主题
什么是强化学习
强化学习(Reinforcement Learning,RL)研究的是:一个智能体如何通过与环境不断交互、根据获得的奖励来学习做决策,使长期累积奖励最大。它不像监督学习那样有人告诉你“正确答案”,智能体只能从“做了某个动作之后得到多少奖励”这种评价性反馈中自己摸索。下棋、玩游戏、机器人控制、推荐系统,以及大语言模型的对齐训练,都可以用强化学习来建模。
一个直观的例子
想象训练一只小狗坐下:你发出口令,小狗做出某个动作;如果它坐下了,你就给它零食(正奖励),否则什么也不给。经过多次尝试,小狗会学到“听到口令就坐下”这一策略。
这里已经包含了强化学习的全部要素:
| 要素 | 小狗例子 | 一般含义 |
|---|---|---|
| 智能体(Agent) | 小狗 | 做决策、执行动作的学习者 |
| 环境(Environment) | 你和周围的一切 | 智能体之外、对动作做出响应的部分 |
| 状态(State) | 听到口令时的情境 | 对当前情况的描述 |
| 动作(Action) | 坐下、趴下、跑开…… | 智能体可以做出的选择 |
| 奖励(Reward) | 零食 | 环境给出的标量反馈信号 |
| 策略(Policy) | “听到口令就坐下” | 从状态到动作的映射 |
强化学习与其他机器学习范式的区别
- 监督学习:每个样本都带有正确标签,目标是拟合输入到标签的映射。反馈是“指导性”的:直接告诉你正确答案。
- 无监督学习:没有标签,目标是发现数据中的结构(聚类、降维、生成)。
- 强化学习:没有正确答案,只有奖励。反馈是“评价性”的:只告诉你这个动作好不好、好多少。
此外,强化学习还有几个独特的难点:
- 延迟奖励:一个动作的后果可能很久以后才显现,例如围棋中某步棋的好坏要到终局才知道。这带来了信用分配(credit assignment)问题。
- 探索与利用的权衡(exploration vs. exploitation):是选择当前已知最好的动作,还是尝试新动作以发现更好的选择?
- 数据不是独立同分布的:智能体的策略决定了它会看到什么数据,策略一变,数据分布也跟着变。
目标:最大化累积回报
智能体在每个时间步
其中
强化学习的核心概念速览
- 策略
:在状态 下选择动作 的概率。 - 状态价值函数
:从状态 出发、按策略 行动所能获得的期望回报。 - 动作价值函数
:在状态 先执行动作 、之后按策略 行动的期望回报。 - 模型:对环境的刻画,即状态转移概率
。有模型的方法利用它做规划,无模型的方法直接从交互经验中学习。
这些概念会在 马尔可夫决策过程 和 贝尔曼方程 两节中严格定义。
强化学习的典型应用
- 游戏:DQN 在 Atari 游戏上达到人类水平;AlphaGo / AlphaZero 在围棋上击败顶尖棋手。
- 机器人与控制:机械臂抓取、四足机器人行走、自动驾驶中的决策规划。
- 推荐与广告:把用户长期留存、长期价值作为优化目标。
- 大语言模型:RLHF 用人类偏好训练奖励模型,再用 PPO 等算法微调模型;GRPO 等方法被用于提升模型的推理能力。详见 RLHF 与大模型中的 RL。
小结与下一步
强化学习 = 智能体在环境中试错 + 根据奖励改进策略 + 目标是长期累积回报。下一节 智能体与环境 会详细讲解两者之间的交互循环。
练习题
- 举出一个你生活或工作中可以用强化学习建模的问题,分别指出其中的智能体、环境、状态、动作和奖励。
- 设
,奖励序列为 ,之后全为 0。计算 和 ,并验证 。 - 若每一步奖励恒为 1,求
和 时的回报 。这对“有效规划视野”意味着什么? - 为什么说监督学习的反馈是“指导性”的,而强化学习的反馈是“评价性”的?各举一例。
- 在围棋中,如果只在终局给出 +1/−1 奖励,会带来什么学习上的困难?
延伸阅读
交互工具:多臂老虎机模拟器——亲手对比几种探索策略
参考文献
- Sutton, R. S., & Barto, A. G. (2018). Reinforcement Learning: An Introduction (2nd ed.), 第 1 章. MIT Press.
- Mnih, V. et al. (2015). Human-level control through deep reinforcement learning. Nature, 518, 529–533.
- Silver, D. et al. (2016). Mastering the game of Go with deep neural networks and tree search. Nature, 529, 484–489.
- Ouyang, L. et al. (2022). Training language models to follow instructions with human feedback. NeurIPS.