05|探索与利用:从多臂赌博机到汤普森采样
H 博士 & 袁从德

你好!欢迎来到强化学习的第五节课。上一节课我们围绕强化学习中的价值方法展开,而今天我们将聚焦于一个更普适的决策难题——探索与利用的平衡,并深入解析多臂赌博机这一经典框架,以及高效解决方案汤普森采样的核心原理。
通过本节课的学习,你将能够:
理解多臂赌博机模型的核心定义与“探索 - 利用”矛盾的本质。
掌握 ε- 贪心、UCB 等基础策略的原理差异,以及累积遗憾的评价逻辑。
深入理解汤普森采样的贝叶斯推断思想、算法流程,及其在实际场景中的应用价值。
一、多臂赌博机模型:探索与利用的经典框架
在强化学习领域,所有控制学习方法都绕不开“探索 - 利用困境”(exploration - exploitation dilemma):采样时,一方面要选当前最优动作以获取更多奖励(利用,exploitation),另一方面又得尝试其他动作探索潜在更优解(探索,exploration),二者天然矛盾。
为平衡二者,人们设计了加噪声、乐观初始化、概率分配等策略。其中,ε - 贪心策略是常用的加噪声方法,依据概率平衡探索与利用——以 ε 概率探索新动作,以 1 - ε 概率利用已知最优动作,再按一定方式调节ε的变化节奏,从而从顶层控制不同阶段探索和利用的占比。
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1. 多臂赌博机模型涉及探索与利用的平衡问题,需要平衡尝试新动作以发现更高奖励和持续选择已知高奖励动作的矛盾。 2. 基础策略包括纯探索策略、纯利用策略、ε-贪心算法和Upper Confidence Bound(UCB)策略,它们以不同方式平衡探索和利用的权衡。 3. Bandit算法的效果可以通过衡量累积遗憾来评估,累积遗憾可以用来比较不同算法的效果和提出改进措施。 4. 朴素选择法是多臂老虎机领域的经典方法,通过对每个臂进行多次试验并选择平均收益最高的臂来进行决策。 5. 汤普森采样是一种基于贝叶斯推断的随机策略,通过维护每个手臂的奖励分布参数的概率分布,实现探索与利用的自适应平衡。 6. 汤普森采样的核心优势包括自适应平衡探索与利用、高效利用不确定性、计算复杂度低和贝叶斯解释性强。 7. 汤普森采样在推荐系统、A/B测试与在线实验、强化学习和资源分配等领域得到广泛应用。 8. 汤普森采样通过后验分布的动态更新实现探索与利用的自适应平衡,相比ε-贪心算法和UCB策略,在参数依赖和决策灵活性上具有优势。
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