强化学习(Reinforcement Learning)研究智能体如何通过与环境交互、最大化长期累积回报来学习决策策略。不同于普通优化问题,RL 的奖励往往延迟且稀疏,且当前动作会影响后续状态分布。
本文首先介绍马尔可夫决策过程(MDP)和价值函数的基本形式,并进一步梳理 value-based、policy-based、actor-critic 三类方法,最后从宏观层面理解 LLM 后训练中的 RL 方法。
一、马尔可夫决策过程
1. 基本定义
马尔可夫决策过程(Markov Decision Process, MDP)是强化学习中最常用的问题建模方式。一个 MDP 通常由五元组表示:
M=(S,A,P,R,γ)
其中:
- S:状态空间,表示智能体可能观察到的环境状态;
- A:动作空间,表示智能体可执行的动作集合;
- P(s′∣s,a):状态转移概率,表示在状态 s 执行动作 a 后转移到 s′ 的概率;
- R(s,a) 或 R(s,a,s′):奖励函数,表示执行动作后得到的即时反馈;
- γ∈[0,1]:折扣因子,用于控制未来奖励的重要程度。
一次交互轨迹可写为:
τ=(s0,a0,r0,s1,a1,r1,…)
智能体在每个状态下根据策略选择动作:
at∼π(⋅∣st)
环境根据状态转移概率返回下一个状态和奖励:
st+1∼P(⋅∣st,at),rt=R(st,at)
2. 马尔可夫性质
MDP 的核心假设是马尔可夫性质:未来状态只依赖当前状态和当前动作,而不依赖更早的历史。
P(st+1∣st,at,st−1,at−1,…)=P(st+1∣st,at)
这意味着当前状态 st 已经包含了做决策所需的全部历史信息。
直观含义:如果状态定义足够完整,智能体不需要记住完整过去,只需要基于当前状态做决策。
在实际任务中,状态往往不一定完全满足马尔可夫性质。例如游戏画面、机器人传感器、文本上下文都可能只提供部分信息。这时问题更接近部分可观测 MDP(POMDP),通常需要通过历史窗口、循环网络或上下文表示来弥补信息缺失。
3. 优化目标
强化学习的目标不是最大化单步奖励,而是最大化从当前时刻开始的折扣累积回报:
Gt=k=0∑∞γkrt+k
其中 γ 控制智能体对未来奖励的关注程度:
- γ=0:只关心当前即时奖励;
- γ→1:更重视长期收益;
- γ<1:保证无限时域下累积回报在一定条件下收敛。
给定策略 π,强化学习希望找到最优策略:
π∗=argπmaxEτ∼π[G0]
核心问题:智能体的动作会改变后续状态分布,因此优化目标中的数据分布本身也依赖策略。这是 RL 相比普通监督学习更难的根本原因之一。
4. 探索与利用
由于训练数据由智能体自己的动作产生,RL 始终面临探索与利用(exploration vs exploitation)的矛盾:
- 利用(exploitation):选择当前估计收益最高的动作,以获取即时回报;
- 探索(exploration):尝试尚未充分评估的动作,以发现可能更优的策略。
如果只利用,智能体可能过早收敛到次优策略;如果只探索,又无法把已学到的知识转化为收益。常见的折中方式包括 ϵ-greedy(以小概率随机选择动作)、softmax/Boltzmann 采样,以及在策略中显式保留随机性(随机策略本身就带有探索能力)。
与监督学习的区别:监督学习的数据分布是固定的,而 RL 的数据分布由策略决定,探索不足会导致某些区域的数据始终采集不到,从而无法纠正对应的价值或策略估计。
二、价值函数
1. 状态价值函数
状态价值函数(State Value Function)衡量在状态 s 下遵循策略 π 能获得的期望长期回报:
Vπ(s)=Eπ[k=0∑∞γkrt+k∣st=s]
直观含义:Vπ(s) 表示当前状态本身有多好。
例如在棋类游戏中,一个局面接近胜利,则该状态的价值较高;一个局面接近失败,则价值较低。
2. 动作价值函数
动作价值函数(Action Value Function)衡量在状态 s 下先执行动作 a,之后遵循策略 π 能获得的期望长期回报:
Qπ(s,a)=Eπ[k=0∑∞γkrt+k∣st=s,at=a]
直观含义:Qπ(s,a) 表示在当前状态下选择某个动作有多好。
状态价值和动作价值之间的关系为:
Vπ(s)=Ea∼π(⋅∣s)[Qπ(s,a)]
如果策略是离散动作上的随机策略,则可写为:
Vπ(s)=a∑π(a∣s)Qπ(s,a)
3. 贝尔曼方程
价值函数满足递归结构。对状态价值函数,有:
Vπ(s)=Ea∼π(⋅∣s),s′∼P(⋅∣s,a)[R(s,a)+γVπ(s′)]
对动作价值函数,有:
Qπ(s,a)=Es′∼P(⋅∣s,a)[R(s,a)+γEa′∼π(⋅∣s′)Qπ(s′,a′)]
关键结论:价值函数把长期回报拆成了“当前奖励 + 下一状态价值”。这使得 RL 可以通过递推、自举和动态规划思想估计长期收益。
4. 最优价值函数
最优状态价值函数定义为所有策略中能达到的最大价值:
V∗(s)=πmaxVπ(s)
最优动作价值函数定义为:
Q∗(s,a)=πmaxQπ(s,a)
它满足最优贝尔曼方程:
Q∗(s,a)=Es′∼P(⋅∣s,a)[R(s,a)+γa′maxQ∗(s′,a′)]
如果已经知道 Q∗(s,a),最优策略可以直接通过贪心选择得到:
π∗(s)=argamaxQ∗(s,a)
这也是 value-based 方法的基本出发点。
三、Value-Based 方法
1. 核心思想
Value-based 方法不直接学习策略,而是学习价值函数,尤其是动作价值函数 Q(s,a)。学到 Q 后,再通过贪心或近似贪心方式选择动作:
at=argamaxQ(st,a)
典型代表包括 Q-learning、DQN 及其改进方法。
2. Q-learning
Q-learning 使用时序差分目标更新动作价值函数:
Q(st,at)←Q(st,at)+α[rt+γa′maxQ(st+1,a′)−Q(st,at)]
其中括号内是 TD Error:
δt=rt+γa′maxQ(st+1,a′)−Q(st,at)
直观含义:如果实际得到的“当前奖励 + 下一状态最佳价值”高于当前估计,就提高 Q(st,at);反之则降低。
3. 探索策略:ε-greedy
Q-learning 更新时使用 maxa′Q,但在与环境交互、采集数据时仍需探索,否则某些动作的价值永远得不到修正。最常用的做法是 ϵ-greedy:
at={argmaxaQ(st,a),随机动作,以概率 1−ϵ以概率 ϵ
实际训练中 ϵ 通常从较大值逐渐衰减:早期多探索,后期多利用。
4. On-Policy 与 Off-Policy
按照“采集数据的行为策略”与“被优化的目标策略”是否一致,RL 算法可分为两类:
- On-policy:采集数据的行为策略与被更新的目标策略相同,例如 SARSA、REINFORCE、PPO;
- Off-policy:行为策略与目标策略可以不同,从而能复用历史经验或其他策略产生的数据,例如 Q-learning、DQN。
Q-learning 是典型的 off-policy 方法:采集数据时可用 ϵ-greedy 探索,更新目标却用 maxa′Q 这一贪心策略。off-policy 的好处是样本效率高(可配合经验回放复用数据),代价是训练稳定性更难保证。
5. 从 Q-learning 到 DQN
当状态空间很大(如图像输入)时,无法再用表格存储 Q(s,a)。DQN 用神经网络 Qθ(s,a) 近似动作价值,并引入两项关键技术稳定训练:
- 经验回放(experience replay):把交互产生的 (s,a,r,s′) 存入缓冲区,训练时随机采样,打破样本间的时间相关性,同时提高数据利用率;
- 目标网络(target network):用一个更新较慢的 Qθ− 计算 TD 目标 r+γmaxa′Qθ−(s′,a′),避免目标值随参数频繁抖动而导致训练发散。
后续的 Double DQN、Dueling DQN、Prioritized Replay 等都是在此基础上的改进。
6. 特点
Value-based 方法的优势:
- 样本效率较高:很多方法可以离策略学习,复用历史经验;
- 目标直观:学习每个动作的长期价值,再选择价值最高的动作;
- 适合离散动作空间:当动作数量有限时,maxaQ(s,a) 容易计算。
主要局限:
- 难处理大规模连续动作空间:需要对动作空间做最大化,计算困难;
- 策略表达受限:贪心策略天然偏确定性,难以直接表达复杂随机策略;
- 高维动作空间代价大:如果动作数量极大,枚举所有动作不可行。
典型场景:Atari 游戏、离散控制任务、动作空间较小且可枚举的问题。
四、Policy-Based 方法
1. 核心思想
Policy-based 方法直接参数化策略:
πθ(a∣s)
并通过优化参数 θ 最大化期望回报:
J(θ)=Eτ∼πθ[G0]
与 value-based 方法不同,policy-based 方法不需要先学习完整的 Q(s,a) 再做贪心选择,而是直接学习“在什么状态下采取什么动作”。
2. 策略梯度
策略梯度定理给出了目标函数对策略参数的梯度形式:
∇θJ(θ)=Es∼dπθ,a∼πθ[∇θlogπθ(a∣s)Qπθ(s,a)]
其中 dπθ 表示策略诱导的状态访问分布。
直观含义:如果某个动作带来的长期回报高,就增加该动作在对应状态下的概率;如果回报低,就降低其概率。
实际中通常会使用回报估计 Gt 或优势函数 At 替代 Qπ(s,a):
∇θJ(θ)≈E[∇θlogπθ(at∣st)At]
3. REINFORCE
REINFORCE 是最基础的策略梯度算法,直接用蒙特卡洛回报 Gt 作为对 Qπ(st,at) 的无偏估计:
θ←θ+αGt∇θlogπθ(at∣st)
它完全 on-policy:每轮用当前策略采样若干完整轨迹,按上式更新后再重新采样。优点是实现简单、估计无偏;缺点是 Gt 来自整条轨迹的随机回报,方差很大,导致收敛慢、训练不稳定。
4. Baseline 与方差降低
降低方差的经典技巧是从回报中减去一个只依赖状态的基线(baseline) b(s):
∇θJ(θ)=E[∇θlogπθ(at∣st)(Gt−b(st))]
由于 Ea∼π[∇θlogπθ(a∣s)]=0,减去任意只依赖状态的 b(s) 都不改变梯度的期望(仍然无偏),却能显著降低方差。最常用的基线就是状态价值 Vπ(s),此时 Gt−Vπ(st) 正是对优势函数 Aπ(st,at) 的估计——这也正是下一章 Actor-Critic 的出发点。
5. 特点
Policy-based 方法的优势:
- 适合连续动作空间:策略可以直接输出连续分布参数;
- 可以学习随机策略:适合存在多种合理动作或需要探索的任务;
- 目标与策略直接对齐:优化对象就是最终执行的策略。
主要局限:
- 方差较大:轨迹回报噪声会直接影响梯度估计;
- 样本效率较低:很多策略梯度方法依赖 on-policy 数据;
- 训练稳定性要求高:策略更新过大可能导致性能突然下降。
典型场景:连续控制、机器人控制、需要随机策略或高维策略分布的问题。
五、Actor-Critic 方法
1. 基本结构
Actor-Critic 方法结合了 policy-based 和 value-based 的思想:
- Actor:策略网络,负责输出动作分布 πθ(a∣s);
- Critic:价值网络,负责估计 Vϕ(s) 或 Qϕ(s,a)。
Actor 根据 Critic 提供的价值信号更新策略,Critic 根据环境反馈学习价值函数。
2. 优势函数
Actor-Critic 中常使用优势函数:
Aπ(s,a)=Qπ(s,a)−Vπ(s)
直观含义:优势函数衡量某个动作相比当前策略平均水平好多少。
- Aπ(s,a)>0:该动作优于平均水平,应提高概率;
- Aπ(s,a)<0:该动作低于平均水平,应降低概率。
策略梯度可以写为:
∇θJ(θ)=E[∇θlogπθ(at∣st)Aπ(st,at)]
相比直接使用 Qπ(s,a),使用优势函数通常可以降低梯度方差。这正是 Policy-Based 一章中 baseline 思想的体现:以 Vπ(s) 作为基线,Aπ=Qπ−Vπ 既保持无偏,又削减了方差。
3. TD Error 作为优势估计
如果 Critic 估计状态价值 Vϕ(s),则单步 TD Error 为:
δt=rt+γVϕ(st+1)−Vϕ(st)
当 Vϕ 足够接近真实价值函数时,δt 可以作为优势函数的近似估计。
更一般地,可以把多步 TD Error 加权累积,得到 GAE:
AtGAE=l=0∑T−t−1(γλ)lδt+l
这正是 PPO 等现代策略优化算法中常用的优势估计方式。
4. 综合对比
| 方法 | 学习对象 | 动作选择 | 典型方法 | 优势 | 局限 |
|---|
| Value-based | Q(s,a) | argmaxaQ(s,a) | Q-learning、DQN | 样本效率高,适合离散动作 | 难处理连续或超大动作空间 |
| Policy-based | πθ(a∣s) | 从策略分布采样 | REINFORCE、策略梯度 | 可直接优化随机策略 | 方差大,样本效率低 |
| Actor-Critic | 策略 + 价值函数 | Actor 输出动作 | A2C、A3C、PPO | 兼顾表达能力与稳定性 | 实现复杂,对价值估计敏感 |
关键结论:Actor-Critic 的核心价值在于用 Critic 降低策略梯度方差,同时保留 Actor 直接学习策略分布的能力。
六、LLM 中的强化学习视角
1. MDP 映射
在语言模型后训练中,可以把文本生成过程近似看成一个序列决策问题:
| RL 概念 | LLM 对应 |
|---|
| 状态 st | prompt 加上当前已生成 token 前缀 |
| 动作 at | 下一个 token |
| 策略 πθ(at∣st) | 当前语言模型的 next-token 分布 |
| 轨迹 τ | 一段完整回复 |
| 奖励 R | 奖励模型、规则奖励、人类偏好或任务指标 |
| 参考策略 πref | SFT 模型或冻结基座模型 |
一次回复可以看作从左到右逐 token 采样:
yt∼πθ(⋅∣x,y<t)
完整回复概率为:
πθ(y∣x)=t=1∏Tπθ(yt∣x,y<t)
核心问题:LLM 的动作空间是整个词表,轨迹长度可能很长,而奖励通常只在完整回复结束后给出。这使得 LLM RL 具有高维动作、长时序信用分配和稀疏奖励等困难。
2. Value-Based 的局限性
从形式上看,也可以定义 token 级动作价值:
Q(x,y<t,yt)
但在 LLM 中直接做 value-based 学习并不自然:
- 动作空间极大:每一步动作是词表中的 token,通常有数万到数十万种选择;
- 动作语义强依赖上下文:同一个 token 在不同上下文中的价值差异很大;
- 奖励多为序列级:奖励模型通常对完整回复打分,难以直接得到每个 token 的准确 Q 值;
- 生成质量依赖分布形状:只做 argmaxQ 容易破坏语言模型原有的多样性和流畅性。
因此,LLM 后训练中更常见的是直接优化策略分布,并用 KL 约束限制模型不要偏离参考模型太远。
3. RLHF 的基本流程
经典 RLHF 通常包含三个阶段:
- SFT:用高质量指令数据监督微调模型,得到具备基础指令跟随能力的策略;
- Reward Model:用人类偏好数据训练奖励模型,学习判断回复质量;
- RL 优化:以奖励模型分数为优化目标,同时加入 KL 约束,继续更新策略模型。
RL 阶段的目标可抽象为:
θmax Ey∼πθ(⋅∣x)[R(x,y)]−βDKL(πθ(⋅∣x)∥πref(⋅∣x))
其中:
- R(x,y):奖励模型或规则奖励给出的分数;
- πref:冻结参考模型,通常来自 SFT 模型;
- β:KL 惩罚强度,用于控制新策略偏离参考策略的程度。
直观含义:模型既要提高高奖励回复的概率,又不能为了追求奖励而跑到参考模型极低概率的区域。
两种等价的 KL 实现位置:上式把 KL 写成目标函数中独立的一项,便于理解;但工程实现中,PPO 通常把 KL 惩罚折算进逐 token 奖励——只在序列末尾给出奖励模型分数,并在每一步额外减去一项 KL 惩罚:
rt=⎩⎨⎧−βlogπref(yt∣x,y<t)πθ(yt∣x,y<t),R(x,y)−βlogπref(yT∣x,y<T)πθ(yT∣x,y<T),t<Tt=T
这样 KL 约束就转化为每个 token 的即时奖励,直接进入后续的优势估计。两种写法优化目标一致,只是一个写在序列级、一个落到 token 级,初次对照代码时容易困惑。
4. PPO 与 Actor-Critic
PPO 是 LLM RLHF 中经典使用的策略优化方法,本质上属于 Actor-Critic 框架:
- Actor:当前待训练的语言模型 πθ;
- Critic:价值模型 Vϕ(x,y<t),估计当前前缀状态的未来回报;
- Reward:奖励模型分数、规则奖励以及 KL 惩罚组合后的 token 或序列级反馈;
- Advantage:通常由 TD Error 或 GAE 估计得到。
PPO 使用概率比值约束新旧策略的变化:
rt(θ)=πθold(at∣st)πθ(at∣st)
这个比值本质来自重要性采样:策略梯度本是 on-policy 的,但为了用同一批采样数据做多次更新,PPO 用旧策略 πθold 采集数据,再用比值 rt(θ) 把期望校正到新策略 πθ 上。当比值偏离 1 太多时,重要性采样的方差会急剧增大,这也是需要 clip 的根本原因(完整推导见 PPO 梯度推导)。
并通过 clip 机制限制单次更新幅度,避免策略突然偏移:
LCLIP(θ)=E[min(rt(θ)At, clip(rt(θ),1−ϵ,1+ϵ)At)]
关键结论:PPO 在 LLM 中的作用不是重新定义语言建模目标,而是在奖励信号驱动下微调策略,同时通过 KL 和 clip 控制更新幅度。
5. GRPO 与去 Critic 化思路
在 LLM 场景中,训练 Critic 往往代价较高,并且价值估计不稳定。GRPO(Group Relative Policy Optimization)等方法尝试弱化或移除显式 Critic,通过同一 prompt 下多条采样回复的相对分数构造优势:
Ai=std(R1,…,RG)Ri−mean(R1,…,RG)
其中 G 表示同一 prompt 采样出的回复数量。
直观含义:不再要求模型准确估计某个前缀状态的绝对价值,而是在同组候选回复之间比较谁更好。
需要注意,Ai 是序列级的标量优势:同一条回复内的所有 token 共享同一个 Ai(broadcast 到各 token 位置),再代入 PPO 式的 clip 目标进行更新。这样既省去了 Critic,又复用了 PPO 的稳定化机制。
这种思路适合数学推理、代码生成、可验证任务等场景,因为奖励可以由规则、单元测试或答案验证器给出。
6. DPO 类方法的位置
DPO(Direct Preference Optimization)等偏好优化方法通常不显式采样环境轨迹,也不训练单独的奖励模型和 Critic,而是直接从偏好数据中构造分类式目标,使被偏好的回答相对不被偏好的回答概率更高。
从严格意义上说,DPO 不完全等同于传统 on-policy RL;但从目标效果看,它仍然是在偏好信号下调整策略分布,并隐式包含了相对参考模型的约束。
因此可以粗略理解为:
- PPO/GRPO:更接近在线或采样驱动的策略优化;
- DPO/IPO/KTO:更接近离线偏好数据上的直接策略优化;
- SFT:模仿数据分布,不显式区分偏好强弱;
- Reward Model + RL:先学习偏好评分,再用该评分驱动策略改进。