Was ist Zeitdifferenzlernen?
Sowohl dynamische Programmierung als auch Monte-Carlo-Methoden bieten überzeugende Ansätze, weisen jedoch erhebliche Nachteile auf.
Dynamische Programmierung
Die dynamische Programmierung ermöglicht eine effiziente Berechnung der Zustandswertfunktion und die Ableitung einer optimalen Strategie. Sie verwendet Bootstrapping – die Berechnung des aktuellen Zustandswerts auf Basis der Werte zukünftiger Zustände – um dieses Ziel zu erreichen.
Obwohl das Konzept des Bootstrappings leistungsfähig ist, weist die dynamische Programmierung zwei wesentliche Nachteile auf:
- Sie erfordert ein vollständiges und explizites Modell der Umgebung;
- Zustandswerte werden für jeden Zustand berechnet, selbst wenn sich der Zustand nicht in der Nähe des optimalen Pfads befindet.
Monte-Carlo-Methoden
Monte-Carlo-Methoden beheben die beiden Nachteile der dynamischen Programmierung:
- Sie benötigen kein Modell, da sie aus Erfahrungen lernen;
- Die Art und Weise, wie sie aus Erfahrungen lernen, begrenzt die Exploration, sodass unwichtige Zustände selten besucht werden.
Allerdings führen sie einen neuen Nachteil ein – der Lernprozess findet erst nach Abschluss der Episode statt. Dies beschränkt die Anwendbarkeit von Monte-Carlo-Methoden auf kleine episodische Aufgaben, da größere Aufgaben eine extrem hohe Anzahl von Aktionen erfordern würden, bis die Episode abgeschlossen ist.
Temporal-Difference-Lernen
Temporal-Difference-Lernen (TD-Lernen) ist das Ergebnis der Kombination von Konzepten aus der dynamischen Programmierung und den Monte-Carlo-Methoden. Es übernimmt den Ansatz des Lernens aus Erfahrung von den Monte-Carlo-Methoden und kombiniert diesen mit dem Bootstrapping aus der dynamischen Programmierung.
Als Ergebnis behebt das TD-Lernen die Hauptprobleme beider Methoden:
- Lernen aus Erfahrung adressiert das Problem der Modellabhängigkeit und das Problem großer Zustandsräume;
- Bootstrapping adressiert das Problem des episodischen Lernens.
Wie funktioniert es?
TD-Lernen funktioniert durch eine einfache Schleife:
- Schätzung des Werts: Der Agent beginnt mit einer anfänglichen Schätzung, wie gut der aktuelle Zustand ist;
- Ausführen einer Aktion: Er führt eine Aktion aus, erhält eine Belohnung und gelangt in einen neuen Zustand;
- Aktualisierung der Schätzung: Mithilfe der Belohnung und des Werts des neuen Zustands passt der Agent seine ursprüngliche Schätzung leicht an, um sie genauer zu machen;
- Wiederholung: Im Laufe der Zeit baut der Agent durch wiederholtes Durchlaufen dieser Schleife nach und nach bessere und genauere Wertschätzungen für verschiedene Zustände auf.
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Die dynamische Programmierung ermöglicht eine effiziente Berechnung der Zustandswertfunktion und die Ableitung einer optimalen Strategie. Sie verwendet Bootstrapping – die Berechnung des aktuellen Zustandswerts auf Basis der Werte zukünftiger Zustände – um dieses Ziel zu erreichen.
Obwohl das Konzept des Bootstrappings leistungsfähig ist, weist die dynamische Programmierung zwei wesentliche Nachteile auf:
- Sie erfordert ein vollständiges und explizites Modell der Umgebung;
- Zustandswerte werden für jeden Zustand berechnet, selbst wenn sich der Zustand nicht in der Nähe des optimalen Pfads befindet.
Monte-Carlo-Methoden
Monte-Carlo-Methoden beheben die beiden Nachteile der dynamischen Programmierung:
- Sie benötigen kein Modell, da sie aus Erfahrungen lernen;
- Die Art und Weise, wie sie aus Erfahrungen lernen, begrenzt die Exploration, sodass unwichtige Zustände selten besucht werden.
Allerdings führen sie einen neuen Nachteil ein – der Lernprozess findet erst nach Abschluss der Episode statt. Dies beschränkt die Anwendbarkeit von Monte-Carlo-Methoden auf kleine episodische Aufgaben, da größere Aufgaben eine extrem hohe Anzahl von Aktionen erfordern würden, bis die Episode abgeschlossen ist.
Temporal-Difference-Lernen
Temporal-Difference-Lernen (TD-Lernen) ist das Ergebnis der Kombination von Konzepten aus der dynamischen Programmierung und den Monte-Carlo-Methoden. Es übernimmt den Ansatz des Lernens aus Erfahrung von den Monte-Carlo-Methoden und kombiniert diesen mit dem Bootstrapping aus der dynamischen Programmierung.
Als Ergebnis behebt das TD-Lernen die Hauptprobleme beider Methoden:
- Lernen aus Erfahrung adressiert das Problem der Modellabhängigkeit und das Problem großer Zustandsräume;
- Bootstrapping adressiert das Problem des episodischen Lernens.
Wie funktioniert es?
TD-Lernen funktioniert durch eine einfache Schleife:
- Schätzung des Werts: Der Agent beginnt mit einer anfänglichen Schätzung, wie gut der aktuelle Zustand ist;
- Ausführen einer Aktion: Er führt eine Aktion aus, erhält eine Belohnung und gelangt in einen neuen Zustand;
- Aktualisierung der Schätzung: Mithilfe der Belohnung und des Werts des neuen Zustands passt der Agent seine ursprüngliche Schätzung leicht an, um sie genauer zu machen;
- Wiederholung: Im Laufe der Zeit baut der Agent durch wiederholtes Durchlaufen dieser Schleife nach und nach bessere und genauere Wertschätzungen für verschiedene Zustände auf.
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