學(xué)貫中西(10)：從RL領(lǐng)會(huì)如何與不確定性共舞

1 前言

在上一期里，我們說(shuō)明了當(dāng)人類的慢想 ( 創(chuàng)意 ) 與 AI 的快思 ( 直覺(jué) ) 互相平衡時(shí)，最能展現(xiàn)協(xié)同創(chuàng)造力。有了 AI 經(jīng)驗(yàn)直覺(jué)來(lái)協(xié)助去蕪存菁，人類更敢超越經(jīng)驗(yàn)去進(jìn)行大跨度的聯(lián)想和探索。

這樣的協(xié)同組織體系，非常適合與高度不確定的外在環(huán)境 (Environment) 互動(dòng)，并從外在環(huán)境獲取最大的回報(bào)。這是自然界生物 ( 有機(jī)體系 ) 的天賦學(xué)習(xí)本質(zhì)，非常接近于 AI 強(qiáng)化學(xué)習(xí) (Reinforcement Learning，簡(jiǎn)稱 RL) 機(jī)制。例如，AlphaGo Zero 增添了 RL，就具有更強(qiáng)大的探索能力，能夠在不確定性極大的圍棋上打敗人類的頂尖高手，如圖 1。

圖1

本文就藉由 RL 來(lái)說(shuō)明上述的協(xié)同創(chuàng)新力，如何表現(xiàn)于不確性環(huán)境里的決策，也進(jìn)一步闡述其探索全局最優(yōu)解 (Global optimum) 的思維過(guò)程。

2 認(rèn)識(shí)強(qiáng)化學(xué)習(xí)

強(qiáng)化學(xué)習(xí) (RL) 是機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 的一種模型，它是來(lái)自于近似動(dòng)態(tài)規(guī)劃 (approximate dynamic programming， ADP) 的算法。它的主要特點(diǎn)是：能在探索 ( 在未知的 領(lǐng)域 ) 和利用 ( 現(xiàn)有知識(shí) ) 之間找到平衡。

探索 (Exploration) 就是：嘗試以前從未做過(guò)的事情，以求獲得更高的報(bào)酬。而利用 (Exploitation) 就是：做當(dāng)前所知能產(chǎn)生最大回報(bào)的事情。

例如，假設(shè)您的住家周邊有十個(gè)餐館，而您只去過(guò)八家餐館吃飯，而有兩家還沒(méi)去消費(fèi)過(guò)?；谶^(guò)去的經(jīng)驗(yàn)，您了解這八家餐館中的哪一家的是最實(shí)惠又好吃的。如果有一天，您的好朋友來(lái)訪，您想請(qǐng)他去最棒的餐館吃飯。那么，您會(huì)如何選擇出最棒的餐館呢？

此時(shí)，方案一是：利用。就是利用您既有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，從您經(jīng)歷過(guò)的八家餐館中挑選出一家最棒的餐館。另外，方案二是：探索。就是您選擇沒(méi)去過(guò)的兩家 ( 即第九家或第十家 )，一起去品嘗新的滋味。

如果您采取方案一：帶他去八家中最棒的餐館吃飯。那么如果第九家或第十家比這八家都更棒，就失去最好的了。反之，如果采取方案二：帶他去第九家或第十家餐館。那么如果這兩家并不如前八家好吃，就得不償失了。

這是有趣的不確定性情境，就是通稱的 < 探索 - 利用 > 困境 (Exploration-Exploitation dilemma)，我們?cè)撊绾闻c他共舞，來(lái)做最具智慧的抉擇呢？此時(shí)，強(qiáng)化學(xué)習(xí)將讓“探索”和“利用”兩者取得最佳的平衡。

3 “局部最優(yōu)”與“全局最優(yōu)”

“利用”就是：做當(dāng)前所知能產(chǎn)生最大報(bào)酬的事情。例如，剛才提到的，從您經(jīng)歷過(guò)的八家餐館中挑選出一家最棒的餐館。這樣的缺點(diǎn)是，常常受限于 ( 現(xiàn)有知識(shí) )，只能獲得區(qū)域性最優(yōu) (Local optima) 方案。傳統(tǒng)上，人類的學(xué)習(xí)偏重于“利用”所學(xué)的知識(shí)，去發(fā)揮所長(zhǎng)，追求很有把握、很可能 (Probable) 的方案，并從中挑選一個(gè)最高報(bào)酬的解，如圖 2。

圖2

“探索”就是：嘗試、探索以前從未做過(guò)的事情，以求獲得可能的更高報(bào)酬。例如，剛才提到的，選擇沒(méi)去過(guò)的兩家 ( 即第九家或第十家 ) 餐館，可能比前八家更美味、好吃。然而，生物有機(jī)體系還有一種本能，去探索一些不太確定 (Improbable)的方案，然后挑選具有更高報(bào)酬的解，如圖 3。

圖3

AI 強(qiáng)化學(xué)習(xí)很接近這種生物學(xué)習(xí)的本質(zhì)，在探索未知領(lǐng)域和利用現(xiàn)有知識(shí)，兩者之間找到了最佳平衡，來(lái)獲得全局最優(yōu) (Global optima) 方案，如圖 4。

圖4

目前，人類已經(jīng)把這種“探索 - 利用”最佳平衡的技巧(算法)教給了 AI 機(jī) 器，讓 AlphaGo Zero 超越了人類的圍棋頂尖高手。如果人類也能從 AI 強(qiáng)化學(xué)習(xí)得到啟示，強(qiáng)化探索能力，則人人能探索更多可能 (Possibility)，得到更多機(jī)會(huì) (Opportunity)。

4 面對(duì)不確定性(Uncertainty)

不確定性的環(huán)境中，蘊(yùn)含者各種可能性 (Possibility)，也將給探索者帶來(lái)許多機(jī)會(huì) (Opportunity)。就如同西方的諺語(yǔ)：“When you focus on problems, you get problems. When you focus on possibilities, you have more opportunities.” ( 當(dāng)你專注于問(wèn)題時(shí)，會(huì)引來(lái)更多問(wèn)題。當(dāng)你專注于可能性時(shí)，你會(huì)有更多的機(jī)會(huì)。)

于是，我們就來(lái)關(guān)注可能性和機(jī)會(huì)。其中，“可能性”包括了：1) 很可能(Probable) ；2) 不太確定(Improbable)。其中，“不太確定”又包括：2a) 可能 (Possible)；2b) 很不可能 (Impossible)。如圖 5 所示。

圖5

對(duì)于所面對(duì)的不確定性環(huán)境中，所帶來(lái)的可能性和機(jī)會(huì)，進(jìn)行分門別類之后，就來(lái)采取“剪枝”策略、進(jìn)行“去蕪存菁”的動(dòng)作，也就是：把不可能的部分刪除掉，如圖 6。

圖6

這里的“去蕪存菁”動(dòng)作，可以大幅將低風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)槎帽茱L(fēng)險(xiǎn)，才敢大膽探索。AlphaGo 也擅用“去蕪存菁”策略，來(lái)縮小探索“空間”，提高探索效果。例如，AlphaGo 的目標(biāo)就是將獲勝機(jī)率最大化放在第一位，它的奏效策略是搜索途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)最低風(fēng)險(xiǎn)下的獲勝機(jī)會(huì)。AlphaGo 常常會(huì)傾向?yàn)榱巳俣艞壐嘹A子數(shù)，其目的是為了降低不能取勝的風(fēng)險(xiǎn)，以便提高勝率。即使是很小的差距仍會(huì)納入謹(jǐn)慎考慮。例如，當(dāng) AlphaGo 面對(duì) “贏 3 子，90% 勝率”和“贏 1/4 子，95% 勝率”兩種情況時(shí)，它會(huì)傾向選擇后者，力求降低風(fēng)險(xiǎn)。

去蕪存菁之后，留下的部分，俗稱為：甜心區(qū) (Sweet spot)，如圖 7。

圖7

孫子兵法上也強(qiáng)調(diào)：不打沒(méi)把握的仗。股市名家巴菲特也強(qiáng)調(diào)：不賠錢原則。都是說(shuō)明面對(duì)不確定時(shí)，重視降低風(fēng)險(xiǎn)，來(lái)提高勝率。

5 與不確定性共舞(Living with uncertainty)

茲拿一個(gè)童話寓言故事，來(lái)綜合前面所述的內(nèi)涵。有一只小獅子肚子餓了，走到附近的草原上，依據(jù)成功經(jīng)驗(yàn)和熟練的技技巧 ( 戰(zhàn)術(shù) ) 奮力去追小兔，填飽肚子。一日復(fù)一日，它發(fā)現(xiàn)捕獲的兔子日漸減少 ( 可能兔子變敏感了 )，有些困惑 ( 心生不確定性 )，回到家就問(wèn)媽媽。獅子?jì)寢尵徒踢@小獅子，媽媽說(shuō)：“你肚子餓了，就眼睛閉著，睡大覺(jué)，不要亂跑?！?/p>

小獅子滿腦困惑，不確定感急速上升，非常不安。但母命難違，只好勉強(qiáng)為之，果然耳朵變靈敏了，清晰聽見兔子聲音愈來(lái)愈近，然后猛然奔出一抓，輕易捕獲，飽食一餐，繼續(xù)睡大覺(jué)。君不見，身為野獸之王的雄獅母獅，常?？此葡胨X(jué)的表情。

然而，小獅子關(guān)注于肚子餓 (focus on problems)， 卻引來(lái)更多問(wèn)題 (more problems)，如追累了，走不動(dòng)，引來(lái)生命危險(xiǎn)等。而獅子?jì)寢寗t教小獅子不要圍繞問(wèn)題，勇于拋掉無(wú)用的戰(zhàn)術(shù)，力求與不確定性共舞。因而發(fā)現(xiàn)更多機(jī)會(huì) (more opportunities)，如兔子自動(dòng)送上門來(lái)。

(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年8月期)