Антология машинного обучения. Важнейшие исследования в области ИИ за последние 60 лет

Джерри Тезауро перешел в исследовательский центр IBM имени Томаса Уотсона после того, как работал со мной над проблемой обучения нейронной сети игре в нарды[248]. При обучения сетей с обратным распространением ошибки для оценки игровых позиций и возможных ходов мы использовали экспертный контроль (рис. 10.1). Недостаток такого подхода в том, что требуется много экспертных оценок позиций, и программа никогда не стала бы лучше наших специалистов, которые играли далеко не на уровне чемпионов мира. Но при игре с самой собой она могла бы добиться большего. Проблема игры с самой собой в том, что единственный обучающий сигнал – победа или поражение в конце партии. Но если одна сторона выиграла, то какой из многих ходов был решающим? Это называется временно́й задачей присваивания коэффициентов доверия.

Алгоритм обучения, который может решить временную задачу присваивания коэффициентов доверия, изобрел Ричард Саттон из Массачусетского университета в Амхерсте в 1988 году[249]. Он тесно сотрудничал с Эндрю Барто, своим научным руководителем, в работе над сложными проблемами в обучении с подкреплением – отрасли машинного обучения, вдохновленной ассоциативным обучением в экспериментах на животных (рис. 10.2). В отличие от сети глубокого обучения, единственной задачей которой является преобразование входных данных в выходные, система усиления взаимодействует с окружающей средой в замкнутом цикле, получая входную сенсорную информацию, принимая решения и осуществляя действия, которые влияют на мир. Обучение с подкреплением основано на наблюдении за животными, которые решают сложные проблемы в изменчивой среде после того, как исследовали различные варианты и их результаты. По мере того как обучение улучшается, исследование уменьшается, что в конечном итоге приводит к чистому использованию лучшей стратегии, найденной во время обучения.

Рис. 10.2. Сценарий обучения с подкреплением. Агент активно исследует окружающую среду, предпринимая действия и делая наблюдения. Если действие выполнено успешно, агент получает вознаграждение. Цель в том, чтобы принять меры, которые максимизируют будущие выгоды

Предположим, вам нужно принять ряд решений для достижения цели. Если вы уже знаете все возможные варианты и ожидаемые будущие результаты[250], вы можете использовать поисковый алгоритм, чтобы выяснить набор вариантов, при котором выгода максимальна, но из-за этого размер задачи увеличивается по экспоненте – так называемое проклятие размерности. Но если у вас изначально нет всей информации о результатах выбора, вы должны научиться делать его по мере продвижения вперед. Это называется обучением в реальном времени.

Рис. 10.3. Ричард Саттон из Альбертского университета в Эдмонтоне в Канаде научил нас, как узнать путь к будущим наградам. Саттон перенес рак, но он остается лидером в обучении с подкреплением и продолжает разрабатывать инновационные алгоритмы[251]. Он щедр на свое время и идеи, которые каждый в этой области очень ценит. Написанная им в соавторстве с Энди Барто книга «Обучение с подкреплением»[252] стала классическим трудом

Алгоритм обучения в реальном времени, разработанный Ричардом Саттоном (рис. 10.3), зависел от различий между ожидаемым и полученным вознаграждением (блок 6). В обучении с учетом временной разницы вы сравниваете свою оценку предполагаемой долговременной награды за совершенный шаг в текущей позиции с лучшей, по статистике, оценкой награды, которую вы на самом деле получили, и предполагаемой награды после следующего шага. Если изменять предыдущую оценку так, чтобы она была ближе к улучшенной, решения, которые вы принимаете по мере продвижения, будут становиться все лучше и лучше. Изменения заставляют оценочную сеть учитывать будущее ожидаемое вознаграждение для каждой позиции на доске и использовать для принятия решения о следующем шаге. Алгоритм временной разности сходится к оптимальному правилу принятия решений в заданном состоянии после того, как у вас будет достаточно времени, чтобы изучить возможности.

Программа Джерри, названная TD-Gammon, знала важные особенности доски и правила игры, но не знала, что такое хороший ход. В начале обучения ходы были случайными, но в конце концов одна из сторон выигрывала и получала финальное вознаграждение. В нардах побеждает тот игрок, который первым «снимет» все фишки с игрового поля.

Блок 6. Обучение методом временной разницы

В этой модели мозга медоносной пчелы выбираются действия (например, приземлиться на цветок), которые максимизируют будущие награды:

R(t) = r_t+1+ γ r_t+2+ γ 2 r_t+3+ …,

где r_t+1 – вознаграждение в момент времени t+1, а 0 < γ < 1 – коэффициент обесценивания. Предсказанное будущее вознаграждение, основанное на текущих сенсорных входах s(t), вычисляется нейроном P:

P_t(s) = w^ys^y+ w^bs^b,

где сенсорный ввод от желтых (Y) и синих (B) цветов взвешивается по w^y и w^b. Погрешность прогноза вознаграждения δ (t) в момент времени t определяется: