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知识点 1 · 总结
核心结论
DP 第 k 轮自举的是 V^π_{k−1}(k−1 步时域的精确值),不是 V^π。两者之差按 γ^k 几何衰减。
底层机制
「偏差」要拆两项:采样误差(用样本代替期望)与截断偏差(用 V_{k−1} 顶替剩余子树)。DP 只有后者。
常见误解
误解:讲座原话「DP 不会有偏差,因为自举的那个 V^π 就是 V^π」—— 差别就在下标 k−1 上。
与你的考试
两者花的钱不同:截断偏差用算力买(多扫几轮,γ^k),采样误差用数据买(N^(−1/2))。
知识点 1 · 检验
「动态规划的策略评估是无偏的」——这句话的问题在哪?
DP 没有的是采样误差——模型已知,对 s′ 的求和是真的做了。但它每轮顶替进去的 V^π_{k−1} 是「只剩 k−1 步」的精确值,不是无限时域的 V^π,所以存在时域截断偏差,由 γ-压缩性按 γ^k 几何衰减。「完全精确」只在 k→∞ 的极限下成立。「DP 也要采样」是事实错误:DP 遍历所有 s′,一个样本都不抽。「只对确定性策略成立」也不对——随机策略下把 r(s,π(s)) 换成对动作的期望即可,与偏差问题无关。
知识点 2 · 总结
核心结论
DP = 算期望 + 自举;MC = 抽样 + 不自举;TD = 抽样 + 自举。第四格(算期望 + 展开到底)是穷举树,代价指数爆炸。
底层机制
差别全在更新式方括号里的目标:精确一步期望 / 实际回报 G_t / 采样的 r+γV(s′)。
常见误解
误解:「各取一半所以结果在中间」。方差上碰巧成立,收敛目标上不成立(第九集反例)。
与你的考试
最硬的分野:MC 不需要 Markov 性,DP 与 TD 都需要;非 Markov 数据上后两者收敛到错值。
知识点 2 · 检验
下面哪一条差别,不是程度问题而是原理性的?
Markov 性是关于环境的假设,不是算法的一个可调档位:如果状态不是充分统计量,TD 的自举目标 r+γV(s′) 从一开始就不对,再多数据也只会更快地收敛到错的值。而 MC 只平均实际观测到的回报,不依赖这个假设。「方差更低」是典型的程度问题。「在线 vs 等回合结束」与「要不要模型」都是真实且重要的差别,但它们是适用范围的差别:任务是不是回合制、手上有没有模型,都是你事先知道的条件;而 Markov 性坏掉时,算法不会报错,只会安静地给出错误答案。
知识点 3 · 总结
核心结论
每回合每状态只取第一次访问的回报 ⟹ 样本来自不同回合、IID ⟹ 均值无偏 + 大数定律相合。
底层机制
无偏与相合的全部依据就是 IID,没有用到任何 RL 的性质。允许重复访问就会破坏 IID(下一集)。
常见误解
误解:「MC 只是笨办法」。笨 = 假设少,而少掉的那条是最难验证的 Markov 性。
与你的考试
代价:高方差(整条回合的随机性进一个样本)+ 只能回合制、只能离线。
知识点 3 · 检验
首次访问 MC 的无偏性,最终依赖于哪一条?
「只取第一次访问」保证了同一个状态的多个回报样本来自不同回合,因而独立同分布;IID 样本的均值是总体均值的无偏估计,这是纯粹的统计事实。Bellman 方程根本没被用到 —— MC 不自举,整条更新式里没有 V(s′)。Markov 性正是 MC 不需要的那一条,这也是它相对 TD 的唯一质上的优势。γ<1在这里也不必要:本集用的就是 γ=1,回合制下有限时域已经保证回报有界(L2 第三集)。
知识点 4 · 总结
核心结论
实测(20 万次抽样,0.9X):方差 0.808 + 偏差² 0.994 = 1.802 = 直接测得的 MSE。而「方差+偏差」= −0.189,负的 MSE。
底层机制
判据是总 MSE,不是有没有偏差。反例:X~N(1,9) 时无偏 MSE=9.00,重度有偏的 0.1X 只有 0.90。
常见误解
误解:讲座原话「MSE 是偏差与方差之和」,以及由它推出的「无偏总是更好」。两句一起倒。
与你的考试
交换点取决于数据量。TD 正是那个「被缩过」的估计器:用一点偏差换掉一大块方差。
知识点 4 · 检验
为什么「MSE = 偏差 + 方差」这个写法不只是少写了一个上标?
MSE 是一个平方的期望,恒非负;而偏差可以是负的(估计系统性偏低时就是),所以「方差 + 偏差」能算出负数 —— 本集的实测就是 0.808 + (−0.997) = −0.189。一个恒非负的量等于一个可以为负的表达式,这是自相矛盾,不是近似。量纲其实说反了:偏差平方之后才和方差同量纲,这正是那个平方的另一个作用。「方差包含偏差」不对 —— 方差是绕自身均值的离散度,与真值无关,两项是正交的。「只有无偏时等价」恰恰相反:无偏时偏差为 0,0 和 0² 都是 0,两种写法在那时正好等价,所以无偏的情形根本暴露不出这个错误。
知识点 5 · 总结
核心结论
同回合两次访问的回报共享后半段(G⁽¹⁾ 含 r₃r₄,G⁽²⁾ 也含 r₃r₄)⟹ 不 IID ⟹ 均值有偏。
底层机制
讲座的精确陈述:同计数下首次访问占优(方差相同、无偏);每次访问的全部优势是攒计数快。
常见误解
误解:「两次都算所以数据更多」。多的是样本量不是信息量 ——「越多越准」要求样本独立。
与你的考试
无偏=每个有限 n 都对;相合=n→∞ 才对。两者互不蕴含;每次访问 MC 与 TD 都属「有偏但相合」。
知识点 5 · 检验
每次访问 MC 为什么有偏?
首次访问 MC 的无偏性唯一的依据是样本 IID(每回合每状态最多一个样本,样本来自不同回合)。允许同回合多次访问后,这些回报共享后半段的全部随机性 —— 后半段运气好,两个样本会同时偏高,误差叠加而非抵消 —— IID 破了,无偏也就没了。「靠后的回报系统性偏小」不成立:在 Markov 环境里,从 s 出发的回报分布与你第几次到达 s 无关,两次访问的回报各自都是无偏的,坏掉的是它们之间的相关性。Markov 性是 MC 压根不需要的假设。自举更不沾边 —— MC 的更新式里根本没有 V(s′)。
知识点 6 · 总结
核心结论
α = 1/N(s) 只说「步长跟着计数走」。N 若是首次访问计数就复现首次访问 MC(无偏),若是每次访问计数才复现每次访问 MC(有偏)。
底层机制
四种组合里,左右两列(增量 vs 批量)数学上相同;上下两行(首次 vs 每次)才决定有没有偏。
常见误解
误解:讲座原话「α=1/N(s) 的增量式 MC 就等同于每次访问 MC」—— 缺了「N 是每次访问计数」这个前提。
与你的考试
常数 α = 指数加权移动平均(旧样本按 (1−α)^k 遗忘),不收敛到算术平均;它是为非平稳环境准备的。
知识点 6 · 检验
用首次访问的计数 N(s),跑增量式更新 V ← V + (1/N(s))[G − V]。得到的是什么?
α = 1/N(s) 与「对这 N 个样本求算术平均」是恒等的(展开即可验证),所以估计器是什么完全由 N 数的是哪些样本决定。用首次访问的计数,进来的就是每回合至多一个、彼此 IID 的样本,得到的正是首次访问 MC,无偏。「增量式对应每次访问」就是本集要拆的那个绑定:更新写法不改变估计器。「中间的新估计器」没有依据 —— 两种写法逐位相同,不存在中间物。TD(0)形式上像,但目标完全不同:这里方括号里是实际回报 G(不自举),TD 用的是 r+γV(s′)(自举)。
知识点 7 · 总结
核心结论
同一条轨迹 s₃→s₂→s₂→s₁,α=1:MC 一个回合更新三个状态(全变 1),TD 一个回合只更新一个(1 后面全是 0)。
底层机制
唯一带真实奖励的那笔更新发生在最后,前面几笔看到的 V(s′) 还是 0。信息每回合往回走一格。
常见误解
误解:「更新次数多所以学得快」。次数 × 射程才是速度;TD 赢次数,输射程。
与你的考试
讲座没说的前提:「1 后面全是 0」只在 α=1 时成立;α=0.5 时是 (0.5,0,0,0,0,0,0)。
知识点 7 · 检验
同一条轨迹 s₃→s₂→s₂→s₁(只有 s₁ 给 +1,γ=1),TD(0) 取 α=0.5,跑一个回合后 V 是多少?
前三笔更新的目标里 V(s′) 都还是 0,所以 V(s₃) 和 V(s₂) 更新后仍是 0。只有最后一笔 (s₁, r=1, 终止) 的目标是 1,于是 V(s₁) ← 0 + 0.5×(1 − 0) = 0.5。(1,1,1,0,…)是 MC 的答案 —— MC 用实际回报,三个状态的回报都是 1。(1,0,…)是 α=1 的答案,也正是讲座直接给出、却没交代步长前提的那个。(0.5,0.5,0.5,…)把 TD 当成了「用 α 缩放的 MC」,但 TD 的目标是 r+γV(s′) 而不是回报 G,前面两个状态的目标确实是 0。
知识点 8 · 总结
核心结论
例:r=0、γ=1、后继各半概率、V(s′)=0 或 10,完全收敛时 V(s)=5。此时 每一次 |δ| 都是 5,而 E[δ]=0。
底层机制
δ 比较的是一个期望与从它抽出的一个样本;这个差的方差来自环境,与学得好不好无关。
常见误解
误解:拿 |δ| 当收敛判据(类比梯度范数)。监督学习的标签是确定的,TD 的目标是随机的。
与你的考试
收敛靠步长:Robbins–Monro(Σα=∞ 且 Σα²<∞,如 α=1/t)。常数 α 只满足第一条,V 会一直抖。
知识点 8 · 检验
TD(0) 已经完全收敛到 V^π。在一个随机环境里,单步 TD 误差 δ 会怎样?
δ = r + γV(s′) − V(s) 里,V(s) 是对期望的估计,而 r 与 s′ 是从分布中抽出的一个样本。即使 V 精确等于 V^π,单次采样与期望之差也不会是 0:本集的例子里每一次 |δ| 都恰好是 5,而 E[δ]=0。「趋于 0 是收敛的定义」把监督学习的直觉搬了过来 —— 那里标签是确定的。「趋于一个正常数」不对:δ 的期望恰恰是 0,它是对称地正负跳动,不是系统性地偏向一边。「速度由 γ 决定」混淆了两件事:γ 影响的是 V 的收敛速率,而 δ 的波动幅度由环境的随机性决定,跟收敛快慢无关。唯一的例外是确定性环境 —— 后继唯一时样本就是期望,δ 才真的归零。
知识点 9 · 总结
核心结论
八条回合下 V(B)=6/8=0.75 无争议;但 批量 MC 给 V(A)=0(只信 A 那唯一一次回报),批量 TD 给 V(A)=0.75(最大似然 MDP:A 必到 B)。
底层机制
MC 最小化对观测回报的均方误差;TD 求解最大似然 MDP 的 DP 解。TD 跨状态借数据,而借用只在 Markov 时合法。
常见误解
误解:「同一份数据,正确的算法该给同一答案」。数据不回答问题,假设才回答。
与你的考试
谁对是经验问题:状态是不是真的充分统计量。另:离开表格用函数逼近后,无模型方法可能根本不收敛。
知识点 9 · 检验
批量 TD 在 A/B 例上给出 V(A)=0.75,而批量 MC 给出 0。TD 凭什么敢用 0.75?
TD 先用计数估出最大似然 MDP(P(B|A)=1、R(A)=0、R(B)=0.75),再做 DP,于是 V(A)=0+0.75。这一步的实质是跨状态借用数据:A 只被访问一次,但「从 A 出发的未来完全由『在 A』决定」这个 Markov 假设允许它继承 B 的全部八次观测。「样本效率更高」只是结果的描述,不是理由 —— 效率的来源正是那个假设。「TD 无偏而 MC 有偏」把两者说反了:首次访问 MC 无偏,TD 才是有偏的。γ=1与此无关:R(A) 本来就是 0,γ 取什么都不改变这个分歧。若 Markov 性不成立,这个「借用」就是凭空编造,TD 会自信地给出错误答案。