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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) =...

k1.5—CoT强化训练 概述 Kimi k1.5采用了一种简化而有效的强化学习框架，其核心在于长上下文扩展和改进的策略优化方法，而不依赖于更复杂的技术如蒙特卡洛树搜索、价值函数和过程奖励模型。 问题设定 给定训练数据集 \(D = \{(x_i, y^*_i)\}_{i=1}^n\) ，其中包含问题 \(x_i\) 和对应的真实答案 \(y^*_i\) ，目标是训练一个策略模型 \(\pi_\theta\) 来准确解决测试问题。在复杂推理场景中，思维链(CoT)方法提出使用一系列中间步骤 \(z = (z_1, z_2, ..., z_m)\) 来连接问题 \(x\) 和答案 \(y\) ，每个 \(z_i\) 是解决问题的重要中间步骤。 当解决问题 \(x\) 时，思维 \(z_t \sim \pi_\theta(\cdot|x, z_1, ..., z_{t-1})\) 被自回归采样，最终答案 \(y \sim \pi_\theta(\cdot|x, z_1, ..., z_m)\) 。 强化学习目标 基于真实答案 \(y^*\) ，分配一个值 \(r(x, y, y^*)...

Score based generative model SMLD的关键点： 以多个不同量级的噪声对数据进行扰动，并训练一个分数网络来估计不同噪声下的分数 加噪的量级有大有小，都是在原始数据上进行加噪，最终的分布趋向于 $\mathcal{N}(0,max_i{\sigma_i^2})$ 运用分数匹配的方式来训练基于U-Net结构的MCSN网络， 使得MCSN能够估计任意加噪后分布的分数 基于任意加噪分布的分数和退火的郎之万动力学应用到采样来生成准确的原始数据分布的新样本 正式开始介绍之前首先解答一下这个问题： score-based 模型是什么东西，微分方程在这个模型里到底有什么用？ 我们知道生成模型基本都是从某个现有的分布中进行采样得到生成的样本，为此模型需要完成对分布的建模。根据建模方式的不同可以分为隐式建模（例如 GAN、diffusion models）和显式建模（例如 VAE、normalizing flows）。和上述的模型相同，score-based 模型也是用一定方式对分布进行了建模。具体而言，这类模型建模的对象是概率分布函数 log 的梯度，也就是 score...

Diffusion Models from SDE 连续扩散模型 (Continuous Diffusion Models) 将传统的离散时间扩散过程扩展到连续时间域,可以被视为一个随机过程，使用随机微分方程(SDE)来描述。其前向过程可以写成如下形式： \[\mathrm d\mathbf x=\mathbf f(\mathbf x,t)\mathrm dt+g(t)\mathrm d\mathbf w\tag{1}\] 其中， \(f(x,t)\) 可以看成偏移系数， \(g(t)\) 可以看成是扩散系数， \(dw\) 是标准布朗运动。这个SDE 描述了数据在连续时间域内如何被噪声逐渐破坏。 这个随机过程的 逆向过程 存在（更准确的描述：下面的逆向时间SDE具有 与正向过程SDE相同的联合分布 ）为 \[d\mathbf{x}=[\mathbf{f}(\mathbf{x},t)-g^2(t)\nabla_{\mathbf{x}}\log p_t(\mathbf{x})]dt+g(t)d\bar{\mathbf{w}}\tag{2}\]...

基于文章 《Elucidating the Design Space of Diffusion-Based Generative Models》 来统一扩散模型框架 通用扩散模型框架推导 加噪公式 Flow Matching的一步加噪公式 \[\mathbf{x}_t=(1-t)\mathbf{x}_0+t\varepsilon\] 写成概率分布形式： \[p(\mathbf{x}_t|\mathbf{x}_0)=\mathcal{N}(\mathbf{x}_t;(1-t)\mathbf{x}_0,t^2\mathbf{I})\] Score Matching的一步加噪公式 \[\mathbf{x}_t=\mathbf{x}_0+\sigma_t\varepsilon \] 写成概率分布形式： \[p(\mathbf{x}_t|\mathbf{x}_0)=\mathcal{N}(\mathbf{x}_t;\mathbf{x}_0,\sigma_t^2\mathbf{I})\] DDPM/DDIM的一步加噪公式...

- SMLD 和 DDPM 中使用的噪声扰动可以看作是两个不同 SDE 的离散化 - 扩散模型和评分模型在连续时间极限下完全等价，也就是说将有限次数的加噪过程推广到无穷次， 也就是推广到连续的情况下，可以得到一个更加一般的扩散过程，这个过程可以用SDE来表示，求解更加方便 - 两种方法的目标函数可以互相转换 随机微分 在DDPM中，扩散过程被划分为了固定的T步，还是用DDPM中的类比来说，就是“拆楼”和“建楼”都被事先划分为了T步，这个划分有着相当大的人为性。事实上，真实的“拆”、“建”过程应该是没有刻意划分的步骤的，我们可以将它们理解为一个在时间上连续的变换过程，可以用随机微分方程（Stochastic Differential Equation，SDE）来描述。 为此，我们用下述SDE描述前向过程（“拆楼”）： \[d\boldsymbol{x} = \boldsymbol{f}_t(\boldsymbol{x}) dt + g_t d\boldsymbol{w}\tag{1}\]...