強化学習 〜ベルマン方程式の導出〜

はじめに

　強化学習のテキスト「これからの強化学習」に出てくるベルマン方程式を導出する。自身のための覚書である。

収益

　時間ステップ$t$における収益$G_t$として、次式で定義される割引報酬和を考える。 \begin{equation} G_t=\sum_{\tau=0}^{\infty}\gamma^{\tau}R_{t+1+\tau} \end{equation} ここで、$\gamma$は割引率と呼ばれる量であり、$0\leqq\gamma\leqq 1$を満たす。$R_t$は時間ステップ$t$における報酬を表す。上式を展開すると \begin{equation} G_t=R_{t+1}+\gamma R_{t+2}+\gamma^2 R_{t+3}+\cdots \end{equation} となる。つまり収益$G_t$とは、次の時間ステップ$t+1$から未来に向かって得られる報酬の和である。

状態価値関数

　状態価値関数$V(s)$は、時間ステップ$t$における状態を表す確率変数$S_t$の観測値が$s$である条件の下で計算される収益$G_t$の期待値である。 \begin{equation} V(s)={\bf E}\left[G_t|S_t=s \right] \end{equation}

行動価値関数

　行動価値関数$Q(s,a)$は、確率変数$S_t$の観測値が$s$、行動を表す確率変数$A_t$の観測値がaである条件の下で計算される収益$G_t$の期待値である。 \begin{equation} Q(s,a)={\bf E}\left[G_t|S_t=s,A_t=a \right] \end{equation} 　ところで、$S_t=s$のとき収益$G_t$が実現する確率$P(G_t|S_t=s)$と$S_t=s, A_t=a$のとき収益$G_t$が実現する確率$P(G_t|S_t=s,A_t=a)$の間にはベイズの定理から次式が成り立つ。 \begin{equation} P(G_t|S_t=s)=\sum_a P(A_t=a|S_t=s)P(G_t|S_t=s,A_t=a) \end{equation} ここで、$P(A_t=a|S_t=s)$は、状態$s$のとき行動$a$が選択される確率であり、特に$\pi(a|s)$と表記される。これはエージェントの方策を決める確率である。上の関係式から、状態価値関数と行動価値関数の間には次式が成り立つ。 \begin{equation} V(s)=\sum_{a}\pi(a|s)Q(s,a) \end{equation}

ベルマン方程式

　状態価値関数$V(s)$に式(2)を代入して \begin{eqnarray} V(s)&=&{\bf E}\left[G_t|S_t=s \right] \\ &=&{\bf E}\left[R_{t+1}+\gamma R_{t+2}+\gamma^2 R_{t+3}+\cdots|S_t=s \right] \\ &=&{\bf E}\left[R_{t+1}|S_t=s \right] +\gamma{\bf E}\left[R_{t+2}+\gamma R_{t+3}+\cdots|S_t=s \right] \end{eqnarray} を得る。右辺第1項は \begin{eqnarray} {\bf E}\left[R_{t+1}|S_t=s \right] &=&\sum_{s^{\prime},a}P(S_{t+1}=s^{\prime},A_t=a|S_t=s)\;R_{t+1} \\ &=&\sum_{s^{\prime},a}P(S_{t+1}=s^{\prime}|S_t=s,A_t=a)P(A_t=a|S_t=s)\;R_{t+1}　\\ &=&\sum_{s^{\prime},a}P(s^{\prime}|s,a)\pi(a|s)\;r(s,a,s^{\prime}) \end{eqnarray} となる。ここで、報酬関数$r(S_t,A_t,S_{t+1})$を導入した。これは現在の状態と行動、および次の状態から報酬が決定されることを表している。また、確率$P$は、確率変数ではなくその実現値に依存するものである。従って、確率変数を省略することができる。
次に、式(9)の第2項を考える。 \begin{equation} {\bf E}\left[R_{t+2}+\gamma R_{t+3}+\cdots|S_t=s \right] = {\bf E}\left[R_{t+2}|S_t=s \right]+ \gamma{\bf E}\left[R_{t+3}|S_t=s \right]+\cdots \end{equation} これの右辺第1項は \begin{eqnarray} {\bf E}\left[R_{t+2}|S_t=s \right] &=& \sum_{s^{\prime\prime},s^{\prime},a^{\prime},a} P(S_{t+2}=s^{\prime\prime},A_{t+1}=a^{\prime},S_{t+1}=s^{\prime},A_t=a|S_t=s)\;R_{t+2} \\ &=& \sum_{s^{\prime\prime},s^{\prime},a^{\prime},a} P(S_{t+2}=s^{\prime\prime},A_{t+1}=a^{\prime}|S_{t+1}=s^{\prime})P(S_{t+1}=s^{\prime},A_t=a|S_t=s)\;R_{t+2} \\ &=&\sum_{s^{\prime},a} P(S_{t+1}=s^{\prime},A_t=a|S_t=s)\sum_{s^{\prime\prime},a^{\prime}}P(S_{t+2}=s^{\prime\prime},A_{t+1}=a^{\prime}|S_{t+1}=s^{\prime})\;R_{t+2} \\ &=&\sum_{s^{\prime},a} P(s^{\prime},a|s)\;{\bf E}\left[R_{t+2}|S_{t+1}=s^{\prime} \right]　\\ &=&\sum_{s^{\prime},a} P(s^{\prime}|s,a)\pi(a|s)\;{\bf E}\left[R_{t+2}|S_{t+1}=s^{\prime} \right] \end{eqnarray} となる。式(16)からの(17) への変形では、確率変数を省略し、式(10)を用いた。式(13)の他の項についても同様に計算することにより次式を得る。 \begin{eqnarray} {\bf E}\left[R_{t+2}+\gamma R_{t+3}+\cdots|S_t=s \right]&=&\sum_{s^{\prime},a} P(s^{\prime}|s,a)\pi(a|s)\;{\bf E}\left[R_{t+2}+\gamma R_{t+3}+\cdots|S_{t+1}=s^{\prime} \right] \\ &=& \sum_{s^{\prime},a} P(s^{\prime}|s,a)\pi(a|s)\;V(s^{\prime}) \end{eqnarray} 式(19)から(20)への変形では$V(s)$の定義を用いた。最後に式(12)と(20)から次式を得る。 \begin{equation} V(s)=\sum_{s^{\prime},a} P(s^{\prime}|s,a)\pi(a|s)\left[r(s,a,s^{\prime})+\gamma V(s^{\prime})\right] \end{equation} これを状態価値関数に関するベルマンの方程式と呼ぶ。

　次に行動価値関数についてのベルマン方程式を求める。 \begin{eqnarray} Q(s,a)&=&{\bf E}\left[G_t|S_t=s,A_t=a \right] \\ &=&{\bf E}\left[R_{t+1}+\gamma R_{t+2}+\gamma^2 R_{t+3}+\cdots|S_t=s,A_t=a \right] \\ &=&{\bf E}\left[R_{t+1}|S_t=s,A_t=a \right] +\gamma{\bf E}\left[R_{t+2}+\gamma R_{t+3}+\cdots|S_t=s,A_t=a \right] \end{eqnarray} 右辺第1項は \begin{eqnarray} {\bf E}\left[R_{t+1}|S_t=s,A_t=a \right] &=&\sum_{s^{\prime}}P(S_{t+1}=s^{\prime}|S_t=s,A_t=a)\;R_{t+1} \\ &=&\sum_{s^{\prime}}P(s^{\prime}|s,a)\;r(s,a,s^{\prime}) \end{eqnarray} 右辺第2項は \begin{equation} {\bf E}\left[R_{t+2}+\gamma R_{t+3}+\cdots|S_t=s,A_t=a \right] = {\bf E}\left[R_{t+2}|S_t=s,A_t=a \right]+ \gamma{\bf E}\left[R_{t+3}|S_t=s,A_t=a \right]+\cdots \end{equation} これの右辺第1項は \begin{eqnarray} &&{\bf E}\left[R_{t+2}|S_t=s,A_t=a \right] \\ &=& \sum_{s^{\prime\prime},s^{\prime},a^{\prime}} P(S_{t+2}=s^{\prime\prime},A_{t+1}=a^{\prime},S_{t+1}=s^{\prime}|S_t=s,A_t=a)\;R_{t+2} \\ &=& \sum_{s^{\prime\prime},s^{\prime},a^{\prime}} P(S_{t+2}=s^{\prime\prime},A_{t+1}=a^{\prime}|S_{t+1}=s^{\prime})P(S_{t+1}=s^{\prime}|S_t=s,A_t=a)\;R_{t+2} \\ &=&\sum_{s^{\prime}} \sum_{s^{\prime\prime},s^{\prime},a^{\prime}} P(S_{t+2}=s^{\prime\prime}|S_{t+1}=s^{\prime},A_{t+1}=a^{\prime}) P(A_{t+1}=a^{\prime}|S_{t+1}=s^{\prime}) \times\\ && \hspace{200pt}P(S_{t+1}=s^{\prime}|S_t=s,A_t=a)\;R_{t+2} \\ &=&\sum_{s^{\prime}} P(S_{t+1}=s^{\prime}|S_t=s,A_t=a) \sum_{a^{\prime}} P(A_{t+1}=a^{\prime}|S_{t+1}=s^{\prime})\times \\ && \hspace{200pt}\sum_{s^{\prime\prime}} P(S_{t+2}=s^{\prime\prime}|S_{t+1}=s^{\prime},A_{t+1}=a^{\prime})\;R_{t+2} \\ &=&\sum_{s^{\prime}} P(S_{t+1}=s^{\prime}|S_t=s,A_t=a) \sum_{a^{\prime}} P(A_{t+1}=a^{\prime}|S_{t+1}=s^{\prime}) \;{\bf E}\left[R_{t+2}|S_{t+1}=s^{\prime},A_{t+1}=a^{\prime} \right] \\ &=&\sum_{s^{\prime}} P(s^{\prime}|s,a) \sum_{a^{\prime}} \pi(a^{\prime}|s^{\prime}) \;{\bf E}\left[R_{t+2}|S_{t+1}=s^{\prime},A_{t+1}=a^{\prime} \right] \end{eqnarray} 他の項についても同様な計算を行えば次式を得る。 \begin{eqnarray} &&{\bf E}\left[R_{t+2}+\gamma R_{t+3}+\cdots|S_t=s,A_t=a \right]\\ &=& \sum_{s^{\prime}} P(s^{\prime}|s,a)\sum_{a^{\prime}} \pi(a^{\prime}|s^{\prime}) \;{\bf E}\left[R_{t+2}+\gamma R_{t+3}+\cdots|S_{t+1}=s^{\prime},A_{t+1}=a^{\prime} \right] \\ &=& \sum_{s^{\prime}} P(s^{\prime}|s,a)\sum_{a^{\prime}} \pi(a^{\prime}|s^{\prime}) \;Q(s^{\prime},a^{\prime}) \\ \end{eqnarray} 式(26)と(37)から最終的に次式を得る。 \begin{equation} Q(s,a)=\sum_{s^{\prime}} P(s^{\prime}|s,a)\left[r(s,a,s^{\prime})+\gamma \sum_{a^{\prime}}\pi(a^{\prime}|s^{\prime})Q(s^{\prime},a^{\prime})\right] \end{equation} 式(6)を使えば \begin{equation} Q(s,a)=\sum_{s^{\prime}} P(s^{\prime}|s,a)\left[r(s,a,s^{\prime})+\gamma\;V(s^{\prime})\right] \end{equation} とも書ける。これらが、行動価値関数についてのベルマン方程式である。