강화 학습(RL)은 인공 지능(AI) 및 기계 학습의 하위 분야로, 지능형 에이전트가 환경과 상호 작용하고 의사 결정을 내리며 특정 목표를 달성하기 위한 최적의 정책을 학습하도록 교육하는 데 중점을 둡니다. 에이전트가 환경으로부터 긍정적이거나 부정적인 피드백(보상 또는 처벌)을 받은 것을 기반으로 행동을 수행하는 방법을 배우는 인간과 동물의 행동 학습 과정에서 영감을 받았습니다. 강화 학습 알고리즘은 시행착오를 통해 시간이 지남에 따라 행동을 최적화하는 능력과 과거 경험에서 얻은 지식을 활용하여 미래의 의사 결정을 개선하는 능력으로 구별됩니다. 최근 몇 년 동안 RL은 로봇공학, 금융, 자율주행차, 게임 플레이 등 다양한 영역에서 상당한 성공을 거두며 놀라운 잠재력을 입증했습니다.
강화 학습 프레임워크의 핵심 구성 요소는 다음과 같습니다.
- 에이전트(Agent) : 학습하고 의사결정을 내리는 지능적인 개체로, 환경을 탐색하고 특정 정책에 따라 조치를 취하는 알고리즘을 나타냅니다.
- 환경(Environment) : 문제 영역과 관련된 모든 정보를 캡슐화하고 에이전트에게 관찰과 보상을 제공하는 에이전트가 상호 작용하는 주변 또는 컨텍스트입니다.
- 상태(State) : 환경 내에서 에이전트의 현재 상황을 표현하며, 의사 결정에 필요한 모든 관련 정보를 캡처합니다.
- 행동(Action) : 에이전트가 환경과 미래 상태에 영향을 미치는 선택으로, 행동 공간으로 알려진 가능한 행동 세트에서 선택됩니다.
- 정책(Policy) : 에이전트가 특정 상태에서 실행할 작업을 결정하기 위해 사용하는 전략으로, 상태에서 작업으로의 매핑으로 정의됩니다.
- 보상(Reward) : 특정 조치를 취한 결과로 에이전트가 환경으로부터 수신한 스칼라 피드백 신호로, 주어진 상태에서 해당 조치의 바람직한 정도를 반영합니다. 에이전트의 목표는 시간이 지남에 따라 얻은 누적 보상을 최대화하는 것입니다.
- 가치 함수 : 주어진 상태에서 시작하여 특정 정책에 따라 에이전트가 얻을 수 있는 예상 누적 보상을 추정하는 함수입니다. 이 기능은 다양한 정책의 품질을 평가하고 에이전트의 의사 결정 프로세스를 안내하는 데 도움이 됩니다.
강화 학습 알고리즘은 크게 세 가지 주요 범주로 분류될 수 있습니다.
- 가치 기반 알고리즘 : 특정 정책이나 최적의 정책의 가치 함수를 직접적으로 추정하는 데 초점을 맞춘 알고리즘입니다. 가치 함수가 학습되면 에이전트는 추정된 가치를 최대화하는 행동을 선택합니다. 널리 사용되는 가치 기반 알고리즘에는 Q-learning, Deep Q-Networks(DQN) 및 Double DQN이 포함됩니다.
- 정책 기반 알고리즘 : 이 알고리즘은 가치 함수 없이 정책을 직접 학습합니다. 에이전트는 학습된 정책 매개변수에 따라 작업을 선택합니다. 정책 기반 알고리즘의 예로는 REINFORCE, PPO(Proximal Policy Optimization) 및 TRPO(Trust Region Policy Optimization)가 있습니다.
- 행위자-비평 알고리즘 : 이 알고리즘은 학습 프로세스 중에 정책 그라데이션 추정(행위자)을 개선하는 데 도움이 되는 별도의 값 추정기(비평가)를 활용하여 값 기반 및 정책 기반 알고리즘의 장점을 결합합니다. 인기 있는 Actor-Critic 알고리즘으로는 A2C(Advantage Actor-Critic), SAC(Soft Actor-Critic) 및 DDPG(Deep Deterministic Policy Gradient)가 있습니다.
강화 학습은 최근 몇 년 동안 다양하고 복잡한 작업에 성공적으로 적용되었습니다. 예를 들어 강화학습과 심층 신경망을 결합한 DeepMind의 AlphaGo 및 AlphaZero 알고리즘은 바둑, 체스, 장기 게임에서 초인적인 성능을 달성했습니다. RL의 또 다른 획기적인 응용 프로그램은 OpenAI의 Dota 2 봇으로, 매우 복잡하고 전략적인 온라인 멀티플레이어 게임에서 전문 인간 플레이어를 이길 수 있는 능력을 보여주었습니다. RL은 또한 금융 거래 전략을 최적화하고 효율적인 에너지 관리 시스템을 개발하며 추천 시스템을 개선하는 데에도 사용되었습니다.
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