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Actor-Critic重要性采样原理

backend 2025/7/14 16:12:02

AC的数据低效性：

根本原因：策略更新导致数据失效

应用场景：

1. 离策略值函数估计

2. 离策略策略优化

3. 经验回放（Experience Replay）

4. 策略梯度方法

具体场景分析

场景1：连续策略更新

场景2：高维动作空间

为什么AC不能直接复用数据？

改进方案：向off-policy演化

原理：

重要性采样的核心价值

在强化学习中，重要性采样（Importance Sampling） 主要用于解决离策略（Off-policy）学习中的分布偏移问题。其核心应用场景是通过行为策略（Behavior Policy） 收集的样本，来估计目标策略（Target Policy） 的期望值。

AC的数据低效性：

Actor-Critic（AC）算法作为典型的 on-policy 方法，其数据利用率低的核心原因在于策略更新与数据收集的强耦合性。以下是具体分析：

根本原因：策略更新导致数据失效

策略更新即数据淘汰
- 每次策略 $\pi_{\theta}$ 更新后（参数 $\theta$ 改变），新策略的动作分布 $\pi_{\theta_{\text{new}}}$ 与旧策略 $\pi_{\theta_{\text{old}}}$ 不同。
- 旧策略收集的数据 $(s, a, r, s')$ 服从旧分布 $\pi_{\theta_{\text{old}}}(a|s)$ ，而更新后需要的是新分布 $\pi_{\theta_{\text{new}}}(a|s)$ 下的数据。
- 结果：旧数据立即失效，必须重新采样。
数学本质
策略梯度更新依赖当前策略的期望：

若用旧策略 $\pi_{\theta_{\text{old}}}$ 的数据估计期望，需引入重要性权重：

但原生AC算法，是一个on-policy算法，直接丢弃旧数据，不进行修正。

$\bigtriangledown_{\theta} J(\theta_t)=\Xi _{S \sim \eta ,A\sim \pi}[*]$

也就是： target policy == behaivor policy，那么当每次target policy发生变化时，都需要进行重新采样，如何转化为off-policy？从而提高数据利用率：可以通过imortance sampling来实现

应用场景：

1. 离策略值函数估计

问题：目标策略 $\pi$ 的期望回报 $\mathbb{E}_{\pi}[G_t]$ 无法直接采样（如目标策略是确定性策略，而采样策略是探索性策略）。
解决方案：
使用行为策略 $b$ 生成的轨迹样本，通过重要性权重修正分布偏差：

其中 $\rho_t$ 是从时刻 $t$ 到终止时刻 $T$ 的累积重要性权重。

2. 离策略策略优化

算法示例：
- Off-policy Actor-Critic（如ACER）
- Q-Learning的方差缩减（使用加权重要性采样）
原理：
通过重要性权重重用旧策略的样本更新新策略，减少环境交互次数，提升样本效率。

3. 经验回放（Experience Replay）

场景：
在DQN等算法中，回放池中的经验由历史策略生成，与当前策略分布不一致。
解决方案：
对每个样本 $(s,a,r,s')$ 计算重要性权重 $\frac{\pi(a|s)}{b(a|s)}$ ，修正Q值更新：

4. 策略梯度方法

问题：
策略梯度 $\nabla_\theta J(\theta) = \mathbb{E}{\pi\theta}[\nabla_\theta \log \pi_\theta(a|s) Q^{\pi}(s,a)]$ 依赖当前策略样本。
重要性采样作用：
重用旧策略 $\pi_{\theta_{\text{old}}}$ 的样本计算梯度：

应用在PPO、TRPO等算法中。

具体场景分析

场景1：连续策略更新

AC流程：
收集数据 → 更新Critic → 更新Actor → 丢弃数据 → 重新收集数据
效率瓶颈：
90%的时间花在数据收集上，仅10%用于计算更新。
例：训练一个Atari游戏，AC需2000万帧数据，而off-policy的DQN仅需1000万帧。

场景2：高维动作空间

问题：
高维空间（如机器人控制）需大量样本覆盖动作分布，但AC每次更新后旧样本作废。
后果：
智能体陷入局部最优，需额外探索新区域，进一步降低效率。

为什么AC不能直接复用数据？

理论限制：
策略梯度定理要求期望基于当前策略分布（$\mathbb{E}{a \sim \pi{\theta}}$）。
实践风险：
若强行复用旧数据，梯度估计偏差随策略差异增大而爆炸（见下图）。

| 策略差异 (KL散度) | 梯度偏差 | 效果               |
|-------------------|----------|--------------------|
| 小 (<0.01)        | 低       | 可用               |
| 中 (0.01~0.1)     | 中       | Q值估计失真        |
| 大 (>0.1)         | 高       | 训练崩溃           |

改进方案：向off-policy演化

为提升数据利用率，现代AC算法引入重要性采样或混合策略：

算法	核心改进	数据利用率
PPO	重要性采样 + 权重裁剪 (Clip)	中 (复用少量旧数据)
SAC	最大熵框架 + 经验回放	高 (完全off-policy)
TD3	双Q网络 + 延迟更新 + 经验回放	高 (完全off-policy)
A3C	异步并行采样 (数据并行)	低 (但加速采样过程)

注：PPO虽复用数据，但其重要性权重 $\frac{\pi_{\text{new}}}{\pi_{\text{old}}}$ 的方差限制了复用次数（通常仅3-10次）。

原理：

根据 $p_0$ 分布来生成样本 $x_i$ ：

期望： $\mathbf{E}[x_i] = \mathbf{E}[X]$ , $var [x_i] = var[X]$

当 $n \rightarrow \infty$ , 平均值可以近似期望： $\bar{x} = \frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}x_i \rightarrow \mathbf{E}[X]$

$\mathbf{E}[\bar{x}] = \mathbf{E}[X],var[\bar{x}]=\frac{1}{n}var[X]$

如果样本分布发生变化，变为分布 $p_1$

$p_1(X=+1)=0.8, p_1(X=-1)=0.2.$

那么期望就变为：

$\mathbf{E}_{X \sim p_1}[X] = (+1).0.8 + (-1).0.2 = 0.6$

$\bar{x} = \frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}x_i \rightarrow \mathbf{E}_{X \sim p_1}[X]=0.6 \neq \mathbf{E}_{X \sim p_0}[X]$

问题：

在迭代过程中，策略的分布发生变化(p1 -> p0)，如何还能够利用之前生成的数据(p1)来进行继续学习呢? 如果能够基于behavior policy $\beta$ 产生的样本来估计 $\mathbf{E}_{A \sim \pi}[*]$ （其中 $\pi$ 是目标policy）。

也就是基于 ${x_i} \sim p1$ 来估计 $\mathbf{E}_{X \sim p_0}[X]$

我们就可以使用重要性采样，对 $p_1$ 分布数据进行采样：

$\mathbf{E}_{X \sim p_0}[X] = \sum_{x}^{}p_0(x)x = \sum_{x}^{}p_1(x)\frac{p_0(x)}{p_1(x)}x = \mathbf{E}_{X \sim p_1}[f(X)]$

这样我们可以通过 $\mathbf{E}_{X \sim p_1}[f(X)]$ 来估计 $\mathbf{E}_{X \sim p_0}[f(X)]$

如何估计 $\mathbf{E}_{X \sim p_1}[f(X)]$ ？

定义： $\bar{f} = \frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}f(x_i ) \ where \ x_i \sim p_1$

then:

$\mathbf{E}_{X \sim p_1}[\bar{f}] = \mathbf{E}_{X \sim p_1}[f(X)]$

$var_{X \sim p_1}[\bar{f}] = \frac{1}{n}var_{X \sim p_1}[f(X)]$

所以通过 $\bar{f}$ 可以成功近似p_0分布：

$\bar{f} = \frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}f(x_i ) =\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}\frac{p_0(x_i)}{p_1(x_i)}x_i$

其中 $\frac{p_0(x_i)}{p_1(x_i)}$ 就是重要性权重。

- 如果两者相等，那么重要性权重就是1， $\bar{f} = \bar{x}$

- 如果 $p_0(x_i) \geq p_1(x_i)$ ,那么就代表 $x_i$ 更容易被 $p_0$ 采样到，而不是 $p_1$ ，所以要加大权重，这样的话就可以加强样本的重要性。

为什么 $p_0(x)$ 已知，为什么不直接期望？

这样的话，通过重要性采样，对 $p_1$ 分布的数据进行采样，就可以近似 $p_0(x)$ 分布：

具体算法：

beta对应于p1

应用到梯度上升算法中：

相比AC失去探索性，由于分母beta不可变：

重要性采样的核心价值

场景	作用
离策略评估	用行为策略样本估计目标策略的值函数
策略优化	重用历史样本更新策略，提升样本效率
经验回放	修正回放池样本的分布偏移
方差缩减	结合加权重要性采样稳定训练