電機情報工学専門実験 6. 強化学習シミュレーション

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1 電機情報工学専門実験 6. 強化学習シミュレーション

2 強化学習(Reinforcement Learning: RL)
環境 報酬 r Agent 状態 s （観測） 行動 a 方策（行動の取り方） π に 従って行動選択

3 ○ RL Agent の目的 ・・・ 最終的に得られる総報酬を最大化すること
「上の目的を達成できるよう方策 π を最適化」 π は一般的に　　　　　　　　　　　　　　　　　　で表現される 条件付き確率： 時刻 t でAgent の状態が s である下で、 行動 a を取る確率 総報酬（収益） （T ：最終時間ステップ） ただし、T = ∞ で も ∞ となるので、通常は の最大化を考える（　　　　　　；　 ：割引率）

4 マルコフ決定過程（ＭＤＰ） 通常、得られる報酬は Agent の過去の振舞に依存 過去の全行動を考慮することは困難
多くの RL 問題では、マルコフ決定過程（ＭＤP)下の環境を取扱う ＭＤＰ ・・・ 次状態 st+1 は、st と at “のみ”で決まる MDP における状態遷移確率　　　、報酬の期待値　　　は以下で表される

5 とすると、 方策 π に従う Agent が状態 s で行動 a を取ると、 以降得られる報酬は ＝ 行動価値関数 以降の行動も π に従うとすると、 と書ける に関する Bellman 方程式

6 RL では　　　　　　を最大とするようなある π （最適方策）を知りたい！
二つの方策　π と π’ がある時、全状態で ならば、 π は π’ と同等か、それ以上 他の全方策より良い or 同等の方策 ・・・ 最適方策 π* 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（必ず一つ以上存在） π* の持つ最適行動価値関数は、 で計算可能（Bellman 最適方程式）

7 DP ・・・ (1) 環境のモデル（ と ）が存在すること (2) 環境がＭＤＰでモデル化
を求める方法 ○ 動的計画法(Dynamic Programming: DP) ○ RL ー　最適方策獲得の条件　－ DP ・・・ (1) 環境のモデル（　　と　　）が存在すること 　　　　　 (2) 環境がＭＤＰでモデル化 多くのRL ・・・ (1) 環境がＭＤＰでモデル化

8 動的計画法（DP） DP ・・・ Agent が経験し得る全状態の価値関数を、反復動作 によって獲得する手法 ○ 価値関数更新の手順
　　　　　によって獲得する手法 ○ 価値関数更新の手順 全ての s において V(s) の値を V0(s) へ初期化（通常は０） 全ての s において以下を実行 全ての s において計算した | Vk(s) – Vk-1(s) | の最大値が任意の小さな値δ未満となるまで2. を繰り返し

9 RL (Q-learning) RL ・・・ 環境のモデル（ , ）を必要とせず、試行錯誤 的に最適方策を学習する手法 大別すると・・・
方策オン型　：　sarsa, sarsa(λ) 方策オフ型　：　TD法, TD(λ) 実験では、方策オフ型の代表的手法である、 Q-learning (TD(0)) を取り上げる

10 Q-learning のアルゴリズム１ Q-learning では、DPのように環境のモデルが既知でなくても、
以下の条件が満たされる状況において、無限大の繰り返しを経て 最適方策へ収束することが保障されている 挙動方策（テキスト参照）が、全状態行動対を選択する可能性を確保している 学習率αが以下の式を満たす ※ 条件2. は、学習率が漸進的に減少することを意味しているが、 実験では簡単のため、αの値は一定とする

11 Q-learning のアルゴリズム２ Q-learning におけるQ値（Q(s, a)） の更新手順 Q(s, a) を任意の値へ初期化
挙動方策（例：ε-グリーディ方策など）に従って行動選択 行動 a を選択した結果、報酬 r と次状態 s’ を観測した時、以下の更新式に従ってQ値を更新 s が終端状態（最終的な目標状態）ならば終了して、2. へ戻り学習を繰り返し。学習自体の終了条件を満たしている場合は学習を終了

12 C 言語によるプログラムについて ・ コンパイルは、cc 、または gcc を用いて下さい。
　例）　test1.c というファイルをコンパイルして、test1run という 　　　　実行ファイルを作る場合は、 　　　　　　　　　　　cc –o test1run test1.c [Return] 　　　　と入力 　　　　このファイルを実行する場合は、 　　　　　　　　　　　./test1run　（つまり、 ./実行ファイル名） 　　　　と入力すれば良い ・ C言語によるプログラミングに関する参考サイト 　「0から始めるC言語学習帳」： 　　　　 　「C言語講座」： 　　　　

13 E-mail が一番確実（すぐ返信できるとは限りません）
実験時間外の質問・問い合わせについて が一番確実（すぐ返信できるとは限りません） 居室まで直接来てもらっても構いません（2号館2階220Ａ） （曜日、時間帯によっては不在の場合も） 実験情報に関するHP：

14 演習室でのブラウザ利用について まず、proxy の設定を行ってください
Firefox を開く（マウスの右クリックメニューで選択 or “firefoxl” とキーボードから入力） メニューの「編集」→「設定」→「詳細」を選択し、表示されたウィンドウの「ネットワーク」タブを選択 「接続設定」をクリックして、HTTPプロキシを 　　　proxy-b.mains.nitech.ac.jp 　　　ポートを 　　　8080 　　に設定する