第九章 深度强化学习-Double DQN

获取更多资讯，赶快关注上面的公众号吧！

第九章 深度强化学习-Double DQN

  目前流行的Q-learning算法会过高的估计在特定条件下的动作值。实际上，在实践中，这种过高的估计是否常见，是否会损害性能，以及是否可以预防，这些以前都不知道。于是Hado van Hasselt在2015年发表论文《Deep Reinforcement Learning with Double Q-learning》[1]回答了上述的问题，特别的，文章中指出最近的DQN算法，的确存在在玩Atari 2600时会存在严重的过高估计问题，并提出了Double Q-learning algorithm，可以很好的降低观测到的过高估计问题，而且在多个游戏上取得了更好的效果。

9.1 回顾

  为了解决序列决策问题，可以学习每个动作最优值的估计值，大多数问题的规模比较大，从而导致无法分别学习所有状态下的所有动作，相反，可以通过参数化的方式来近似拟合值函数，在状态S_t执行A_t，返回即时奖励R_t+1，并进入下一状态S_t+1，标准的Q学习参数更新如下：

$\boldsymbol{\theta}_{t+1}=\boldsymbol{\theta}_{t}+\alpha\left(Y_{t}^{\mathrm{Q}}-Q\left(S_{t}, A_{t} ; \boldsymbol{\theta}_{t}\right)\right) \nabla_{\boldsymbol{\theta}_{t}} Q\left(S_{t}, A_{t} ; \boldsymbol{\theta}_{t}\right)\tag {1}$
其中α为标量步长，目标Y_t^Q定义如下：

$Y_{t}^{\mathrm{Q}} \equiv R_{t+1}+\gamma \max _{a} Q\left(S_{t+1}, a ; \boldsymbol{\theta}_{t}\right)$

  该更新就类似于随机梯度下降，将当前值Q(S_t,A_t;θ_t)朝目标值Y_t^Q更新。

  在上一章中我们介绍了Nature DQN，为了保证算法具有更高的稳定性，Nature DQN中引入了带有参数θ^-的目标网络，该网络与在线更新网络结构相同，只是目标网络的参数更新存在延迟，即每隔C步使用在线网络更新目标网络的参数，更新的目标为：

$Y_{t}^{\mathrm{DQN}} \equiv R_{t+1}+\gamma \max _{a} Q\left(S_{t+1}, a ; \boldsymbol{\theta}_{t}^{-}\right)\tag {3}$

9.2 过高估计

  其实早在1993年Thrun和Schwartz就已经对Q学习的过高估计进行了研究，他们认为如果动作值中包含在[-ε, ε]上均匀分布的随机误差，那么每个目标可以过高估计达 $\gamma \epsilon \frac{m-1}{m+1}$，其中m为动作数量。之后 van Hasselt在2010年就指出使用表格型方法环境中的噪声也会导致过高估计，并提出了Double Q学习。

  但实际上任何形式的估计误差都可能引起上偏差，而不轮这是误差是由环境噪声、函数近似、不平稳性或其他误差源导致的。Thrun和Schwartz给出了特定设置下过高估计的上界，van Hasselt试图寻找下界。

  定理1：考虑一个状态s，在该状态下所有的最优动作值函数 $Q_{*}(s, a)=V_{*}(s)$，设Qt为任意值函数估计，其为真实值函数整体上的无偏估计，即 $\sum_{a}\left(Q_{t}(s, a)-V_{*}(s)\right)=0$，但由于估计误差的存在，设 $\frac{1}{m} \sum_{a}\left(Q_{t}(s, a)-V_{*}(s)\right)^{2}=C$，C>0且m≥2，m为状态s下的动作数。在这种条件下满足 $\max _{a} Q_{t}(s, a) \geq V_{*}(s)+\sqrt{\frac{C}{m-1}}$，但是采用Double Q-learning，则绝对误差为0。

  更典型的是，过高估计会随着动作数量的增加而增加，如图1所示。Q-learning的过估计确实会随着动作数量而增加，而Double Q-Learning是无偏的。

图1 橙色条当动作值函数Q(s,a)=V*(s)+ε~a~，且{ε~a~}~a=1~^m^为独立标准正态随机变量时，单次Q学习更新的偏差。蓝色表示的第二组动作值Q’，是独立同分布的。所有的条都是100次重复的平均值。

9.3 Double DQN

  Double Q-learning的思想是通过将目标函数的最大值操作分解为动作选择和动作评估。尽管不是完全的解耦合，DQN框架中的目标网络提供了一个天然的对于第二个价值函数的候选，这就不需要我们再引入一个额外的网络了。因此，建议使用在线网络来评估贪心策略，然后使用目标网络来估计值函数。同时考虑Double Q-learning和DQN，可以得到算法Double DQN。它的更新和DQN一样，只不过使用下式代替Y_t^DQN：

$Y_{t}^{\text {DoubleDQN }} \equiv R_{t+1}+\gamma Q\left(S_{t+1}, \underset{a}{\operatorname{argmax}} Q\left(S_{t+1}, a ; \boldsymbol{\theta}_{t}\right), \boldsymbol{\theta}_{t}^{-}\right)\tag {4}$

  和Double Q学习相比，用目标网络θt-代替第二个网络θt’的权重，用来评估当前贪婪策略。目标网络的更新跟DQN里一样，都是周期性地复制在线网络的参数。

References

[1] H. van HasseltA. Guez and D. Silver, “Deep Reinforcement Learning with Double Q-learning,” Computer Science, 2015.