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强化学习基础 RL基础概念 贝尔曼方程（Bellman Equation) 贝尔曼最优方程(Bellman Optimality Equation) 价值迭代和策略迭代 强化学习Model-Free之蒙特卡洛 改进算法 LLM中的RL DPO(Direct Preference Optimization)

引言与背景 蒙特卡洛方法是强化学习中的重要算法类别，它标志着从基于模型到无模型算法的转变。这类算法不依赖环境模型，而是通过与环境的直接交互获取经验数据来学习最优策略。 蒙特卡洛方法在强化学习算法谱系中处于"无模型"方法的起始位置，是从基于模型的方法（如值迭代和策略迭代）向无模型方法过渡的第一步。 无模型强化学习的核心理念可以简述为： 如果没有模型，我们必须有数据；如果没有数据，我们必须有模型；如果两者都没有，我们就无法找到最优策略。在强化学习中，"数据"通常指智能体与环境交互的经验 。 均值估计问题 在介绍蒙特卡洛强化学习算法之前，我们首先需要理解均值估计问题，这是理解从数据而非模型中学习的基础。 考虑一个可以取有限实数集合 \(X\) 中值的随机变量 \(X\) ，我们的任务是计算 \(X\) 的均值或期望值： \(E[X]\) 有两种方法可以计算 \(E[X]\) ： 基于模型的方法 ：当已知随机变量的概率分布时，可以直接根据期望值的定义计算： \[E[X] = \sum_{x \in X} p(x) \cdot x\] 其中 \(p(x)\) 是 \(X\) 取值为 \(x\)...

最优策略（Optimal Policy ） 之前在 贝尔曼方程（Bellman Equation) 中说过， 状态值可以用来评估一个策略是好是坏 ，这里给出正式的概念： \[v_{\pi_1}(s) \geq v_{\pi_2}(s) \quad \text { for all } s \in \mathcal{S}\] 那么此时 \(\pi_1\) 比 \(\pi_2\) ”更好“ 最优状态值（Optimal State Value） ： 对于任意状态 \(s\) ，最优状态值 \(v^*(s)\) 是所有可能策略中状态值的最大值： \[v^*(s) = \max_{\pi} v_{\pi}(s)\] 其中 \(v_{\pi}(s)\) 是策略 \(\pi\) 下的状态值。 最优策略（Optimal Policy） ： 如果一个策略的状态值在所有状态中均大于或等于其他策略的状态值，则该策略为最优策略： \[\pi^* = \arg\max_{\pi} v_{\pi}(s), \forall s \in S\] 即最优策略总是选择使得状态值最大的动作。 性质 ： 存在性...

状态价值（State values） 定义 状态价值是强化学习中的核心概念，用于衡量Agent从某个状态出发、遵循特定策略后所能获得的期望回报。 数学表达为： \[ v_\pi(s) = \mathbb{E}[G_t | S_t = s] \tag{1}\] 其中： \(v_\pi(s)\) ：状态 \(s\) 的状态价值函数（state-value function） 或者简称为 状态价值（state value）； \(\pi\) ：智能体遵循的策略； \(G_t = R_{t+1} + \gamma R_{t+2} + \gamma^2 R_{t+3} + \dots\) ：从当前时间步 \(t\) 开始的折扣回报； \(\gamma \in (0, 1)\) ：折扣因子，用于平衡即时奖励和未来奖励。 状态价值的特点 依赖于状态 \(s\) ：状态价值是条件期望，条件是智能体从状态 \(s\) 开始。 依赖于策略 \(\pi\) ：不同策略会生成不同的轨迹，从而影响状态价值。 与时间步无关 ：状态价值是一个固定值，与当前时间步 \(t\) 无关。 代表一个状态的价值。...

引言 强化学习中，找到最优策略是核心目标。本文详细介绍三种能够找到最优策略的基础算法： 价值迭代、策略迭代和截断策略迭代 。这些算法属于动态规划范畴，需要系统模型，是后续无模型强化学习算法的重要基础。 在强化学习的发展路线中，这些算法处于"基础工具"到"算法/方法"的过渡阶段，是从"有模型"到"无模型"学习的重要桥梁。 价值迭代（Value iteration） 价值迭代算法 基于收缩映射定理求解贝尔曼最优方程 。其核心迭代公式为： \[\begin{equation}v_{k+1} = \max_{\pi \in \Pi} (r_\pi + \gamma P_\pi v_k), k = 0, 1, 2, ...\tag{1}\end{equation}\] 根据收缩映射定理，当 \(k \to \infty\) 时， \(v_k\) 和 \(\pi_k\) 分别收敛到最优状态值和最优策略。 每次迭代包含两个步骤： 策略更新步骤 （policy update step） ：找到能解决以下优化问题的策略 \[\pi_{k+1} = \arg\max_\pi (r_\pi +...

基础概念 Grid-Word Example 环境描述 ：网格世界是一个直观的二维环境，包含： 白色格子 ：可通行区域。 橙色格子 ：禁止进入的区域（禁区）。 目标格子 ：代理需要到达的目标位置。 任务目标 ： 找到一条“好的”策略，使代理从任意初始位置到达目标格子。 策略应避免进入禁区、碰撞边界或走不必要的弯路。 什么是强化学习：依据策略执行动作-感知状态-得到奖励 所谓强化学习(Reinforcement Learning，简称RL)，是指基于智能体在复杂、不确定的环境中最大化它能获得的奖励，从而达到自主决策的目的。 a computational approach to learning whereby an agent tries to maximize the total amount of reward it receives while interacting with a complex and uncertain environment 经典的强化学习模型可以总结为下图的形式（你可以理解为任何强化学习都包含这几个基本部分：智能体、行为、环境、状态、奖励）：...

💡 GRPO相比PPO主要优势： 1. 训练更稳定 引入 KL 散度惩罚项，有效控制策略更新的幅度，避免策略崩溃，提高训练的稳定性 GRPO用组内相对优势替代value model，消除了value估计误差 通过组内归一化，自动消除reward scale和bias的影响 实验中发现GRPO的advantage方差比PPO小30%左右，训练崩溃率更低 2. 工程更简单 只需要1-2个模型（policy + reference），而PPO需要4个 显存占用减少50%以上，训练速度提升2-3倍 超参数更少，更容易调优 3. 相对奖励机制 通过对同一输入生成的多个输出进行比较，GRPO 能够更稳定地估计优势函数，减少了训练过程中的方差 背景 GRPO是 DeepSeek-Math model中提出的对PPO方法的改进策略： 强化学习(RL)在提升模型数学推理能力方面被证明是有效的 传统PPO算法需要较大训练资源 GRPO作为PPO的变体被提出,可以更高效地优化模型 PPO Vs GRPO PPO回顾 PPO的目标函数为: \[\begin{aligned}J_{PPO}(\theta) =...

概述 HiPPO（High-order Polynomial Projection Operators）是目前大热的structured state space model (S4)及其后续工作的backbone. State space mode主要是控制学科里的内容，最近被引入深度学习领域来解决长距离依赖问题。长距离依赖建模的核心问题是如何通过有限的memory来尽可能记住之前所有的历史信息。当前的主流序列建模模型（即Transformer和RNN) 存在着普遍的遗忘问题 fixed-size context windows: Transformer的window size通常是有限的，一般来说quadratic的attention最多建模到大约10k的token就到计算极限了 vanishing gradient: RNN通过hidden state来存储历史信息，理论上能记住之前所有内容，但实际上的effective memory大概是<1k个token的level，可能的原因是gradient vanishing HiPPO 通过数学方法分析来得到closed-form...

泊松分布 日常生活中，大量事件是有固定频率的。 某医院平均每小时出生3个婴儿 某公司平均每10分钟接到1个电话 某超市平均每天销售4包xx牌奶粉 某网站平均每分钟有2次访问 它们的特点就是，我们可以预估这些事件的总数，但是没法知道具体的发生时间。已知平均每小时出生3个婴儿，请问下一个小时，会出生几个？ 有可能一下子出生6个，也有可能一个都不出生。这是我们没法知道的。 泊松分布就是描述某段时间内，事件具体的发生概率。 \[P(N(t)=n)=\frac{(\lambda t)^n e^{-\lambda t}}{n!}\] 上面就是泊松分布的公式。等号的左边， \(P\) 表示概率， \(N\) 表示某种函数关系， \(t\) 表示时间， \(n\) 表示数量，1小时内出生3个婴儿的概率，就表示为 \(P(N(1) = 3)\) 。等号的右边，参数λ是单位时间（或单位面积）内随机事件的平均发生率。 接下来两个小时，一个婴儿都不出生的概率是0.25%，基本不可能发生。 \[P(N(2) = 0) = \frac{(3 \times 2)^0 e^{-3 \times 2}}{0!}...

基本概念 方向导数：是一个数；反映的是 \(f(x,y)\) 在 \(P_0\) 点沿方向 \(v\) 的变化率。 偏导数：是多个数（每元有一个）；是指多元函数沿坐标轴方向的 方向导数 ，因此二元函数就有两个偏导数。 偏导函数：是一个函数；是一个关于点的偏导数的函数。 梯度：是一个向量；每个元素为函数对一元变量的偏导数；它既有大小（其大小为最大方向导数），也有方向。 方向导数 反映的是 \(f(x,y)\) 在 \(P_0\) 点沿方向 \(v\) 的变化率。 例子如下： 题目 设二元函数 \( f(x, y) = x^2 + y^2\) ，分别计算此函数在点 \((1, 2)\) 沿方向 \(w=\{3, -4\}\) 与方向 \(u=\{1, 0\}\) 的方向导数。 解： 由于 \(w\) 不是单位向量，因此首先应对其进行单位化： \[v = w^0 = \frac{w}{|w|} = \left\{ \frac{3}{5}, -\frac{4}{5} \right\}\] 计算函数增量： \[\begin{aligned} \therefore f(x_0 + tv_1,...

问题表示 有很多概率问题，尤其是独立重复实验问题，如果用生成函数的方法来做，会显得特别方便。本文要讲的“随机游走”问题便是其中一例，它又被形象地叫做“醉汉问题”，其本质上是一个二项分布，但是由于取了极限，出现了很多新的性质和应用。我们先考虑如下问题： 考虑实数轴上的一个粒子，在 \(t=0\) 时刻它位于原点，每过一秒，它要不向前移动一格（ \(+1\) ），要不就向后移动一格（ \(-1\) ），问 \(n\) 秒后它所处位置的概率分布。 不难发现，这个问题跟二项分布是雷同的。如果把这个粒子形象比喻成一个“喝醉酒的人”，那么上面的走法就类似于一个完全不省人事的醉汉走路问题了。（当然，醉汉是在三维空间走路的，这里简单起见，只描述了一维的。）这是一个独立重复实验，每秒的行走可用函数描述为 \(\frac{1}{2}(z+z^{-1})\) ，于是 \(n\) 秒后的运动分布情况可以用 \[\frac{1}{2^n}(z+z^{-1})^n\] 来描述， \(z^i(i=-n,-n+1,\dots,n-1,n)\) 的系数表示粒子位于 \(i\) 的概率。 💡...

概述 MTP（Multi-token Prediction）的总体思路是：让模型使用n个独立的输出头来预测接下来的n个token，这n个独立的输出头共享同一个模型主干。这样通过解码阶段的优化，将1-token的生成，转变成multi-token的生成，从而提升训练和推理的性能。 在DeepSeek之前也有几个MTP方案，其侧重点各自不同。 侧重推理时解码加速。比如论文“MEDUSA: Simple LLM Inference Acceleration Framework with Multiple Decoding Heads”、论文“EAGLE: Speculative Sampling Requires Rethinking Feature Uncertainty”等。这些方案通过一次生成多个token，实现成倍的加速来提升推理性能。 侧重训练时提高效率。比如论文“Better & Faster Large Language Models via Multi-token...