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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) =...

生成器 什么是生成器？ 通过列表生成式，我们可以直接创建一个列表，但是，受到内存限制，列表容量肯定是有限的，而且创建一个包含100万个元素的列表，不仅占用很大的存储空间，如果我们仅仅需要访问前面几个元素，那后面绝大多数元素占用的空间都白白浪费了。 所以，如果列表元素可以按照某种算法推算出来，那我们是否可以在循环的过程中不断推算出后续的元素呢？这样就不必创建完整的list，从而节省大量的空间，在Python中， 这种一边循环一边计算的机制，称为生成器：generator 生成器是一个特殊的程序，可以被用作控制循环的迭代行为，python中生成器是迭代器的一种，使用 yield 返回值函数，每次调用 yield 会暂停，而可以使用 next() 函数和 send() 函数恢复生成器。 生成器类似于返回值为数组的一个函数，这个函数可以接受参数，可以被调用，但是，不同于一般的函数会一次性返回包括了所有数值的数组，生成器一次只能产生一个值，这样消耗的内存数量将大大减小，而且允许调用函数可以很快的处理前几个返回值，因此生成器看起来像是一个函数，但是表现得却像是迭代器 python中的生成器...

概述 python采用的是 引用计数 机制为主， 标记-清除 和 分代收集 两种机制为辅的策略。 引用计数 Python语言默认采用的垃圾收集机制是『引用计数法 Reference Counting 』，该算法最早George E. Collins在1960的时候首次提出，50年后的今天，该算法依然被很多编程语言使用。 『引用计数法』的原理是：每个对象维护一个 ob_ref 字段，用来记录该对象当前被引用的次数，每当新的引用指向该对象时，它的引用计数 ob_ref 加 1 ，每当该对象的引用失效时计数 ob_ref 减 1 ，一旦对象的引用计数为 0 ，该对象立即被回收，对象占用的内存空间将被释放。 它的缺点是需要额外的空间维护引用计数，这个问题是其次的，不过最主要的问题是它不能解决对象的“循环引用”，因此，也有很多语言比如Java并没有采用该算法做来垃圾的收集机制。 引用计数案例 import sys class A(): def __init__(self): '''初始化对象''' print('object born id:%s'...

列表和元组总结 列表和元组都是 一个可以放置任意数据类型的有序集合 ，他们有以下共同点 列表和元组中的元素可以任意，并且都可以嵌套。 列表和元组都支持索引，且都支持负数索引，-1表示最后一个元素，-2表示倒数第二个元素 列表和元组都支持切片操作 都支持in关键词 都可以使用 .index() 、 .count() 、 sorted() 和 enumerate() 等方法 两者之间的相互转换，list()和tuple() 但是他们也是有区别 列表是动态的，长度大小不固定，可以随意地增加、删减或者改变元素（mutable） 元组是静态的，长度大小不固定，无法增删改，想要对已有的元组做任何“改变”，就只能开辟一块内存，创建新的元组 列表和元组存储方式的差异 由于列表是动态的；元组是静态的，不可变的。这样的差异，势必会影响两者存储方式。我们可以来看下面的例子： >>> l = [1, 2, 3] >>> l.__sizeof__() 64 >>> tup = (1, 2, 3) >>> tup.__sizeof__() 48...

序言 极大似然估计与贝叶斯估计是统计中两种对模型的参数确定的方法，两种参数估计方法使用不同的思想。 前者来自于频率派，认为参数是固定的，我们要做的事情就是根据已经掌握的数据来估计这个参数；而后者属于贝叶斯派，认为参数也是服从某种概率分布的，已有的数据只是在这种参数的分布下产生的。 所以，直观理解上，极大似然估计就是假设一个参数 \(θ\) ，然后根据数据来求出这个 \(θ\) . 而贝叶斯估计的难点在于 \(p(θ)\) 需要人为设定，之后再考虑结合MAP（maximum a posterior）方法来求一个具体的 \(θ\) . 所以极大似然估计与贝叶斯估计最大的不同就在于是否考虑了先验，而两者适用范围也变成了：极大似然估计适用于数据大量，估计的参数能够较好的反映实际情况；而贝叶斯估计则在数据量较少或者比较稀疏的情况下，考虑先验来提升准确率。 预知识 为了更好的讨论，本节会先给出我们要解决的问题，然后给出一个实际的案例。这节不会具体涉及到极大似然估计和贝叶斯估计的细节，但是会提出问题和实例，便于后续方法理解。 问题前提 首先，我们有一堆数据...

k-d树（k-dimensional树的简称），是一种分割k维数据空间的数据结构。主要应用于 多维空间关键数据的搜索 （如：范围搜索和最近邻搜索）。 应用背景 SIFT算法中做特征点匹配的时候就会利用到k-d树。而特征点匹配实际上就是一个通过距离函数在高维矢量之间进行相似性检索的问题。针对如何快速而准确地找到查询点的近邻，现在提出了很多高维空间索引结构和近似查询的算法，k-d树就是其中一种。 索引结构中相似性查询有两种基本的方式：一种是范围查询（range searches），另一种是K近邻查询（K-neighbor searches）。范围查询就是给定查询点和查询距离的阈值，从数据集中找出所有与查询点距离小于阈值的数据；K近邻查询是给定查询点及正整数K，从数据集中找到距离查询点最近的K个数据，当K=1时，就是最近邻查询（nearest neighbor searches）。...