用 Python 学强化学习: Q-Learning 迷宫示例
2025年11月12日 19:42
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Q Learning强化学习算法(机器学习/人工智能)[/caption]
强化学习（Reinforcement Learning, RL）是一种让智能体/Agent通过与环境交互、试错学习来获得最优行为策略的机器学习方法。本文用一个简单的 Q-learning 迷宫示例，帮助你快速理解强化学习的基本原理。
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一、什么是强化学习？
强化学习的世界中包含五个关键要素：- Agent（智能体）：做决策、执行动作的主体
- Environment（环境）：智能体所处的世界
- State（状态）：当前环境的描述
- Action（动作）：智能体可采取的操作
- Reward（奖励）：环境反馈，用来衡量动作的好坏
二、Q-Learning 原理
Q-learning 是最经典的强化学习算法之一。它通过学习一个 Q 表（Q-table）来记录每个“状态-动作”对的价值。 更新公式如下：
[math] Q(s,a) \leftarrow Q(s,a) + \alpha [r + \gamma \max_{a'} Q(s', a') - Q(s,a)] [/math]
其中：
- [math] \alpha [/math]：学习率（Learning Rate）
- [math] \gamma [/math]：折扣因子（Discount Factor）
- [math] r [/math]：奖励（Reward）
- [math] s' [/math]：下一状态（Next State）
三、迷宫环境设计
定义一个 3×5 的迷宫：- 0：空地
- -1：墙
- 1：出口（目标）
四、完整 Python 实现代码
import numpy as np
import random
# 1️⃣ 定义迷宫
maze = np.array([
[0, 0, 0, -1, 1],
[0, -1, 0, -1, 0],
[0, 0, 0, 0, 0]
])
n_rows, n_cols = maze.shape
actions = ['up', 'down', 'left', 'right']
Q = np.zeros((n_rows, n_cols, len(actions)))
# 2️⃣ 超参数
alpha = 0.1
gamma = 0.9
epsilon = 0.1
episodes = 500
# 3️⃣ 辅助函数
def is_valid(state):
r, c = state
return 0 <= r < n_rows and 0 <= c < n_cols and maze[r, c] != -1
def next_state(state, action):
r, c = state
if action == 'up': r -= 1
elif action == 'down': r += 1
elif action == 'left': c -= 1
elif action == 'right': c += 1
return (r, c)
def get_reward(state):
r, c = state
if maze[r, c] == 1: return 10
elif maze[r, c] == -1: return -1
return -0.1
# 4️⃣ 训练循环
for episode in range(episodes):
state = (2, 0)
done = False
while not done:
if random.uniform(0, 1) < epsilon:
action_idx = random.randint(0, len(actions)-1)
else:
action_idx = np.argmax(Q[state[0], state[1]])
action = actions[action_idx]
next_s = next_state(state, action)
if not is_valid(next_s):
reward = -1
next_s = state
else:
reward = get_reward(next_s)
Q[state[0], state[1], action_idx] += alpha * (
reward + gamma * np.max(Q[next_s[0], next_s[1]]) - Q[state[0], state[1], action_idx]
)
state = next_s
if maze[state[0], state[1]] == 1:
done = True
print("✅ 训练完成！")
# 5️⃣ 查看学到的路径
state = (2, 0)
path = [state]
while maze[state[0], state[1]] != 1:
action_idx = np.argmax(Q[state[0], state[1]])
next_s = next_state(state, actions[action_idx])
if not is_valid(next_s) or next_s in path:
break
state = next_s
path.append(state)
print("🗺️ 学到的路径:", path)
五、运行结果
运行上面的代码后，你会看到类似输出：
✅ 训练完成！
🗺️ 学到的路径: [(2, 0), (2, 1), (2, 2), (1, 2), (0, 2), (0, 3), (0, 4)]
这说明智能体成功学会了走出迷宫 🎯
六、总结
强化学习使机器能够通过反馈学习最优策略，这类似于人类通过经验学习的方式。 Q-Learning 是许多现代强化学习算法的基础，包括深度 Q 网络（Deep Q-Networks, DQN）。 这个简单的示例展示了完整的强化学习循环：探索 → 反馈 → 改进。- Q 表：保存每个状态-动作的价值
- ε-greedy 策略：平衡探索与利用
- 奖励函数设计：引导智能体形成目标导向行为
- 强化学习思想：通过试错和奖励反馈不断改进策略
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