一、概率论基础知识

1.随机变量
X设为随机变量，x为该随机变量的观测值
如：抛一枚硬币4次可能得到的观测值为（正面记为1，反面记为0）：
x1=1,x2=0,x3=1,x4=1;

2.概率密度函数
连续概率密度函数
如高斯分布：
$p(x)=\frac{1}{\sqrt{2\pi {\sigma }^2}}\exp (-\frac{(x-\mu {)}^2}{2{\sigma }^2}).$
该概率密度分布函数阐述了随机变量出现在均值附近的概率比较大，出现在远离均值处的概率较小。

离散型概率分布函数
X ∈ { 1 , 3 , 7 } . X\in\{1,3,7\}. X∈{1,3,7}.
该概率密度函数表示：x取值为1的概率为0.2，取值为3的概率为0.5，取值为7的概率是0.3，而在其他取值处的概率均为0。

概率密度/概率分布函数的性质：
设随机变量X的定义域为$\text{x}$
对于连续型随机变量：
${\int }_{x}p(x)dx=1$ 把定义域内所有x的可能取值的其概率作连续积分，结果为1。
对于离散型随机变量：
${\sum }_{x\in X}p(x)=1$

3.期望：
连续型：
$\mathbb{E}[f(X)]={\int }_{x}p(x)\cdot f(x)dx$
离散型：
$\mathbb{E}[f(X)]={\sum }_{x\in x}p(x)\cdot f(x)$

4.随机抽样

二、强化学习领域术语

state:
当前状态，在超级马里奥中就是当前这一时刻的马里奥状态
agent：
智能体，指的是做动作的客体，在该游戏中就是马里奥
action：
指的是智能体要做的动作，比如马里奥游戏中，马里奥要：向前，向上，或者向后，这样的动作

policy：
策略函数。强化学习中用策略函数来决定智能体该状态下做什么动作（action），策略函数是一个概率密度函数，所以是完备的，即把所有的可能的action的概率加起来一定是1。
如，给定状态s，要判断该状态下采取什么动作action，$\pi (a\mid s)$。假设各个动作的概率分别为：

• $\pi ($ left $\mid s)=0.2$
• $\pi ($ right $\mid$ s) $=0.1$
• $\pi (\mathrm{up}\mid s)=0.7$

那么如果没有特定的策略，就是随机抽样的话，policy函数就是以这几个概率做一个随机抽样来决定这一时刻做什么动作。
reward：对每一个做的动作做一个奖励机制，这个奖励机制将很大程度上影响动作的采取。
如：
• 碰到金币: 𝑅 =+1
• 赢得游戏: 𝑅 = +10000
• 碰到Goomba: 𝑅 = −10000 (game over).
• 无事发生: 𝑅 = 0
state transition：
旧状态通过一个动作转移到新状态
$p\left(s^{\prime }\mid s,a\right)=\mathbb{P}\left(S^{\prime }=s^{\prime }\mid S=s,A=a\right)$.

agent与环境的交互方式即为：

三、强化学习中两个随机性的来源：

1.Action
强化学习中action是随机的，是根据策略函数进行决策得到的

2.状态转移函数state transition
状态转移是根据当前状态，以及当前状态下智能体做出的动作，算出这个概率$p\left(s^{\prime }\mid s,a\right)$，然后根据这个概率随机抽样下一个环境状态。所以这里也是随机的。

如上图，根据当前的s以及a计算出了下一个状态有两种状态，概率分别为0.8和0.2，则随机抽样产生下一个状态。
则玩这个游戏的轨迹就是：
观察当前状态$s_t$，选择动作$a_t\sim \pi \left(\cdot \mid s_t\right)$，并且执行$a_t$,然后环境就会根据$p\left(s_{t+1}\mid s_t,a\right)$抽样产生$s_{t+1}$以及奖励$r_t$.

{state,action,reward}轨迹为：
$s_1,a_1,r_1,s_2,a_2,r_2,\cdots ,s_n,a_n,r_n$

四、rewards以及returns

Return：
定义：未来累计奖励（未来的reward加和）
$U_t=R_t+R_{t+1}+R_{t+2}+R_{t+3}+\cdots$
又由于对于当前时刻来说，不是每一时刻的reward重要性都一样，是有重要性权重的：
未来的reward要比当前时刻的reward重要性低，或者说价值低。所以$R_{t+1}$的权重要低于$R_t$。
Discounted return：
$\gamma$：折扣因子
$U_t=R_t+\gamma R_{t+1}+{\gamma }^2{R}_{t+2}+{\gamma }^3{R}_{t+3}+\cdots$
reward的随机性来源：
当前时刻的reward取决于做的动作action，action取决于当前时刻s，因此当前时刻的$R_i$取决于$S_i$以及$A_i$。
当前状态是随机的：$S_i\sim p\left(\cdot \mid s_{i-1},a_{i-1}\right)$
当前的动作也是随机的：$A_i\sim \pi \left(\cdot \mid s_i\right)$
因此当前时刻的reward $R_i$也是随机的。
而当前时刻的return $U_t$取决于$R_t{R}_{t+1}\cdots R_n$
所以$U_t$取决于$S_t,A_t,S_{t+1},A_{t+1},\cdots ,S_n,A_n$

五、Value Functions

1.Action-Value Function $Q_{\pi }(s,a)$

$U_t$在当前时刻就是一个随机变量，那么如何评价当前时刻的情况呢，求期望可以解决。
$Q_{\pi }\left(s_t,a_t\right)=\mathbb{E}\left[U_t\mid S_t=s_t,A_t=a_t\right]$
求期望把里面的随机性通过积分积掉，可以得到一个实数。
使用：
$S_i\sim p\left(\cdot \mid s_{i-1},a_{i-1}\right)$
$A_i\sim \pi \left(\cdot \mid s_i\right)$
两个函数，把未来的动作以及状态通过积分积掉，得到的是只取决于当前状态以及当前动作的观测$Q_{\pi }(s,a)$，但是该函数还与policy函数 $\pi$有关，因为求积分的时候会用到policy函数，如果 $\pi$不一样，求出的期望$Q_{\pi }(s,a)$也不一样。
$Q_{\pi }(s,a)$函数的意义在于：告诉我们用policy函数 $\pi$的时候，在当前状态st下，做动作at是好还是不好。
最优动作价值函数：
$Q^{\star }\left(s_t,a_t\right)={\max }_{\pi }{Q}_{\pi }\left(s_t,a_t\right)$

2.State-Value Function$V_{\pi }(s)$

对$Q_{\pi }(s,a)$中的动作求积分，把动作积掉，变量就只剩下状态s
$V_{\pi }\left(s_t\right)={\mathbb{E}}_A\left[Q_{\pi }\left(s_t,A\right)\right]={\sum }_a\pi \left(a\mid s_t\right)\cdot Q_{\pi }\left(s_t,a\right).$ (Actions are discrete.)

$V_{\pi }\left(s_t\right)={\mathbb{E}}_A\left[Q_{\pi }\left(s_t,A\right)\right]=\int \pi \left(a\mid s_t\right)\cdot Q_{\pi }\left(s_t,a\right)da\cdot$ (Actions are continuous.)
对于固定的policy函数 $\pi$，$V_{\pi }(s)$可以评估出当前状态的好坏。
使用不同的 $\pi$函数，求得不同的$V_{\pi }(s)$，然后通过对$V_{\pi }(s)$求均值$E_s[V_{\pi }(s)]$还可以表现出这个 $\pi$函数是否好。可以用来评估 $\pi$函数。