《强化学习的数学原理》赵世钰 著 · 附录 B
附录 A 复习了"够用"的概率论,但有些结论的严格证明需要测度论。这个附录给出了测度概率论的核心框架,是全书数学最严格的部分。
一、为什么需要测度论?
初等概率论有两个问题:
- 连续和离散的统一:PMF 用求和,PDF 用积分,两套公式。测度论用积分统一两者。
- 不可测集:不是所有子集都能定义概率(如 [0,1] 上的 Vitali 集)。需要 σ-代数来限定"可测"的范围。
对 RL 学习者的意义:大多数 RL 工作不需要测度论。但在以下场景需要:
- 证明策略梯度定理的严格版本(连续状态/动作空间)
- 分析随机过程的收敛性
- 处理无穷维状态空间
二、σ-代数
定义
集合 F 是 Ω 上的 σ-代数,如果:
- Ω∈F
- A∈F⟹Ac∈F(对补集封闭)
- A1,A2,…∈F⟹⋃i=1∞Ai∈F(对可数并封闭)
Borel σ-代数
R 上最常用的 σ-代数是 Borel σ-代数 B(R),由所有开集生成。
直觉:σ-代数是"我们能测量的事件的集合"。要求对可数并和补集封闭,是为了极限操作有意义——RL 中的收敛性证明需要取极限,极限就是可数交/并。
三、测度与概率测度
测度
μ:F→[0,∞],满足可数可加性:
μ(i=1⋃∞Ai)=i=1∑∞μ(Ai),当 Ai 互不相交
概率测度
满足 μ(Ω)=1 的测度就是概率测度 P。
四、可测函数与随机变量
可测函数
f:(Ω,F)→(R,B(R)) 可测,如果:
f−1(B)∈F,∀B∈B(R)
即:实数轴上任何 Borel 集的原像都是可测事件。
随机变量 = 可测函数
随机变量就是从概率空间到实数的可测函数。"可测"保证了 {X≤x} 是可测事件,可以定义概率。
五、Lebesgue 积分
动机
Riemann 积分对某些函数不适用(如 Dirichlet 函数)。Lebesgue 积分更一般。
核心区别
|
Riemann |
Lebesgue |
| 分割方式 |
分割定义域 |
分割值域 |
| 适用范围 |
"好"函数 |
可测函数 |
| 极限交换 |
需要一致收敛 |
单调收敛/控制收敛 |
关键收敛定理
单调收敛定理:0≤fn↑f⟹∫fn↑∫f
控制收敛定理:fn→f, ∣fn∣≤g, ∫g<∞⟹∫fn→∫f
在 RL 中的应用:这些定理允许我们在推导中交换求和/积分与极限。例如,从有限时域推广到无穷时域(∑t=0T→∑t=0∞)时,需要控制收敛定理来保证交换合法。
六、Radon-Nikodym 定理
定理
如果 μ≪ν(μ 关于 ν 绝对连续),则存在密度函数 f 使得:
μ(A)=∫Afdν
f=dνdμ 称为 Radon-Nikodym 导数。
在概率论中的意义
概率分布 P 关于 Lebesgue 测度 λ 绝对连续时,f=dλdP 就是概率密度函数(PDF)。
在 RL 中的应用:策略梯度定理中,不同策略诱导的状态分布不同。Radon-Nikodym 导数给出了分布之间的密度比——这就是重要性采样的数学基础。
七、条件期望的测度论定义
定义
E[X∣G] 是关于 G 可测的随机变量,满足:
∫AE[X∣G]dP=∫AXdP,∀A∈G
迭代期望律的测度论版本
G1⊆G2⟹E[E[X∣G2]∣G1]=E[X∣G1]
直觉:G 代表"信息"。E[X∣G] 是在给定 G 信息下对 X 的最佳预测。迭代期望律说:“先看到更多信息再平均掉"等于"直接用较少信息预测”。
八、总结
| 测度论概念 |
初等概率论对应 |
RL 中的角色 |
| σ-代数 |
事件集合 |
定义可测事件 |
| 概率测度 |
概率分布 |
轨迹分布 |
| 可测函数 |
随机变量 |
回报、值函数 |
| Lebesgue 积分 |
期望/积分 |
统一离散和连续 |
| Radon-Nikodym |
密度比 |
重要性采样 |
| 条件期望 |
条件期望 |
状态值、动作值 |
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