Processus de décision de Markov (PDM)

Principaux éléments d'un PDM

Un PDM est généralement défini par plusieurs éléments clés :

• États (S) : Un ensemble de situations ou de configurations possibles dans lesquelles l'agent peut se trouver. Par exemple, dans une tâche de navigation robotique, un état peut représenter l'emplacement du robot dans une grille.
• Actions (A) : Un ensemble de choix disponibles pour l'agent dans chaque état. Les actions spécifiques disponibles peuvent dépendre de l'état actuel. Pour le robot, les actions peuvent être "se déplacer vers le nord", "se déplacer vers le sud", "se déplacer vers l'est", "se déplacer vers l'ouest".
• Probabilités de transition (P) : Définit la probabilité de passer d'un état (s) à un autre état (s') après avoir effectué une action spécifique (a). Cela permet de saisir l'incertitude de l'environnement ; une action peut ne pas toujours aboutir au résultat escompté. Par exemple, un robot essayant de se déplacer vers le nord peut avoir une petite chance de glisser et de rester au même endroit ou de s'écarter légèrement de sa trajectoire.
• Récompense (R) : valeur numérique reçue par l'agent après une transition de l'état (s) à l'état (s') à la suite d'une action (a). Les récompenses indiquent si une transition ou un état particulier est bon ou mauvais. L'objectif est généralement de maximiser la récompense totale accumulée au fil du temps. Atteindre une cible peut donner une récompense positive importante, alors que heurter un obstacle peut donner une récompense négative.
• Facteur d'actualisation (γ) : Valeur comprise entre 0 et 1 qui détermine l'importance des récompenses futures par rapport aux récompenses immédiates. Un facteur d'actualisation plus faible donne la priorité aux gains à court terme, tandis qu'une valeur plus élevée met l'accent sur la réussite à long terme.

Un aspect crucial des PDM est la propriété de Markovqui stipule que l'état et la récompense futurs ne dépendent que de l'état et de l'action actuels, et non de la séquence d'états et d'actions qui ont conduit à l'état actuel.

Le fonctionnement des MDP dans l'IA et l'apprentissage automatique

Dans le contexte de l'apprentissage automatique, les PDM constituent le fondement de la plupart des algorithmes d'apprentissage par renforcement. L'objectif d'une PDM est de trouver une politique optimale (π), c'est-à-dire une stratégie ou une règle qui indique à l'agent l'action à entreprendre dans chaque état pour maximiser sa récompense cumulative actualisée attendue.

Des algorithmes tels que l'apprentissage Q, SARSA et les méthodes de gradient de politique sont conçus pour résoudre les PDM, souvent sans nécessiter de connaissance explicite des probabilités de transition ou des fonctions de récompense, en les apprenant plutôt par l'interaction avec l'environnement. Cette boucle d'interaction implique que l'agent observe l'état actuel, sélectionne une action basée sur sa politique, reçoive une récompense et passe à un nouvel état en fonction de la dynamique de l'environnement. Ce processus se répète, permettant à l'agent d'affiner progressivement sa politique. Ce paradigme d'apprentissage diffère considérablement de l'apprentissage supervisé (apprentissage à partir de données étiquetées) et de l'apprentissage non supervisé (recherche de modèles dans des données non étiquetées).

Applications dans le monde réel

Les PDM et les techniques RL utilisées pour les résoudre ont de nombreuses applications pratiques :

• Robotique: Entraînement des robots à effectuer des tâches complexes telles que la navigation sur des terrains inconnus, la manipulation d'objets ou les opérations de la chaîne de montage. Le robot apprend la meilleure séquence d'actions pour atteindre son objectif tout en gérant les incertitudes physiques. Découvrez comment la vision par ordinateur s'intègre à la robotique.
• Systèmes autonomes : Optimiser le comportement des véhicules autonomes, par exemple en décidant quand changer de voie ou comment franchir les intersections de manière sûre et efficace(IA dans les voitures auto-conduites).
• Finance : Élaboration de stratégies commerciales algorithmiques dans lesquelles un agent apprend les politiques d'achat et de vente optimales en fonction de l'état du marché, ou optimisation des portefeuilles d'investissement(blog AI in Finance).
• Gestion des ressources : Optimisation des décisions dans des domaines tels que le contrôle des stocks, la distribution d'énergie dans les réseaux intelligents(blog sur l'IA dans le domaine de l'énergie) ou l'attribution dynamique de canaux dans les réseaux sans fil.
• Jouer à des jeux : Entraîner des agents d'IA à jouer à des jeux de société complexes (comme le jeu de Go ou les échecs) ou à des jeux vidéo à des niveaux surhumains, comme AlphaGo de DeepMind.

Relations avec d'autres concepts

Il est utile de distinguer les PDM des concepts apparentés :

• Apprentissage par renforcement (RL): L'apprentissage par renforcement est un domaine de l'apprentissage automatique qui s'intéresse à la manière dont les agents apprennent des comportements optimaux par essais et erreurs. Les MDP fournissent le cadre mathématique formel qui définit le problème que les algorithmes d'apprentissage par renforcement cherchent à résoudre. L'apprentissage par renforcement profond combine l'apprentissage par renforcement avec l'apprentissage profond pour traiter des espaces d'état complexes et de grande dimension.
• Modèles de Markov cachés (HMM) : Les HMM sont des modèles statistiques utilisés lorsque le système modélisé est supposé être un processus de Markov avec des états non observés (cachés). Contrairement aux PDM, les HMM se concentrent principalement sur l'inférence d'états cachés à partir d'observations et n'impliquent généralement pas d'actions ou de récompenses pour la prise de décision.
• Programmation dynamique: Les techniques telles que l'itération de la valeur et l'itération de la politique, qui permettent de résoudre les PDM si le modèle (transitions et récompenses) est connu, sont basées sur les principes de la programmation dynamique.

Le développement de solutions basées sur les MDP implique souvent l'utilisation de bibliothèques RL construites sur des frameworks tels que PyTorch ou TensorFlow. La gestion des expériences et de l'entraînement des modèles peut impliquer des plateformes comme Ultralytics HUB pour rationaliser les flux de travail des projets d'IA. Une évaluation efficace du modèle est cruciale pour évaluer la performance de la politique apprise.