Lecture 7: Policy Gradient

Policy-Based Reinforcement Learning

• 우리는 이전 강의들에서 $\theta$를 이용하여 State-value function 또는 Action-value Function에 근사하는 방법을 배웠었습니다.
• 이때까지는 Value-Function으로부터 생성된 Policy를 사용했었지만 이번 강의에서는 Policy를 Parameterise를 할 것입니다.

$$\pi_{\theta}(s, a) = P[a \mid s, \theta]$$

• 우리는 RL의 model-free기법에 초점을 맞추고 있을 것입니다.

Value-Based and Policy-Based RL

• 저희가 이전까지 배웠던 것들은 전부 Value-Based Methods였습니다.
• 다른 방법으로는 Policy Based가 있습니다. (Value-function을 아예 학습하지 않고 Policy를 배우는 것)
• Value Based와 Policy Based의 학습 방법을 둘다 사용하여 학습하는 방법인 Actor Critic이 있습니다. (Actor : Policy, Critic : Value function)

Advantages of Policy-Based RL

• Policy Based의 장점
  • 수렴하는 성질이 Value Based에 비해 더 좋습니다.
  • High-dimensional 또는 continuos Action 공간에서 효과적입니다.
  • Value-Based는 Deterministic Policy만 학습하였는데 Policy Based의 경우에는 Stochastic Policy를 배울 수 있습니다.
• Policy Based의 단점
  • Global optimum보다는 local optimum에 빠지기가 쉽습니다.
  • Policy를 학습하는 것에 분산이 높은 경우가 있습니다.

Example: Rock-Paper-Scissors

• Stochastic Policy가 사용되면 좋은 예를 보겠습니다. (iterative한 가위 바위 보)
• Deterministic Policy를 사용하게 되면 greedy하게 행동하기 때문에 가위만 낸다거나 주먹만 낸다거나 할 수 있습니다. 이것의 안좋은 점은 처음이나 나중에 이길수는 있겠지만 상대와 싸우는 문제에서의 몇수만에 간파를 당할 수 있다는 것입니다.
  • 만약 가위바위보를 $\frac{1}{3}$확률로 내는 Policy가 있다면 이것은 격파할 수 없습니다.(이것은 다른 말로 내쉬 평형이라고도 합니다.)

Example: Aliased Gridworld (1)

• 다음은 Aliased Gridworld에 대한 예제입니다.
  • Feature가 N,E,S,W의 폼에 따릅니다.

$$\phi (s,a) = 1(wall \  to \ N, a = move \ E)$$ (가려는 방향에서 벽이 있다면 1, 없다면 0)

 

Example : Aliased Gridworld (2)

• Deterministic Policy는 평생 최적에 도달하지 못할수도 있습니다.

Example: Aliased Gridworld (3)

• Stochastic Policy를 사용하면 몇번의 step만을 사용한다면 최적에 도달할 수 있을 것입니다.

Policy Objective Functions

• 목표는 정책함수 $\pi_{\theta}(s,a)$로부터 최고의 $\theta$를 찾는 것입니다.
• 위와 같이 목적을 정의하는 3가지 방법이 있습니다.
• episodic environment인 경우에는 시작값을 사용할 수 있습니다.
•  

Policy Optimization

Policy Gradient

Computing Gradients By Finite Differences

Training AIBO to Walk by Finite Difference Policy Gradient

AIBO Walk Policies

Score Function

Softmax Policy

Gaussian Policy

One-Step MDPs

Policy Gradient Theorem

Monte-Carlo Policy Grradient (REINFORCE)

Puck World Example

Reducing Variance Using a Critic

Estimating the Action-Value Function

Action-Value Actor-Critic

Bias in Actor-Critic Algorithms

Compatible Function Approximation

Proof of Compatible Function Approximation Theorem

Reducing Variance Using a Baseline

Estimating the Advantage Function (1)

Estimating the Advantage Function (2)

Critics at Different Time-Scales

Actors at Different Time-Scales

Polciy Gradient with Eligibility Traces

Alternative Policy Gradient Directions

Natural Policy Gradient

Natural Actor-Critic

Natural Actor Critic in Snake Domain

Natural Actor Critic in Snake Domain (2)

Natural Actor Critic in Snake Domain (3)

Summary of Policy Gradient Algorithms