기본 콘텐츠로 건너뛰기

인공지능의 기초: MDP에서의 동적프로그래밍 기법

 MDP에서의 동적 프로그래밍 기법

동적 프로그래밍(Dynamic Programming)

문제해결을 위해 문제를 여러개의 부분 문제로 분해하여 해결하는 접근법.

1. 최적 부분 구조 (Optimal Substructure)

전체 문제의 최적해를 부분 문제의 최적해들로 구할 수 있는 경우.

2. 겹치는 부분 문제 (Overlapping Subproblems)

동일한 부분 문제들이 반복해서 나타나는 경우(Recursive)
= 부분 문제의 최적해를 캐쉬하고 재사용할 수 있는 경우

MDP에서의 문제 : Prediction & Control.

• Prediction

주어진 policy로 value function값을 구하는 것.
$$V^{\pi}=\left(I-\gamma P^{\pi} \right)^{-1}R^{\pi}$$
이렇게 Bellman expectation equation matrix를 이용한 방법은 역함수를 구하는데만 $O(n³)$의 시간이 걸려서. 시간복잡도가 $O(n^3)$이다.
이를 단축시키기 위해 동적 프로그래밍을 사용한다.

동적 프로그래밍 적용 가능성

위의 bellman expectation equation matrix는 역행렬이 존재하는 경우, bellman expectation equation으로 $V_{\pi}(s)$를 구할수 있음을 알려준다. 그렇다면 bellman expectation equation으로 나타낸 $V_{\pi}(s)$를 알아내는 수식을 어떻게 구할 수 있을까?
bellman expectation equation은 어떤 state, s의 value function이 그 successor state, s'들의 value function으로 구해진다는 것을 나타낸다.
$$V_{\pi}(s)=\sum_{a \in A}\pi(a|s)R_s^a+\gamma\sum_{a \in A}\pi(a|s)\sum_{s'\in S}P_{ss'}^{a}V_{\pi}(s')$$
여기서, $s'$는 S의 모든 원소가 되기 때문에, $s, \forall s \in S, S=\left\{s_1, s_2, \cdots, s_n \right\}$에 대해, 어떤 time step $t$에서의 value function $V_{\pi}^t(s)$는 그 다음 time step 에서 n개의 각 state가 가지는 value function $V_{\pi}^{t+1}(s_1), V_{\pi}^{t+1}(s_2), \cdots, V_{\pi}^{t+1}(s_n)$의 선형결합으로 구해진다. 즉, $V_{\pi}^t(s)$를 구하는 문제는 $V_{\pi}^{t+1}(s_1), V_{\pi}^{t+1}(s_2), \cdots, V_{\pi}^{t+1}(s_n)$를 구하는 n개의 부분 문제들로 분해될 수 있고 그 부분 문제들도 같은 방법으로 계속 분해가 가능하다. 다음은 m번 분해한 $n^m$개의 부분문제의 최적해 $V_{\pi}^{m}(s)$과 전체 문제의 최적해 $V_{\pi}^0(s)$의 관계를 나타낸다.
$$V_{\pi}^0(s_0)=\sum_{a_0 \in A}\pi({a_0}|{s_0})R_{s_0}^{a_0}$$
$$+\sum_{i=0}^{m-2}\left(\gamma^{i+1}\sum_{a_0 \in A}\pi(a_0|s_0)\sum_{s_1\in S}P_{{s_0}{s_1}}^{a_0}\cdots\sum_{a_{i} \in A}\pi(a_{i}|s_{i})\sum_{s_{i+1}\in S}P_{{s_{i}}{s_{i+1}}}^{a_{i}}\sum_{a_{i} \in A}\pi(a_{i+1}|s_{i+1})R_{s_{i+1}}^{a_{i+1}}\right)$$
$$+\gamma^{m}\sum_{a_0 \in A}\pi(a_0|s_0)\sum_{s_1\in S}P_{{s_0}{s_1}}^{a_0}\cdots\sum_{a_{i} \in A}\pi(a_{m-1}|s_{m-1})\sum_{s_{m}\in S}P_{{s_{m-1}}{s_{m}}}^{a_{m-1}}V_{\pi}^{m}(s)$$
이때, $n^m$개의 부분문제들의 최적해 $V_{\pi}(s_m)$들의 선형결합은 그 전체 문제의 최적해 $V_{\pi}(s_0)$가 된다. 결국 최하위 부분문제가 가진 최적해의 선형결합이 최상위 문제의 최적해가 되므로 "최적 부분 구조"를 만족한다.
그리고 위 수식 마지막 항에서 보이듯, $m$번 분해된 $n^m$개의 부분문제들은 사실 $n^{m-1}$번의 중복성을 지닌 n가지의 겹치는 부분문제들이다. $V_{\pi}^t(s)$의 부분문제들 $V_{\pi}^{t+1}(s_1), V_{\pi}^{t+1}(s_2), \cdots, V_{\pi}^{t+1}(s_n)$은 $V_{\pi}^{t}(s_1), V_{\pi}^{t}(s_2), \cdots, V_{\pi}^{t}(s_n)$를 계산하는데 모두 n번 중복되서 사용되기 때문이다. 따라서, "겹치는 부분문제"를 만족한다.

그런데 결국 모든 state의 $V_{\pi}^m(s)$를 모르면 $V_{\pi}^0(s)$ 을 못구하는것 아닌가? 하는 생각이 들 수도 있지만, 수식을 잘 살펴보면 $m$이 커질수록 상수항이 늘어나고 $V_{\pi}^m(s)$항의 값이 점점 줄어드는 것을 알수가 있다. $\sum_{a_0 \in A}\pi(a_0|s_0)\sum_{s_1\in S}P_{{s_0}{s_1}}^{a_0}\cdots\sum_{a_{i} \in A}\pi(a_{m-1}|s_{m-1})\sum_{s_{m}\in S}P_{{s_{m-1}}{s_{m}}}^{a_{m-1}}V_{\pi}^{m}(s_m)$는 $s_0$ state에서 $m$번째 successor의 value function 기대값과 같다. 따라서 m이 커질수록 value function이 0인 terminal state에 도달할 확률이 높아지기 때문에(MDP의 정리), 그 값은 0에 수렴하게 되어있다. 더욱이 그 앞에 곱해지는 $\gamma^m$의 $\gamma$가 0과 가까운 값일 수록 그 과정은 더 빠르게 진행된다. 따라서, m이 커질수록 $V_{\pi}^0(s)$는 앞의 상수항에 수렴하게 되어있고 그 값이 문제의 최적해 $V_{\pi}(s)$가 된다. 그럼 상수항 부분은 무엇을 의미할까? 상수항을 전개하면 $s_0$부터 $m-1$번째 successor$s_{m-1}$까지 각 state의 immediate reward의 기대값이다. 즉, value function 의 정의와 부합하다.

따라서, Prediction은 동적 프로그래밍의 적용이 가능하고 그 알고리즘을 Iterative Policy Estimation 이라 한다.

Iterative Policy Estimation

우선 위에서 분해한 무한개의 부분문제들을 어떻게 효율적으로 연산할지를 생각해 보자, 우선 부분문제들의 중복성을 이용하기 위해 연산을 행렬로 확장하자.
$$V^{k+1}=R^{\pi}+\gamma P^{\pi}V^{k}$$
$V^k$는 $V^0$을 기준으로 $k$번 합성된 부분문제들의 해를 나타낸다. 여기선 $V^0$은 initial value function 행렬이고 우리가 가장 먼저 정의할 말단 부분문제들의 해다. $V^0$에서 연산을 m번 수행한 $V^m$은 $V^0$이 $V_{\pi}^m(s)$을 원소로 지닐때, $V_{\pi}^0(s)$를 원소로 가지는 행렬이다. 위에서 설명한 것처럼 m이 늘어날수록 $V^0$이 지닌 원소들 $V_{\pi}^m(s)$항의 값이 점점 줄어들게 되고 상수항이 늘어나면서 점점 어떠한 값에 수렴하게 되어있다. 하지만, 여기서 한가지 주의해야할 것은 우리가 처음 $V^0$을 가정했다는 것이다. $V_{\pi}^m(s)$항의 값이 m이 커질수록 작아지는 이유는 value function이 0인 terminal state에 도달할 가능성이 커져서 0에 수렴하게 되는 첫번째 이유와, $\gamma^m$이 앞에 곱해져있는 두번째 이유가 있었다. 그런데 만약 $V^0$의 원소중 terminal state의 value function값을 0이 아닌 숫자로 했다면. 그 자체로써 0으로 수렴하는것을 보장 못한다. 그 값은 아마 s에서 임의의 terminal state로 도달할때의 value function 기대값으로 수렴할 것이다. 그나마 이경우 $\gamma<1$ 라면 0으로 수렴시킬 수 있다.'

그래서, 항상 terminal state는 initial value function을 0으로 구성하는 것이 좋고 $\gamma$는 낮을수록 좋다. 하지만 $\gamma$는 문제에서 주어지는 값이므로 어쩔수가 없다.

Iterative Policy Estimation에서는 각 iteration마다 $n$개의 state에서 $a$개의 action을 통해 $n$개의 successor state로 가는 경우의 value function의 기대값을 계산하고 더한다. 따라서, 한번의 iteration은 $O(mn^2)$의 시간복잡도를 가진다. 여기서 iteration은 대부분 상수시간안에 종료 가능해서 m에 비해 n이 큰 문제일 수록 $O(n^3)$보다 훨신 적은 복잡도를 가진다.

• Control

다음을 만족하는 Optimal policy $\pi\ast$를 구하는 문제다.
$$\forall s \in S, \forall \pi \in \Pi,V_{\pi\ast}\ge V_{\pi}$$
위 수식에서 보듯control에는 prediction이 필요하다.

동적 프로그래밍 적용 가능성

Control은 기본적으로 $pi$에 따른 $V^pi$를 구하고 그에 맞추어 더 나은 $\pi'$로 입력을 변경해가는 문제다. 다음 input으로 주어질 $\pi'$는 어떤 state에 대한 정책으로 가장 높은 value function을 지니는 successor state들로 갈 확률이 가장 높은 action을 선택하게한다. 당장 최고의 결과를 기대할 수 있는 greedy한 선택이다.
$$\pi'=greedy(V_{\pi}))$$
그러나 이러한 각 iteration의 greedy한 선택은 전체 선택에 있어서 최선의 결과를 가져온다.
즉, 부분문제들의 최적해로 전체문제의 최적해를 구할수 있는 "최적 부분 문제"를 만족한다.
그리고 각 iteration의 개선된 policy로 구한 $V^{\pi}$는 다음 iteration에서 중복해서 사용되므로 "겹치는 부분 문제"를 만족한다. 게다가 각각의 iteration의 prediction에는 동적 프로그래밍인 iterative policy estimation을 사용 가능하다. 이렇듯 각 iteration별로 greedy한 선택을해서 policy를 개선해나가는 동적 프로그래밍 기법을 Policy Improvement라고 한다.

Policy Improvement

policy improvement에서 중요한 포인트는 iterative policy estimation의 iteration한번에 policy improve를 한번씩 수행한다는 것이다. 초기 $V^0$을 셋팅할때 각 $V_{\pi}(s)$의 대소관계에 맞게 주거나 적어도 균일하게 준다면, iteration을 한번 수행할때마다 $V_{\pi}(s)$의 대소관계는 점점 명확해지게 되어있다. policy의 개선은 올바른 $V_{\pi}(s)$의 대소관계만 알면 되기 때문에 한번 수행에 따른 결과로 충분히 최선의 policy를 결정할 수 있다. 그리고 그러한 개선된 policy로 iteration을 수행하면 이전 policy로 iteration을 수행할때보다 $V_{\pi}(s)$의 대소관계가 더욱 명확해져서 ${V}_{\pi}^{\ast}(s)$로 더욱 빠르게 나아가게 된다. 그리고 알다시피 ${V}_{\pi}^{\ast}(s)$가 주어지면 optimal policy를 알수가 있다. 따라서 Iterative Policy Estimation와 같이 한번의 iteration에 $O(mn^2)$의 시간 복잡도를 가진다.


댓글

이 블로그의 인기 게시물

윈도우 10 마우스(커서) 옆에 자꾸 Progress bar(진행중 아이콘)가 나타난다면

이 글은 윈도우10 사용자 중 자꾸만 마우스 커서 옆에 뭔가가 실행중이라고 진행 아이콘이 뜨는 사람에게 조그마한 희망을 주는 글 입니다. 또한 백그라운드에서 프로그램이 실행되는 경우는 아주 다양하니 이 글에서 제시하는 방법은 수많은 문제 중 한가지 문제의 해결책일 뿐임을 미리 알려드립니다. 본인은 원래 해당컴퓨터에서 바이러스에 걸릴만한 행위를 일체 하지않았다. 토렌트나 웹하드는 전혀 사용하지 않고 인터넷에서 파일도 대기업의 공인된 파일만 다운받아서 썼었다. 그러나 어느 날 부턴가 다음과 같은 현상이 발생하였다. 아무런 프로그램도 실행중이지 않지만 자꾸 마우스 아이콘에 실행중이라고 뜨는 문제였다. 이해를 돕기위한 삽화 나는 실행한 프로그램이 없지만 뭔가가 실행중이라는 것은 백그라운드 서비스가 원인이라는 것이다. 그렇다면 어떤 서비스가 다음과같은 현상을 야기했을까? 나는 작업관리자에서 의심가는 백그라운드 프로세스를 종료해보았다. 바로 vpwalletservice VP.Inc에서 배포한 프로그램이었다. 아니나 다를까 해당 프로세스를 삭제하자마자 현상은 사라졌다. 백그라운드 서비스인만큼 msconfig의 서비스 목록에서도 제거하였고 이제 확실히 이런 현상은 발생하지 않을 것이다. 해당 프로그램은 현재 여러 문제를 야기시키는 것으로 인터넷에서 유명하다. 얼마전에는 해당프로그램이 윈도우 부팅시에 start process as current user get session user token failed 메시지를 띄우게 만들어 부팅을 방해했던 문제도 직접 경험해 본적이있다. 이 경우에도 해결방법은 같다.

Cubase : Serum 사용법(1) : 소개와 오실레이터, 필터, 모듈레이터의 사용법

큐베이스 가상악기 Serum 사용법(1) Serum 소개와 오실레이터, 필터, 모듈레이터의 사용법 1. Serum 이란? 큐베이스에서 사용가능한 가상악기 VST 플러그인 형태로 나온 Software Synthesizer 이다. 사운드의 시각화가 잘 되어있는게 특징이며, 웨이브테이블을 통해 다체로운 사운드를 만들 수 있는게 특징이다. Serum 사용 화면. 2. Serum 의 구조 소프트웨어 신디사이저는 구조는 다음과 같고 Serum도 이러한 구조로 이루어져있다. 신디사이저의 구조 여기에서 각 모듈들이 하는 역활은 다음과 같다. 오실레이터 (Oscillator) : 소리를 발진 시킨다. 필터 (Filter) : 오실레이터로부터 받은 소리를 필터링 한다. 엠프 (Amp) : 필터를 거쳐온 소리를 증폭시켜서 최종적으로 출력한다. 모듈레이터 (Modulator) : 각 모듈(오실레이터, 필터, 엠프)에 ENV, LFO 신호를 줘서 변형을 준다. ENV (Envelope Generator) : ADSR의 패턴을 가지고 신디사이저의 모듈들을 컨트롤 할 수 있는 Envelope를 생성한다. 보통 키보드 게이트의 신호를 통해 작동되어 시간에 따라 변하는 전압(Envelope)을 생성한다. LFO (Low Frequency Oscillator) : 저주파 발진기로. 저주파 패턴을 만들어서 음성을 변조하는대 사용한다. 그리고 Serum에서 각 모듈의 위치는 다음과 같다. Serum의 모듈 위치 3. Serum 각 모듈별 사용법 - 오실레이터(Oscillator) 오실레이터에서 Osc A, B가 활성화 되어있다 오실레이터는 크게 Sub와 Noise, Osc A, Osc B로 이루어져 있다. Sub는 기본파형을 발생시킬수 있으며 Noise는 치지직거리는 배경 잡음을 발생시키고, Osc A와 B는 각각 웨이브테이블을 이용해 다양한 파형의 소리를 발진시킨다. 각 요소

16진수를 10진수로 변환하기 + 10진수를 16진수로 변환하기 (C,C++)

/*16진수 를 10진수로 변환하는 프로그렘*/ #include <stdio.h> #include <math.h> #include <windows.h> int main(){         char c[8];     //4byte int변수의 최대 표현 범위는 2^31-1이므로 8자리 (16^8-1) 이상으로 필요하지 않다.     int i,sum=0,d;     // 최대 8자리의 16진수를 입력하되 만약 8자리의 16진수는 7까지만 입력가능.         printf("자릿수를 입력(최대 8 자리) : ");     scanf("%d",&d);         printf("%d자리 16진수 입력(최대 7FFFFFFF) : ",d);         scanf("%s",c);     for(i=0;i<d;i++){                      if('A'<=c[i]&&c[i]<='F')c[i]+=10-'A';                      else c[i]-='0';                      sum+=c[i]*pow(16,d-1-i);     }         printf("10진수 변환:  %d\n",sum);         system("PAUSE");     return 0;     }         /*10진수 를 16진수로 변환하는 프로그렘*/ #include <stdio.h> #include <windows.h> int main(){         char c[8];//8자리 이상 필요 없다.     //0~2^31-1까지 입력     //int는 4바이트지만 음수를 표현해야 하므로 31비트 까지만 양수로 표현 가능;     int i,d=0,z;