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Reinforcement Learning

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Was ist Reinforcement Learning?

Verstärkendes Lernen, oder Reinforcement Learning (RL), ist ein Bereich des maschinellen Lernens, der sich darauf konzentriert, wie Software-Agenten Aktionen in einer Umgebung auswählen sollten, um die Menge der kumulativen Belohnung zu maximieren. Es handelt sich um eine Art von Algorithmen, die durch Interaktion mit der Umgebung lernen, ähnlich wie ein Kind durch Spielen und Experimentieren lernt.

Reinforcement Learning Roboter spielt Schach

Anders als bei überwachten Lernverfahren, bei denen der Algorithmus anhand von Beispielen mit bekannten Antworten trainiert wird, erhält der Agent im Reinforcement Learning keine expliziten Anweisungen. Stattdessen erfährt er durch das Sammeln von Erfahrungen, welche Aktionen gute Ergebnisse liefern. Es ist, als ob der Algorithmus durch Versuch und Irrtum lernt, oder durch eine Form des "digitalen Darwinismus", bei dem erfolgreiche Strategien belohnt und verstärkt, während weniger erfolgreiche verworfen werden.

Im Kontext von Reinforcement Learning gibt es einige Kernbegriffe:

  • Agent: Ein Algorithmus oder Programm, das/das Entscheidungen trifft.
  • Umgebung: Der Kontext oder der Rahmen, in dem der Agent operiert.
  • Belohnung: Eine Rückmeldung von der Umgebung, die dem Agenten mitteilt, wie gut er sich verhält.
  • Richtlinie (Policy): Eine Strategie, die angibt, welche Aktion der Agent in einer bestimmten Situation ausführen soll.
  • Wertefunktion: Eine Schätzung des erwarteten langfristigen Nutzens, der mit einem bestimmten Zustand oder einer bestimmten Aktion verbunden ist.

Reinforcement Learning hat eine Vielzahl von Anwendungsbereichen, darunter Robotersteuerung, Spielentwicklung, Empfehlungssysteme und persönliche digitale Assistenten.

Agent

Ein Agent im Zusammenhang mit Reinforcement Learning ist das lernende Element oder der Entscheidungsträger. Es ist ein Programm oder Algorithmus, der Aktionen ausführt, um Erfahrungen zu sammeln und seine Strategie zu verbessern. Der Agent versucht, eine Richtlinie zu entwickeln, die maximale Belohnung über Zeit hinweg generiert.

Umgebung

Die Umgebung ist ein zentraler Begriff im Reinforcement Learning und bezeichnet den Kontext, in dem ein Agent operiert. Es kann sich um ein Spielbrett, eine physische Welt oder ein abstraktes Problem handeln. Die Umgebung sendet Zustandsinformationen an den Agenten und empfängt von diesem Aktionen.

Belohnung

Eine Belohnung ist eine einfache Zahl, die dem Agenten mitteilt, wie gut er eine Aufgabe ausgeführt hat. Reinforcement Learning verlässt sich auf dieses Feedback, um die Richtlinie zu formen, die Handlungen des Agenten leitet.

Richtlinie (Policy)

Die Richtlinie ist eine Strategie, die für jeden Zustand der Umgebung die Wahrscheinlichkeit einer bestimmten Aktion angibt. 

Wertefunktion

Die Wertefunktion hilft dem Agenten, die Qualität eines Zustands oder einer Aktion einzuschätzen. Sie schätzt den erwarteten langfristigen Nutzen, der aus einem bestimmten Zustand oder einer Handlung resultiert.

Anwendungsbeispiele von Reinforcement Learning

Reinforcement Learning wird in einer Vielzahl von Anwendungen benutzt, unter anderem:

  • In der Robotik, um Maschinen beizubringen, Aufgaben autonom zu lösen.
  • In der Spieleentwicklung, wo es eingesetzt wird, um künstliche Intelligenz (KI) zu trainieren, die mit menschlichen Spielern konkurrieren kann.
  • Bei Empfehlungssystemen, um Produkte oder Inhalte basierend auf den Vorlieben und Interaktionen des Benutzers vorzuschlagen.
  • In der Finanzwelt, um automatisierte Handelssysteme zu entwickeln.

Eine übliche Herangehensweise in der Anwendung von Reinforcement Learning beinhaltet:

1. Definition der Umgebung
2. Bestimmung der Ziele des Agenten durch Belohnungen und Bestrafungen
3. Entwicklung der Lernmechanismen, um die Richtlinie und Wertefunktion zu verbessern
4. Experimentieren und Optimieren 

Herausforderungen von Reinforcement Learning

Reinforcement Learning steht vor diversen Herausforderungen, wie beispielsweise dem Gleichgewicht zwischen Erkundung (neue Strategien ausprobieren) und Ausbeutung (bewährte Strategien anwenden). Darüber hinaus kann es schwierig sein, die richtigen Belohnungsstrukturen zu schaffen, um langfristig sinnvolle Ergebnisse zu erzielen.

Für die Zukunft wird erwartet, dass Reinforcement Learning eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung intelligenter Systeme spielt, die Anpassungsfähigkeit und Entscheidungsfähigkeit ähnlich menschlichen Fähigkeiten aufweisen. Fortschritte in der Computational Power und Algorithmenentwicklung werden die Möglichkeiten von Reinforcement Learning erweitern.

Autor dieses Beitrags

Simon Feller

Experte für Künstliche Intelligenz (KI) und Prozessautomatisierung