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策略迭代

Policy iteration · Howard policy iteration · 策略迭代算法

在精确策略评估与逐状态贪心改进之间交替,并在有限折扣 MDP 中有限步到达最优策略。

条目类型
算法

形式陈述

策略迭代从确定性平稳策略 π0 开始。经典有限终止定理的第 k 轮先精确评估

vk=vπk,

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

πk+1(s)argmaxa[r(s,a)+γsP(ss,a)vk(s)].

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 vk 满足Bellman 最优性方程,策略最优并停止。

策略改进定理说明,只要新策略对 vπk 贪心,

Tπk+1vπk=TvπkTπkvπk=vπk.

利用单调性反复施加 Tπk+1 并取极限,得到

vπk+1vπk.

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 (Tπk+1vπk)(s)>vπk(s);故新策略价值至少在该状态严格提高,不需要相对于某个初始分布另加“可达”条件。有限状态、有限动作、γ<1 和精确评估下,确定性平稳策略只有有限多个,严格改进排除重访,因而算法有限终止。

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 A,B 及终止态,γ=1/2。在 A,“停留”得 1 并回到 A,“转移”得 0B;在 B,“等待”得 0 并回到 B,“兑现”得 6 后终止。初始策略选停留、等待,故

v0(A)=2,v0(B)=0.

第一次改进在 B 把等待的 0 换成兑现的 6;新策略价值为 (2,6)。再次检查 A:停留的动作值为 1+122=2,转移的动作值为 126=3,于是改选转移。最终价值为 (3,6),下一次改进不再改变策略。两轮变化分别传播了终点奖励和上游决策机会。

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.
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