强化学习中的奖励、回报、状态值以及贝尔曼方程

强化学习中的奖励、回报、状态值以及贝尔曼方程

一、概念

  • 奖励 r :一步的即时收益
  • 回报 G :从当前步到最终的总收益(折扣和)
  • 状态值 V (s) :在状态 s 下,未来能获得的 期望回报 (平均值)

关系:

状态值 = 对未来所有奖励的折扣和的期望


1. 奖励Reward: rtr_trt

智能体在时刻 t 执行动作后,立刻得到的单个数值反馈。

特点:

  • 只和当前状态、当前动作、下一状态有关
  • 是即时、局部、确定的信号
  • 是环境直接给出的 "反馈信号"

它是 RL 里最底层的信号,所有目标都建立在它之上。


2. 回报Return:GtG_tGt​

定义

从时刻 t 开始,到 episode 结束,所有未来奖励的折扣总和。

公式:

Gt=rt+1+γrt+2+γ2rt+3+⋯=∑k=0∞γkrt+k+1G_t=r_{t+1}+γr_{t+2}+γ^2r_{t+3}+⋯=∑{k=0}^∞γ^kr{t+k+1}Gt=rt+1+γrt+2+γ2rt+3+⋯=∑k=0∞γkrt+k+1

其中:

  • γ∈0,1:折扣因子,越远的奖励权重越小
  • Gt 衡量从 t 时刻往后,这条轨迹到底有多好
关键理解
  • 回报是一条轨迹的 "总分数"
  • 同状态出发,不同动作、不同随机性 → 不同轨迹 → 不同 G
  • 回报是随机变量,不是固定数

3.状态值函数 State Value:V(s)

定义

在状态 s 下,遵循策略 π 时,未来能获得的期望回报。

公式:

Vπ(s)=EπGt∣st=sV_π(s)=E_πG_t∣s_t=sVπ(s)=EπGt∣st=s

核心含义
  • 不是某一条轨迹的分数
  • 是从 s 出发,按策略 π 一直走下去,平均能拿到多少回报
  • 它衡量这个状态本身有多好

4. 三者最本质的关系

层级关系(从底层到高层)
  1. 奖励 r:基础单元
  2. 回报 G:r 的折扣累加(一条轨迹)
  3. 状态值 V (s):G 的期望(所有可能轨迹的平均)

二、贝尔曼方程的推导

回报的定义: Gt=rt+1+γrt+2+γ2rt+3+⋯G_t=r_{t+1}+γr_{t+2}+γ^2r_{t+3}+⋯Gt=rt+1+γrt+2+γ2rt+3+⋯

改写一下:

Gt=rt+1+γ(rt+2+γrt+3+γ2rt+4+⋯)G_t=r_{t+1}+γ(r_{t+2}+γr_{t+3}+γ^2r_{t+4}+⋯)Gt=rt+1+γ(rt+2+γrt+3+γ2rt+4+⋯)

所以:

Gt=rt+1+γGt+1G_t=r_{t+1}+γG_{t+1}Gt=rt+1+γGt+1

对等式两边取 在状态 s 下的条件期望:

EGt∣st=s=Ert+1+γGt+1∣st=s=Ert+1∣st=s+γEGt+1∣st=s\mathbb EG_t \| s_t=s=\mathbb Er_{t+1}+γG_{t+1} \| s_t=s=\mathbb Er_{t+1}\| s_t=s+γ\mathbb EG_{t+1} \| s_t=sEGt∣st=s=Ert+1+γGt+1∣st=s=Ert+1∣st=s+γEGt+1∣st=s

左边就是状态值的定义:

EGt∣st=s=V(s)\mathbb EG_t \| s_t=s=V(s)EGt∣st=s=V(s)

右边第二项:

下一状态的分布只依赖当前状态:

EGt+1∣st=s=∑s′P(st+1=s′∣st=s)⋅EGt+1∣st+1=s′\mathbb EG_{t+1}∣s_t=s=∑{s′} \mathbb P(s{t+1}=s′∣s_t=s)⋅\mathbb EG_{t+1}∣s_{t+1}=s′EGt+1∣st=s=∑s′P(st+1=s′∣st=s)⋅EGt+1∣st+1=s′

而EGt+1∣st+1=s′=V(s′)\mathbb EG_{t+1}∣s_{t+1}=s′=V(s′)EGt+1∣st+1=s′=V(s′) ,所以:

EGt+1∣st=s=∑s′P(s′∣s)⋅V(s′)\mathbb EG_{t+1}∣s_t=s=∑_{s′} \mathbb P(s′∣s)⋅V(s′)EGt+1∣st=s=∑s′P(s′∣s)⋅V(s′)

这可以写成 期望形式:

EGt+1∣st=s=EV(st+1)∣st=s\mathbb EG_{t+1}∣s_t=s=\mathbb EV(s_{t+1}) \|s_t=sEGt+1∣st=s=EV(st+1)∣st=s

代回去

V(s)=Ert+1∣st=s+γEV(st+1)∣st=sV(s)=\mathbb Er_{t+1}\| s_t=s+γ\mathbb EV(s_{t+1}) \| s_t=sV(s)=Ert+1∣st=s+γEV(st+1)∣st=s

这就是 贝尔曼方程,本质是:

当前状态的价值 = 当下奖励 + 下一状态价值的折扣期望。

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