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D.1.5 线性代数公式速查与练习

前置知识:本页汇总 E.1 模块所有公式,建议在读完 E.1.1E.1.4 后再来回顾。如果你是第一次读,先跳到正文章节。


回到第 3 章再看一遍

现在你有了向量、矩阵、点积、范数、特征值这些工具。回头看看第 3 章学过的东西,会发现很多"当时只是接受"的公式,其实都有更简洁的矩阵表达。

贝尔曼方程 与 从逐个手写到一行矩阵

第 3 章里,贝尔曼期望方程写成:

有了矩阵之后, 个这样的方程压缩成一行:

闭式解是 。第 3 章的 DP 方法反复做 ,本质上是在迭代逼近这个闭式解。

TD Error 与 增量更新与矩阵方程的关系

第 3 章的 TD 更新是:

用向量语言看,这可以写成:

其中 是状态 的 one-hot 向量(只有第 个位置为 ,其余为 ), 是 TD Error。这和 E.1.2 的贝尔曼矩阵形式 是同一个东西的两种表达——前者是逐步增量更新(每次只改一个分量),后者是整体方程(所有分量同时满足)。

Q-Learning 表格法 与 one-hot + 点积的特例

第 3 章的 Q-Learning 为每个 (状态, 动作) 对存一个数。从线性代数的视角看,这就是用了 one-hot 特征的线性近似:,其中 是 one-hot 向量。查表是线性近似的特例。

策略梯度更新 与 范数和信任域的舞台

第 3 章路线二定义了策略目标 。更新参数时,梯度裁剪限制 ,信任域约束 ——这些都是在用线性代数工具保证训练安全。


概念地图

下面这张表按依赖关系组织了 E.1 模块的所有概念。可以顺着依赖链从上往下读,也可以当作索引直接跳到某个概念。

概念核心公式依赖RL 角色
标量r=2,γ=0.9奖励、超参数
向量v ∈ ℝⁿ标量装所有状态的价值
矩阵P ∈ ℝⁿˣⁿ向量装所有状态间的转移
矩阵乘法(Pv)ᵢ = Σⱼ Pᵢⱼvⱼ矩阵 + 向量概率加权未来价值
贝尔曼矩阵形式v = r + γPv矩阵乘法价值递推方程
线性方程解v = (I − γP)⁻¹r贝尔曼矩阵理论闭式解
点积wx = Σᵢ wᵢxᵢ向量线性价值/策略近似
L2 范数x‖₂ = √Σᵢ xᵢ²向量梯度裁剪、正则化
特征值Au = λu矩阵分析矩阵的放缩特性
谱半径与收敛ρ(γP) ≤ γ < 1特征值值迭代收敛保证
信任域约束(θ−θₒₗₐ)ᵀF(θ−θₒₗₐ) ≤ δ范数 + 特征值TRPO 的安全更新

沿着这张表从上往下读,每个概念都在前一个的基础上增加新能力。如果某个概念卡住了,回到它"依赖"的那一行重新看。


从困难到工具

E.1 模块的核心脉络:从"算不出来"到"算得安全"。

阶段遇到的困难引入的数学工具关键公式
困难一1000 个状态 = 1000 个方程向量、矩阵、方程组v = (I − γP)⁻¹r
困难二状态太多存不下价值表点积、范数v̂(s) = wᵀ**x **(s),‖g‖₂ ≤ c
困难三训练可能发散/爆炸/偏移特征值、加权范数ρ(γP) ≤ γ < 1,ΔθᵀFΔθ ≤ δ

常见误区

  1. 把矩阵当成抽象符号。 在贝尔曼方程里,转移矩阵 的每一行都是"从当前状态出发,下一步去哪里"的概率表。
  2. 以为求逆就是实际算法。 是理论闭式解,真实大规模问题通常用迭代或函数近似——这就是第 3 章 DP → MC → TD 的演进逻辑。
  3. 忽略向量方向。 梯度、优势更新、信任域约束都不仅关心"数值大小",还关心参数空间中的方向。
  4. 混淆范数和正则化。 范数是度量工具("有多大"),正则化是把范数加入训练目标来约束参数,梯度裁剪是限制单步更新的幅度——三种不同用途。
  5. 以为 L2 范数是唯一的范数。 L1 范数产生稀疏解,Frobenius 范数衡量矩阵大小,加权范数(二次型)考虑方向敏感度——不同场景用不同范数。

练习

基础题

  1. 贝尔曼方程手算。,试手算

  2. 写出矩阵。 写出上题对应的 ,然后验证 是否等于你的手算结果。

  3. 梯度裁剪。 若梯度为 ,最大范数设为 ,裁剪后的梯度是多少?

进阶题

  1. 特征值计算。 矩阵 的特征值是多少?它是上三角矩阵,特征值有什么规律?

  2. 三状态贝尔曼方程。 三个状态,转移矩阵 ,奖励向量 。写出贝尔曼矩阵形式,不做求解。

  3. 点积近似。 状态 的特征是 ,权重 。计算 。如果 的真实值是 ,误差是多少?

挑战题

  1. 收敛速度估计。 假设 ,初始误差 。至少需要多少次贝尔曼更新才能让误差降到 以下?(提示:

  2. 信任域验证。 。这次更新在信任域内吗?如果 呢?解释为什么第二个方向更"贵"。

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