“反复应用 $T $ 得到价值迭代;固定策略求值后对右侧逐状态贪心,则得到策略迭代。两者依靠同一个不动点,但一个连续更新数值函数,一个在有限策略集合中做改进。”
形式陈述 ​
策略迭代从确定性平稳策略
可解线性系统,或在数学上把迭代策略评估取到其极限;用有限容差提前停止属于 inexact/modified policy iteration,不在本段定理内。随后逐状态选取
Tie handling 固定为:若原动作也在最大化集合内就保留原动作;否则从最大化集合按一个固定规则选择。若所有状态都未改变,则
策略改进定理说明,只要新策略对
利用单调性反复施加
在上述保留旧动作规则下,任何实际改变都意味着该状态的一步改进严格,即
直觉
评估问“现在这套规则到底值多少”,改进问“既然已经知道后续照旧的价值,第一步能否换得更好”。只换第一步便能证明不差;下一轮重新评估后,局部改变的长期连锁效应被完整吸收。算法因而在策略空间中走离散的单调阶梯。
“贪心”并非只看即时奖励。改进式把动作后的奖励与下一状态的旧策略价值相加,比较的是先换一步、以后照旧的完整方案。策略改进定理再说明,若每一步都采用这种不差的替换,永久采用新策略也不会更坏。
例子与边界
设状态
第一次改进在
有限终止不能无条件外推。若评估只近似完成,错误的动作排序可让价值下降或循环;连续动作空间中策略数并非有限;并列最大动作每轮随意切换也会造成表面振荡。modified policy iteration 可以少做评估,但需要专门的误差控制,而不是把“精确”二字删掉后沿用同一证明。
推论与应用
策略迭代把求值和控制清楚分离,适合模型已知且线性系统可高效求解的场景。只改一个或一部分状态得到 asynchronous policy iteration;每轮只做少量评估更新则连接到价值迭代与广义策略迭代。
在大规模问题中,可用函数逼近器替代精确价值表、用采样估计改进目标,这形成 actor–critic 的思想来源。但一旦评估带偏或数据分布由旧策略产生,有限策略空间的经典终止证明不再适用,需要随机近似和分布偏移分析。
参考资料
- Ronald A. Howard, Dynamic Programming and Markov Processes, MIT Press, 1960, Ch. 4.
- Martin L. Puterman, Markov Decision Processes, Wiley, 1994, Secs. 6.2–6.4.
- Dimitri P. Bertsekas, Dynamic Programming and Optimal Control, Vol. I, 4th ed., Athena Scientific, 2017, Sec. 1.3.