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知识点 1 · 总结
核心结论
六步证明,终点是 ∇1 = 0:b(s) 不依赖 a ⟹ 提出求和号 ⟹ b·∇Σ_a π = b·∇1 = 0。
底层机制
与 L8 第八集共用同一条引理(score function 期望为零)。模式:往估计量里加减任何期望为零的东西,都不改变正确性。
常见误解
误解:「减掉一个数就不是原梯度了」。只要不依赖动作就不改期望 —— 这是恒等式不是近似。
与你的考试
前提只有一条且必须守住:b 不能依赖动作。依赖动作就提不出求和号,减掉它会真的改变梯度。
知识点 1 · 检验
为什么可以从策略梯度估计里减去一个基线 b(s)?
b(s) 与 a 无关 ⟹ 提到求和号外;里面 Σ_a π∇log π = Σ_a ∇π = ∇Σ_a π = ∇1 = 0。所以期望精确不变,这是恒等变形而非近似,与 L8 第八集因果性共用同一条引理。「影响小可忽略」不对:b 可以很大(比如 100),关键是它的期望贡献恰为 0。「变成有偏」正好相反 —— 它仍然无偏。折扣抵消与此无关。注意前提:b 不能依赖动作,否则提不出求和号。
知识点 2 · 总结
核心结论
实测(R=100/102、π 各 0.5、score=±1):b=0 → 方差 10201;b=101(=V)→ 0;b=202 → 10201(与不用基线相同);b=250 → 22201(2.18×,更差)。五者梯度期望全是 −1。
底层机制
方差是 b 的二次函数 ⟹ U 形,有唯一最优点,两侧都会翘起来。最优点就在 b ≈ V^π(s)。
常见误解
误解:「证明说任何 b 都行,所以随便取」。那条证明说的是无偏性,不是方差。
与你的考试
所以基线要被学出来 —— 下一集那个模板里有专门一步:用最小二乘把 b 重新拟合到当前回报上。
知识点 2 · 检验
策略梯度里选一个「坏」的基线 b(s),会发生什么?
只要 b 不依赖动作,无偏性无条件成立 —— 本集五个 b 的梯度期望全是 −1。但方差是 b 的二次函数:最优点(b≈V=101)把方差压到 0,而 b=250 时方差 22201,是不用基线(10201)的 2.18 倍。「变有偏」是把这一集和上一集的结论搞混了。「方向反转」与「收敛到另一个策略」都不成立 —— 期望一点没变,只是估计更抖,实践中表现为需要更多样本、训练更不稳。
知识点 3 · 总结
核心结论
五步:① 跑 m 条轨迹 → ② 算 reward-to-go → ③ 算 Â=G−b → ④ 最小二乘重拟合 b → ⑤ 沿 Σ∇log π·Â 走一步,回到 ①。
底层机制
后面的方法(A3C、TRPO、PPO)都保持这个骨架,只换零件:换回报(critic)、换回报长度(n 步)、换步长规则。
常见误解
误解:「又一个要背的算法」。该记的是每一步能换成什么。
与你的考试
记号陷阱:「优势」指两个对象 —— 经验的 Â=G−b(带噪声)与精确的 A^π=Q^π−V^π(第七集用的),板上写成一样。另:每轮轨迹数讲座用了 D/d/m 三个符号。
知识点 3 · 检验
vanilla policy gradient 模板里,为什么每一轮都要重新采样轨迹?
梯度的表达式是 E_{τ~P(τ;θ)}[…] —— 期望是对当前 θ 诱导的轨迹分布取的,所以样本必须来自当前策略。这使策略梯度天生在策略,与 L4 的 Q-learning(离策略、可用回放)正好相反。「增加数据量」不是理由,重采样并不比复用旧数据得到更多样本。「基线更准」是顺带效果不是原因。内存无关 —— 即使内存无限也不能复用旧策略的数据。这也引出第四集:既然每步都要重采样,一步走坏,下一批数据就都是坏的。
知识点 4 · 总结
核心结论
策略梯度是在策略的:走一步就要重新采样。所以一步走坏 ⟹ 之后每一批数据都来自那个坏策略。
底层机制
三件事同时恶化:数据质量(回报低)、覆盖范围(到不了好状态)、梯度信号(优势处处相同,接近噪声)。
常见误解
误解:「步长就是超参数,调一调就行」。监督学习里数据集固定、可以纠回来;这里不行。
与你的考试
于是目标从「走得快」变成单调改进。这是 L1 第一集那个「序贯」的第三次发作(另两次:L7 行为克隆、L6 回放)。
知识点 4 · 检验
为什么在策略梯度里,步长比在监督学习里更要紧?
策略梯度是在策略的,每走一步都要用新策略重新采样。一步走坏,之后的数据质量、覆盖范围、梯度信号同时恶化,可能把你困在一个采不到有用信息的区域 —— 而监督学习的数据集是固定的,走岔了下一步照样能算出正确梯度。「不可微」不对:目标对 θ 可微,L8 整讲都在求它的导数。「梯度有偏」也不对,REINFORCE 与加基线后都无偏。随机梯度下降监督学习同样在用,不是差别所在。
知识点 5 · 总结
核心结论
把 G_t 换成 critic 的估计:Â_t = r_t + γV̂(s_{t+1}) − V̂(s_t),正是 TD 误差被用作策略梯度的权重。深度实例:A3C。
底层机制
critic 身兼两职:作基线(减掉的 V̂(s_t))不引入偏差;作自举目标(加上的 γV̂(s_{t+1}))引入偏差。
常见误解
误解:「用 critic 只是不用等回合结束」。省事是顺带的,真正的交换是 L3 那组偏差换方差。
与你的考试
新风险:critic 的偏差不是静态的 —— 早期 V̂ 离谱 ⟹ 优势离谱 ⟹ 策略按错信号更新,两个网络互喂误差。
知识点 5 · 检验
actor-critic 里,critic 的值函数 V̂ 出现在两个位置,它们的性质有什么不同?
第一集证明了任何只依赖状态的量做基线都不改变期望 —— V̂(s_t) 满足这一条,所以减掉它无害,哪怕 V̂ 估得很差。而 γV̂(s_{t+1}) 是自举目标:它替代了真实的后续回报,而 V̂ ≠ V^π,这一处引入偏差。同一个 V̂,两个位置,性质相反 —— 有些 actor-critic 变体只用它做基线以保持无偏。
知识点 6 · 总结
核心结论
G⁽ⁿ⁾_t = r_t + … + γ^{n−1}r_{t+n−1} + γⁿ V̂(s_{t+n})。n=1 是 TD(0),n=T 是蒙特卡洛。
底层机制
偏差大致按 γⁿ 衰减(γ^n 是自举成分的权重)。实测 γ=0.9:n=1→0.900,n=10→0.349;γ=0.99:n=10→0.904,几乎没降。
常见误解
误解:「n 越大越好,越接近无偏」。n 大偏差小但方差同时变大,判据仍是总 MSE。
与你的考试
n 的选择与 γ 强相关:γ 越接近 1,同样的偏差下降要走越多步,方差代价越大。再进一步是 TD(λ)(字幕念成「TD Gamma」)。
知识点 6 · 检验
γ = 0.99 时,n 步回报取 n = 10,自举成分 V̂ 在目标里的权重是多少?
n 步回报的最后一项是 γⁿ·V̂(s_{t+n}),所以自举成分的权重就是 γⁿ。γ=0.99、n=10 时是 0.99¹⁰ ≈ 0.904 —— 走了十步真实奖励,那个可能不准的估计仍占九成权重。0.349是 γ=0.9 时 n=10 的值,两个 γ 差别巨大,这正是「n 的选择与 γ 强相关」的含义。0.10没有依据。0把 n 步回报误当成了蒙特卡洛 —— 只有走到回合终点(V̂=0)自举才真正消失。
知识点 7 · 总结
核心结论
V(π̃) = V(π) + E_{s,a~π̃}[Σ γᵗ A^π(s_t,a_t)]。读法:沿新策略实际会走的路,累计「按旧策略的标准这一步赚了多少」。
底层机制
两个下标分工不同:旧策略提供评分标准,新策略决定在哪里被评分。换成 A^π̃ 会让式子自我指涉。
常见误解
误解:「评价新策略当然用它自己的优势」。课堂上有学生问过,答案是不 —— 反了整个推导就倒过来。
与你的考试
恒等式精确但不可直接估:分布来自一个你还没有数据的策略。另:这里的 A^π 是精确量,不是第三集那个经验的 G−b。
知识点 7 · 检验
相对性能恒等式 V(π̃) = V(π) + E[Σγᵗ A(s,a)] 里,优势函数 A 的上标应该是哪个策略?
优势是 A^π(旧策略),而状态-动作分布才是 ~π̃(新策略)。读法:沿新策略实际会走的路,逐步累计「按旧策略的标准这一步赚了多少」。换成 A^π̃ 后右边会自我指涉,也不再给出「相对 π 改进了多少」的信息。「两者都可以」正是这一集要反驳的 —— 课堂上有学生问过,答案是明确的「不」,弄反了整个推导就倒过来。γ与下标无关。
知识点 8 · 总结
核心结论
Σ_t γᵗP(s_t=s|π) 的总和是 Σγᵗ = 1/(1−γ),不是 1。实测:γ=0.9 → 10;γ=0.99 → 100;γ=0.999 → 1000。
底层机制
归一化版本是 d^π(s)=(1−γ)Σ_t γᵗP(s_t=s|π)。而 L3 第四集那个真正的平稳分布是另一个对象(和为 1)。
常见误解
讲座说法:「带折扣的平稳分布」。它不是分布 —— γ=0.99 时差一百倍。这是整讲最要命的记号问题。
与你的考试
两者存在条件也不同:平稳分布要不可约+非周期(L2 第一集反例),折扣占用测度对任何策略都有定义(γ<1 即收敛)。
知识点 8 · 检验
Σ_t γᵗ P(s_t = s | π) 对所有状态求和,结果是多少?
先对状态求和:每个固定时刻 Σ_s P(s_t=s)=1;再对 t 求和得 Σ_t γᵗ = 1/(1−γ)。γ=0.9 时是 10,γ=0.99 时是 100 —— 而概率分布的和该是 1。「它是概率分布」正是讲座把它叫成「平稳分布」时的误解。γ/(1−γ)是 L2 第九集停机判据里那个系数,不是这个。「取决于策略」不对:总和只依赖 γ,与策略无关 —— 策略只改变这个测度在各状态间怎么分配。
知识点 9 · 总结
核心结论
L_π(π̃) 与 V(π̃) 只差一处:状态分布用旧策略的(可算),动作仍按 π̃ 抽。性质:L_π(π) = V(π),在当前点精确。
底层机制
CPI 下界:V(π̃) ≥ L_π(π̃) − 2εγα²/(1−γ)²,其中 ε = max_s |E_{a~π′}A^π(s,a)|(讲座从未定义)。
常见误解
误解:「先换过去采一批试试」。第四集说过试错代价不可逆;而 L_π 可以在换之前用旧数据估。
与你的考试
惩罚随 α²(小步是二阶小量 ⟹ 安全)但系数带 1/(1−γ)²(γ=0.99 时 10000 ⟹ 「小」必须很小)。实测 α=0.05→49.5ε,α=0.10→198ε。讲座在此停止,最后一步推到期中后。
知识点 9 · 检验
代理目标 L_π(π̃) 与真实的 V(π̃) 相比,改动的是哪一处?
真值 V(π̃) 的期望要对 π̃ 的占用测度取(你还没有它的数据);L_π 只把状态分布换成 π 的(刚采过,可算),动作仍按 π̃ 抽。于是它能完全用旧数据估出来,且 L_π(π)=V(π) —— 在当前点精确,所以能当局部替身。换优势会破坏第七集那个恒等式的结构。γ→1与期望换最大值都不是这个构造。替换的代价由 CPI 下界给出:2εγα²/(1−γ)²。