greedy(state):if np.random.uniform(0, 1) < epsilon:action = np.random.randint(num_actions)  # 随机选择一个动作else:action = np.argmax(Q[state])  # 选择具有最大动作值的动作return action# 运行SARSA算法
sarsa(num_episodes=100)# 输出结果
print("最优动作值函数:")
print(Q)

这个示例代码是一个简单的强化学习问题,具有5个状态和3个动作。在每个状态下,根据rewards矩阵给出的即时奖励,智能体通过SARSA算法逐步更新动作值函数Q。最后,输出最优的动作值函数Q。

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