Quais são alguns desafios e soluções para a exploração em ambientes de recompensa esparsos e de alta dimensão?
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Mohammed BahageelData Scientist / Data Analyst | Machine Learning | Deep Learning | Artificial Intelligence | Data Analytics…
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Tayyaba ChaudhryProject Manager I Business Consultant I Marketing Strategist I Business Development Manager I Entrepreneur I Financial…
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Muhammad FawiSenior Data Scientist @ spiderSilk
A maldição da dimensionalidade refere-se ao fenômeno de que, à medida que a dimensionalidade do espaço de estado aumenta, a quantidade de dados e computação necessária para aprender uma boa política cresce exponencialmente. Isso dificulta a exploração, pois o agente precisa amostrar mais estados e ações para descobrir os ideais. Uma solução para esse desafio é usar técnicas de redução de dimensionalidade, como autoencoders ou análise de componentes principais, para projetar os estados de alta dimensão em um espaço latente de baixa dimensão. Isso pode reduzir a complexidade e o ruído do espaço estatal e tornar a exploração mais eficiente.
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Challenges: Curse of dimensionality, sparse rewards. Solutions: Dimensionality reduction techniques, hierarchical reinforcement learning, reward shaping, and transfer learning strategies.
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In high-dimensional and sparse reward environments, challenges include the curse of dimensionality and difficulty in learning due to infrequent rewards. Solutions include dimensionality reduction, function approximation, exploration strategies, reward shaping, intrinsic motivation, and hierarchical reinforcement learning to facilitate efficient exploration and learning.
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Dimensionality is an opportunity, not a challenge! More features means more data! The more data make the system simpler to learn! Choosing the right model, and suitable feature engineering can change this presumed challenge to an opportunity!
Recompensas esparsas são recompensas que só são dadas quando o agente atinge um objetivo específico ou um evento raro, como chegar ao fim de um labirinto ou resolver um quebra-cabeça. Isso dificulta a exploração, pois o agente tem que explorar um espaço de estado grande e pouco informativo sem saber quais ações levam a recompensas. Uma solução para esse desafio é usar o modelagem de recompensa, que é o processo de modificar a função de recompensa para fornecer recompensas mais frequentes e intermediárias que guiem o agente em direção ao objetivo. Por exemplo, pode-se usar a modelagem de recompensa baseada em potencial, que dá recompensas com base na mudança na função potencial que mede o progresso em direção ao objetivo.
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Sparse rewards like financial environments needs deep understanding of the dynamics of the system! Change your point of view, design different measure to evaluate the agent in each step and try to use algorithms that strike balance between both short term and long term rewards.
O tradeoff exploração-exploração é o dilema que o agente enfrenta entre explorar novos estados e ações para obter mais informações, ou explorar o conhecimento atual para maximizar a recompensa esperada. Essa compensação é especialmente importante na RL livre de modelo, onde o agente não tem acesso a um modelo do ambiente e tem que aprender com sua própria experiência. Uma solução para esse desafio é usar estratégias de exploração que equilibrem exploração e exploração, como épsilon-ganancioso, softmax ou superior limite de confiança. Essas estratégias usam alguma forma de aleatoriedade ou incerteza para selecionar ações que não são necessariamente ideais, mas têm o potencial de melhorar o aprendizado do agente.
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In high-dimensional environments like navigating a maze, exploration is crucial to find optimal solutions. One common exploration strategy is epsilon-greedy, which balances exploration and exploitation. Initially, a high exploration rate encourages random actions to explore the environment. As the agent gathers information, it gradually reduces exploration and focuses on actions that have resulted in rewards. By continuously exploring and updating estimated action values, the agent can discover the optimal path to the goal, even in environments with sparse rewards.
Motivação intrínseca é o conceito de recompensar o agente por sua própria curiosidade e interesse, e não por alcançar objetivos externos. Isso pode potencializar a exploração, pois o agente busca reduzir sua incerteza ou surpresa sobre o ambiente, ou aumentar seu empoderamento ou competência. Uma maneira de implementar a motivação intrínseca é usar a exploração orientada pela curiosidade, que se baseia na ideia de que o agente é recompensado por prever as consequências de suas ações. Por exemplo, pode-se usar um modelo de encaminhamento que prevê o próximo estado, dado o estado atual e a ação, e recompensar o agente pelo erro de previsão.
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Reward is a key component in training RL agents. However, sometimes the rewards in a given environment are sparse and rare. In such cases, the RL agent should be motivated to explore the environment for the sake of better understanding the environment and reducing uncertainties. One such technique is Intrinsic Curiosity Module (ICM). ICM motivates the agent to discover the environment when rewards are sparse or not present. The ICM has three components that are each separate neural networks. The encoder model which encodes the states. The inverse model which tries to predict the action that was taken given two consecutive states. The forward model which predicts the next encoded state, and its error is used as the intrinsic reward.
A aprendizagem por reforço hierárquico (HRL) é a estrutura de decomposição de um problema complexo de RL em vários níveis de abstração, como subtarefas, habilidades ou opções. Isso pode melhorar a exploração, pois o agente pode aprender e reutilizar políticas de alto nível que podem se estender por várias etapas de tempo e atingir submetas. Uma maneira de implementar o HRL é usar opções, que são ações estendidas temporalmente que têm seus próprios conjuntos de iniciação, condições de término e políticas. Por exemplo, pode-se usar a arquitetura de crítica de opção, que aprende tanto as políticas intraopção quanto a política de interopções usando métodos ator-crítico.
Meta-aprendizagem é o processo de aprender a aprender, ou adaptar-se a novas tarefas ou ambientes de forma rápida e eficiente. Isso pode facilitar a exploração, pois o agente pode transferir seu conhecimento ou experiência prévia para novas situações e explorar de forma mais eficaz. Uma maneira de implementar o meta-aprendizado é usar o aprendizado de meta-reforço, que se baseia na ideia de que o agente aprende uma meta-política que pode gerar políticas específicas de tarefas. Por exemplo, pode-se usar meta-aprendizagem independente de modelo, que usa otimização baseada em gradiente para atualizar a metapolítica com base na recompensa da tarefa.
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Reinforcement learning in high-dimensional and sparse reward environments faces challenges such as exploration, credit assignment, sample efficiency, generalization, exploration-exploitation trade-off, and curriculum learning. Potential solutions include using exploration strategies like epsilon-greedy or curiosity-driven exploration, employing credit assignment methods, enhancing sample efficiency with prioritized experience replay or model-based methods, leveraging techniques like function approximation or Monte Carlo Tree Search for generalization, balancing exploration and exploitation, and designing curricula to gradually expose agents to complex tasks.
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