強化學習研析

近年來，人工智慧（AI）領域有許多讓人興奮的新研究。AlphaGo擊敗了圍棋界最頂尖的職業選手。不久之後，其衍生演算法AlphaGo Zero在沒有人類知識監督學習的情況下以100-0的比分擊敗了AlphaGo。在DOTA2的1v1比賽中，頂級職業玩家輸給了OpenAI開發的機器人。了解這些後，很難不對這些演算法背後的原理感到好奇—強化學習（Reinforcement Learning, RL）。

接下來這篇文章會簡要地概述強化學習這個領域。首先會介紹幾個基本概念，然後深入探討解決RL問題的經典方法。希望這篇文章能成為新手的良好起點，為未來的研究奠定基石。

強化學習的基本流程

代理人（Agent）：代理人是解決問題的電腦程式或機器人等。例如，可以想像成在遊戲中控制玩家角色的角色。

環境（Environment）：代理人活動的場所或世界。例如，遊戲的關卡或機器人活動的房間等，代理人能夠影響的對象。狀態（State）：表示環境當前狀況的資訊。例如，西洋棋的棋盤狀態，或在自動駕駛汽車中，目前車輛的位置和速度等都屬於狀態。

行動（Action）：代理人可以做出的選擇或動作。例如，向右移動、跳躍、移動西洋棋的棋子等，在環境中可以選擇的動作。

獎勵（Reward）：代理人根據行動結果獲得的「獎勵」或「懲罰」。例如，在遊戲中得分增加是獎勵，錯誤行動導致遊戲結束則是懲罰。強化學習的目標

代理人學習「在哪種狀態下採取什麼行動可以獲得最多獎勵」。也就是說，強化學習的目標是讓代理人通過反覆試驗來找到最佳的行動模式。例如，考慮一個掃地機器人。一開始可能會隨機移動，但隨著時間推移，它會找到一條能夠避開家具並高效清潔的路線。機器人學習哪個方向前進可以清理更多垃圾，並逐漸變得更加熟練。

具體例子: 聖誕老人的送禮策略

想像聖誕老人是一個強化學習的代理人,他的目標是在聖誕夜盡可能多地送出禮物。

初始階段:

聖誕老人一開始可能會隨機選擇路線和停靠點。他可能會在某些地方停留太久,或是錯過一些房子。

學習過程:

隨著每年的經驗累積,聖誕老人會逐漸學習:

哪些路線可以更快地到達目的地

如何有效地安排停靠順序

在每個家庭停留的最佳時間

獎勵機制:

成功送出禮物:正面獎勵

錯過房子或遲到:負面獎勵

最佳策略:

經過多年的學習,聖誕老人最終會找到一個最佳的送禮策略,能夠在有限的時間內送出最多的禮物。

Reference

1. https://www.kaggle.com/learn/intro-to-game-ai-and-reinforcement-learning
2. https://arxiv.org/abs/2412.05265