We study the continuous-time counterpart of Q-learning for reinforcement learning (RL) under the entropy-regularized, exploratory diffusion process formulation introduced by Wang et al. (2020). As the conventional (big) Q-function collapses in continuous time, we consider its first-order approximation and coin the term ``(little) q-function". This function is related to the instantaneous advantage rate function as well as the Hamiltonian. We develop a ``q-learning" theory around the q-function that is independent of time discretization. Given a stochastic policy, we jointly characterize the associated q-function and value function by martingale conditions of certain stochastic processes, in both on-policy and off-policy settings. We then apply the theory to devise different actor-critic algorithms for solving underlying RL problems, depending on whether or not the density function of the Gibbs measure generated from the q-function can be computed explicitly. One of our algorithms interprets the well-known Q-learning algorithm SARSA, and another recovers a policy gradient (PG) based continuous-time algorithm proposed in Jia and Zhou (2022b). Finally, we conduct simulation experiments to compare the performance of our algorithms with those of PG-based algorithms in Jia and Zhou (2022b) and time-discretized conventional Q-learning algorithms.


翻译:我们研究在Wang等人(2020)提出的熵正则化探索性扩散过程框架下,强化学习(RL)中Q学习的连续时间对应方法。由于传统(大)Q函数在连续时间中失效,我们考虑其一阶近似,并首次提出"(小)q函数"这一术语。该函数与瞬时优势率函数及哈密顿量相关。我们建立了独立于时间离散化的q函数"q学习"理论。在给定随机策略下,通过某种随机过程的鞅条件,我们在同策略和异策略两种场景中联合刻画了关联的q函数与值函数。随后,根据是否能显式计算q函数生成的吉布斯测度密度函数,我们应用该理论设计了不同的Actor-Critic算法来解决底层RL问题。其中一种算法诠释了著名的Q学习算法SARSA,另一种算法则推导出Jia和Zhou(2022b)提出的基于策略梯度(PG)的连续时间算法。最后,我们通过仿真实验,将所提算法与Jia和Zhou(2022b)中基于PG的算法以及时间离散化传统Q学习算法的性能进行了比较。

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