强化学习研究什么？用白话讲就是……

强化学习的主要目的是研究并解决机器人智能体贯序决策问题。尽管我不喜欢直接把定义硬邦邦、冷冰冰地扔出来让大家被动接受，可还是免不了要在这里猛然给出“贯序决策”这么专业的词汇。不过马上，我们就通过例子把这个词汇给大家解释清楚~本文选自《白话强化学习与PyTorch》一书。

既然大家要么是程序员，要么正走在程序员养成的路上，要么正看着其他人走在程序员养成的路上，那么，按照程序员的思维来理解强化学习将会更加顺畅。

把“贯序决策”翻译成“白话”就是：强化学习希望机器人或者智能体在一个环境中，随着“时间的流逝”，不断地自我学习，并最终在这个环境中学到一套最为合理的行为策略。

在这样一个完整的题设下，机器人应该尽可能在没有人干预的情况下，不断根据周围的环境变化学会并判断“在什么情况下怎么做才最好”，从而一步一步完成一个完整的任务。这样一系列针对不同情形的最合理的行为组合逻辑，才是一个完整的策略，而非一个简单而孤立的行为。

没错，这就是强化学习要研究并解决的问题。我想，可能已经有一些爱动脑筋的读者在心中暗暗反驳我了：这类问题一定要用强化学习来解决吗？我怎么觉得不用强化学习也能解决呢？

既然产生了这样一个争议，那我们先不去想是否一定要用人工智能这么“高大上”的工具来解决这类问题，而去想想自己以前有没有处理过类似的问题。如果一时想不起来，也没关系，请跟我看一个例子。

为了简化问题，假设我所在城市的道路是横平竖直的，各街区的边长相等。

导航问题

外侧的边框表示城墙，车辆无法通过。中间的方块表示街区，街区和街区之间就是道路。为了称呼方便，我们用英文字母A～E 来标记纵向的道路，用数字1～4 来标记横向的道路，并约定A 大街和1 大街交汇处的坐标为A1（也就是START 处）。圆圈中的数字表示我们用GPS 或者其他手段测算出来的当前道路的拥堵程度，1 表示通畅，9 表示拥堵，也可以具象地将圆圈中的数字理解为通过某段道路需要1 分钟到9 分钟不等——总之，怎么理解简单怎么来。

现在，我准备从START处去往END 处，我需要一个“智能”的软件为我导航。这个问题难吗？如果你接触过与数据结构相关的课程，那么你一定会觉得这是一个非常简单的问题——就是图论里的图遍历问题或者树遍历问题。

该导航软件预设不会给出走回头路的方案（以免进入死循环）。以START 处为起点，我可以向上、下、左、右各走一个街区的距离：向左和向上走会到达城墙，不能再走；向右走到B1 处，有三条路可以走；向下走到A2 处，还有三条路可以走。所以，如果把这个问题当作一个树遍历问题，树的前两层应该非常容易构建出来。

地图树遍历

上图中：X 表示走回头路或者“撞墙”，这样的路是不能走的，其下面的树结构也就不存在了；A1、B1 等交汇位置的节点则表示该处可以前往，并标注了该处之后的走法。这样一层一层往下标，最多能标出多少层呢？不清楚，要仔细算算才能知道。但可以确定的是，只需要8 层就可以完成从START 处（A1）到END 处（E4）的行进，而且走法不止一种。

任意列举几条路线：

A1→B1→C1→D1→E1→E2→E3→E4

A1→B1→C1→D1→D2→D3→D4→E4

A1→B1→C1→C2→C3→C4→D3→E4

……

我们不仅可以把这些路线一一列举出来，还可以把经过每条路线所花费的时间算出来（对一条路线的时间成本做一下简单的加法运算就可以了）。以路线A1→B1→C1→D1→E1→E2→E3→E4 为例，时间成本为 3 + 2+2+2 + 2 + 2+2 = 15，也就是说，从START 处（A1）到END 处（E4），走这条路线需要15 分钟。

如果想找到最短的路径，只要遍历路线，计算每条路线的成本，把成本最低（或者说耗时最短）的路线挑出来就可以了。这个思路再简单不过，可以保证在当前状态下是最优解——只要不出现走到半路突然发生交通事故，使得原本通畅的道路变得拥堵，或者原本拥堵的情况突然得到缓解。

第一，我们很容易用一种“智能”的方法得出这种问题的最优解，并向用户推荐这个最优解。之所以说它“智能”，是因为它确实自动实现了路程规划和推荐，挑选的是成本最低的路径。但是，在这个过程中，我没有用到任何机器学习的知识，也没有遇到任何需要通过样本学习来生成模型、确定待定系数的问题。我只用计算机专业本科一年级所学的一些基础知识就已经获解了，完全没有用到人工智能的方法——好意思叫“智能”吗？

第二，这是不是一个贯序决策问题呢？是或者不是，这也是一个问题。我想，可能会有两方面的意见。

认为这不是贯序决策问题的读者，会觉得这里面根本没有决策问题，而是纯粹的树遍历问题——非常不聪明，非常不智能，这哪里这是什么贯序决策问题！

树遍历

认为这是贯序决策问题的读者会觉得：从起点前往终点，中途在任何一个可以选择路径的位置都进行了判断，而且每次都选择沿着最好的路线前进——是的，“最好”，没有“之一”——在每个环节都进行了选择，这难道不是贯序决策问题吗？

两方的意见，我觉得都有道理。我不是一个喜欢咬文嚼字的人，也不想拿着什么金科玉律去说教。问题就摆在这里，我们要考虑的是：用什么样的方法解决问题才是合理的。

这个导航问题，在我看来，还真可以算作贯序决策问题。第一，它“够贯序”，因为它是由一系列决策判断组合而成的一个完整的行车路径策略；第二，它“有决策”，因为在每个十字路口都有很多选择，我需要充分的理由来决定要走哪一边。这两点是事实，对不对？

或许有些读者很失望——为什么要讲这么简单的例子？我只是希望大家能通过一个简单的例子明白一个道理：数学问题不一定非要通过极为艰深的算法和技术来解决，很多时候就是“小药治大病”，如果能用简单的方法解决问题，确实没有必要摆弄那些复杂的算法。反之，为了解决一个简单的问题而引入一大堆复杂的问题，在我看来，不是一种值得提倡的思考和处理方式。在解决具体的落地问题时，要尽可能选择复杂度可控、难度低、理论成熟的方法。像上文中这么特殊的贯序决策问题，在一定的限制条件下就会“退化”成搜索问题或遍历问题。所以，别犹豫，我们本来就应该用简单的方法去解决简单的问题。

结论已经很清晰了，刚刚这个问题就是一个贯序决策问题，只不过它是一个特例。那么，更为普适的贯序决策场景是什么样的呢？这个问题好，我们不妨想想看。

如果街区不是只有A～E 这5 条纵向的大道和1～4 这4 条横向的大道呢？如果有100 条横向的大道和100 条纵向的大道，这棵遍历树会有多“高”呢？应该最少要走198 条路才能到达，也就是一棵199 层的遍历树——这是非常可怕的！甚至，在很多场景中，我们很可能无法估算具体的层数。除此之外，如果我们不清楚每条路的拥堵情况，该怎么办呢？如果我们不能明确量化通过每条路预计需要多少分钟，该怎么办呢？

通过一系列科学的方法，对这类普适性问题进行体系性的求解方式和方法的归纳，才是这么多强化学习算法要解决的核心问题。

本书以“平民”的起点，从“零”开始介绍深度学习的技术与技巧，让读者有良好的带入感和亲近感，并通过逐层铺垫，把学习曲线拉平，使得没有学过微积分等高级理论的程序员朋友一样能够读得懂、学得会。同时，本书配合漫画插图来调节阅读气氛，并在每个原理讲解的部分都提供了对比和实例说明，相信每位读者都能有轻松、愉悦的阅读体验。