REINFORCEとは

リインフォースREINFORCE(REward Increment = Nonnegative Factor × Offset Reinforcement × Characteristic Eligibility)別名 REINFORCEアルゴリズム、モンテカルロ方策勾配法、Monte Carlo policy gradient

1行定義

REINFORCEとは、1つのエピソードで得た収益をもとに、収益が大きかった行動ほど選ばれやすくなるよう方策を更新する、方策勾配法の基本的な手法のことです。

くわしく

REINFORCEは、ロナルド・ウィリアムズが提案し、1992年の論文で詳しく示した、方策勾配法の基本となる手法です。名前は「REward Increment = Nonnegative Factor × Offset Reinforcement × Characteristic Eligibility」の頭文字をとったもので、英語で「強化する」という意味の単語と同じつづりです。

名前が表す更新のしかた

名前は、更新の式の形そのものを表しています。

更新量 = 学習率(0以上の係数) × (報酬 − ベースライン) × 行動の選ばれやすさを上げる方向

報酬がベースラインを上回れば、そのとき選んだ行動の確率を上げます。下回れば、その確率を下げます。

手順

  1. いまの方策で、エピソードを最後まで行う。
  2. 各時刻について、そこから最後までに得た収益Gを計算する。
  3. 各時刻でとった行動aが、その状態sで選ばれやすくなる方向へ、Gに比例した大きさでパラメータθを動かす。

θ ← θ + α × G × ∇log π(a|s, θ)

実際の収益をそのまま使うので、モンテカルロ方策勾配法とも呼ばれます。価値関数を学ぶ必要がなく、仕組みが単純です。行動が連続値の場合にも使えます。

弱点

エピソードが終わるまで更新できません。また、収益は偶然に大きく左右されるため、勾配の見積もりのばらつきが大きく、学習が遅くなりがちです。いまの方策で集めたデータしか使えない方策オン型なので、データを効率よく使えるわけでもありません。

改良

収益から行動によらないベースラインb(s)を引いたG − b(s)を使うと、勾配の期待値を変えずに、ばらつきを小さくできます。ベースラインには、状態価値の推定値がよく使われます。さらに、収益の代わりに価値関数を使って1ステップごとに行動を評価するのが、Actor-Criticです。

覚え方

「結果がよかった一連の行動を、まとめて強化(reinforce)する」と覚えます。

G検定での出題

方策勾配法の代表例として、価値関数を使わずに方策を直接学ぶ点、エピソードの収益を使うため更新のばらつきが大きい点、ベースラインやActor-Criticによる改善との関係が問われます。

混同しやすい用語

用語意味
Actor-Critic行動を選ぶ方策(Actor)と、行動を評価する価値関数(Critic)を組み合わせ、両方を同時に学習する強化学習の手法

◯×チェック

  1. REINFORCEは、1つのエピソードの結果が偶然に左右されやすいため、勾配の見積もりのばらつき(分散)が大きくなりやすい。

    答えを見る

    答え ◯ 正しい

    同じ方策でも、エピソードごとに収益は大きく変わります。この分散の大きさが学習を遅くする主な原因で、ベースラインやActor-Criticはその対策です。

  2. REINFORCEで、行動によらないベースライン(状態価値の推定値など)を収益から引くと、ばらつきは小さくなるが、勾配の期待値がずれて別の方策を学んでしまう。

    答えを見る

    答え × 誤り

    行動によらないベースラインを引いても、勾配の期待値は変わりません。偏りを生まずにばらつきだけを小さくできるため、よく使われる工夫です。

  3. 基本形のREINFORCEは、過去の古い方策で集めたエピソードを再生メモリにため、何度も使い回して学習する。

    答えを見る

    答え × 誤り

    REINFORCEは、いまの方策で集めたエピソードで更新する方策オン型の手法です。経験をためて使い回す経験再生は、DQNなどの方策オフ型の手法で使われる工夫です。

練習問題

REINFORCEの問題(2問)
  1. 価値ベースと方策ベースの手法
  2. 実際の収益と推定値による更新

AIで作成 人による確認:未 誤りを報告

出典と作成について

作成:ウカトレ編集部(AIで作成し、別のAIが一次資料と照合。手順は編集方針)

公開日: 最終更新日: 最終確認日:

対応シラバス:シラバス第1.4版 技術9

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