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Tout savoir sur l’apprentissage par renforcement

Sujet d’article : Apprentissage par renforcement 

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L’apprentissage par renforcement (RL) représente l’une des branches les plus fascinantes de l’intelligence artificielle, s’inspirant de la façon dont les êtres vivants apprennent à travers l’interaction avec leur environnement. Ce domaine englobe donc un ensemble de techniques et d’algorithmes qui permettent à un agent d’apprendre à prendre des décisions optimales en maximisant une récompense cumulative.

Que ce soit pour enseigner à un robot à jouer au ping-pong, à un système de recommandation à personnaliser ses suggestions, ou à un logiciel de gestion à optimiser ses ressources, l’apprentissage par renforcement offre donc un cadre puissant pour résoudre une grande variété de problèmes d’apprentissage séquentiel.

Ceci, n’est qu’un petit aperçu de ce que nous allons explorer dans cet article. Alors si vous êtes curieux d’en savoir plus, nous vous invitons à poursuivre votre lecture.

Prêts ?

C’est parti !

Introduction à l'apprentissage par renforcement :

Apprentissage par renforcement

Qu’est-ce que l’apprentissage par renforcement ?

D’abord, l’apprentissage par renforcement est un domaine de l’intelligence artificielle où un agent apprend à prendre des décisions séquentielles en interagissant avec un environnement dynamique. Contrairement à l’apprentissage supervisé, où un modèle est entraîné sur des données étiquetées, et à l’apprentissage non supervisé, où un modèle découvre des schémas dans des données non étiquetées, l’apprentissage par renforcement repose sur un processus itératif d’essai et d’erreur.

Distinction avec l’apprentissage supervisé et non supervisé : 

Dans ce contexte, imaginez l’agent est comme un joueur de jeu vidéo, et l’environnement est le monde virtuel dans lequel il évolue. À chaque étape, l’agent prend une action, et en retour, il reçoit une récompense ou une punition de l’environnement, qui lui indique la qualité de son choix. L’objectif de l’agent est donc de maximiser la récompense cumulée au fil du temps en apprenant quelles actions mènent aux résultats les plus favorables.

Comparé à l’apprentissage supervisé où l’on donne à un modèle des exemples étiquetés, l’apprentissage par renforcement est plus comme un jeu d’essai et d’erreur où l’agent apprend en explorant son environnement et en ajustant ses actions en fonction des résultats obtenus. C’est donc un peu comme si vous appreniez à jouer à un nouveau jeu vidéo en essayant différentes stratégies et en observant comment elles affectent votre progression.

En revanche, dans l’apprentissage non supervisé, il n’y a pas de feedback explicite sur la qualité des actions prises. Le modèle cherche simplement à découvrir des structures ou des motifs dans les données sans supervision externe. C’est donc un peu comme si vous exploriez une forêt sans carte ni guide, en espérant découvrir des schémas intéressants dans le paysage.

Récapitulatif : 

Ainsi, l’apprentissage par renforcement se distingue par son processus itératif et interactif, où l’agent apprend à travers l’expérience en cherchant à maximiser une récompense cumulative. C’est une approche fascinante qui trouve des applications dans une variété de domaines, de la robotique aux jeux vidéo en passant par la publicité en ligne, ouvrant la voie à de nouvelles façons d’interagir avec et d’apprendre de notre environnement.

De plus, Excel sert souvent d’outil indispensable pour la préparation et l’analyse des données nécessaires à l’entraînement des modèles d’apprentissage par renforcement, soulignant ainsi son importance dans ce processus innovant.

Apprenez donc à l’utiliser correctement grâce à la formation ci-dessous. 

Composants de l'apprentissage par renforcement :

L’apprentissage par renforcement repose sur plusieurs composants essentiels qui interagissent pour permettre à un agent d’apprendre à prendre des décisions dans un environnement dynamique.

L’agent constitue donc le cœur de ce processus. Il représente l’entité capable d’interagir avec l’environnement en prenant des actions. Ces actions peuvent donc être aussi simples que déplacer un pion sur un plateau de jeu ou aussi complexes que contrôler les moteurs d’un robot.

En revanche, l’environnement fournit le contexte dans lequel l’agent évolue et agit. Cela peut inclure des éléments physiques tels que des obstacles ou des ressources, ainsi que des aspects abstraits comme les règles d’un jeu ou les préférences des utilisateurs dans le cas de la publicité en ligne. L’agent perçoit l’état actuel de l’environnement et prend des décisions en fonction de ces informations.

Actions : Les choix disponibles à l’agent

Les actions représentent les choix disponibles à l’agent à chaque étape de l’interaction. Ces choix peuvent être discrets, comme sélectionner une action parmi un ensemble prédéfini, ou continus, ce qui signifie que l’agent doit choisir une valeur dans un intervalle continu. Par exemple, dans le cas d’un robot, les actions pourraient inclure des mouvements spécifiques ou des ajustements de vitesse et de direction.

États : Les conditions de l’environnement qui affectent les résultats des actions de l’agent

Les états sont les conditions de l’environnement qui affectent les résultats des actions de l’agent. Chaque état représente une configuration unique de l’environnement à un moment donné. L’agent utilise donc ces états pour prendre des décisions et choisir les actions les plus appropriées pour atteindre ses objectifs.

Récompense : Le signal utilisé par l’agent pour évaluer ses actions

Enfin, la récompense agit comme un signal utilisé par l’agent pour évaluer ses actions. Cette récompense peut être positive, négative ou neutre et reflète la qualité de la décision prise par l’agent dans un état donné. L’objectif de l’agent est généralement de maximiser la récompense cumulée sur une période de temps donnée, ce qui l’incite à apprendre des stratégies qui conduisent à de meilleures performances au fil du temps.

Algorithmes d'apprentissage par renforcement :

Les algorithmes de l'apprentissage par renforcement

Les algorithmes classiques d’apprentissage par renforcement offrent un cadre essentiel pour l’exploration et l’exploitation dans des environnements dynamiques. Parmi ces algorithmes, Q-learning, SARSA et Policy Gradient occupent une place centrale. Chacun de ces algorithmes a ses propres caractéristiques et applications, mais ils partagent tous l’objectif commun d’apprendre à prendre des décisions séquentielles afin de maximiser la récompense cumulée au fil du temps.

Q-learning : 

Q-learning, l’un des algorithmes les plus fondamentaux de l’apprentissage par renforcement, fonctionne en estimant la valeur d’action pour chaque paire état-action. En utilisant une fonction de valeur d’action, le Q-learning met à jour ses estimations en fonction des récompenses reçues et des valeurs futures attendues, ce qui lui permet d’apprendre progressivement les actions optimales dans divers états de l’environnement.

L’essence de Q-learning réside donc dans son approche de l’exploitation des connaissances acquises pour prendre des décisions éclairées tout en continuant à explorer de nouvelles possibilités.

SARSA : 

SARSA, un autre algorithme bien connu, suit une approche différente en mettant à jour ses estimations de valeur d’action en fonction des actions réellement prises par l’agent dans l’environnement.

Contrairement à Q-learning qui utilise une stratégie d’exploration basée sur les valeurs d’action maximales, SARSA suit une politique d’exploration plus prudente, basée sur une politique ε-greedy, où ε représente la probabilité d’exploration. Cette approche permet à SARSA d’ajuster ses estimations de manière plus prudente, en prenant en compte les actions réelles de l’agent dans l’environnement.

Policy Gradient : 

Policy Gradient, quant à lui, adopte une approche différente en cherchant directement à optimiser la politique de l’agent, c’est-à-dire la distribution des actions dans chaque état.

Plutôt que de s’appuyer sur des estimations de valeur, Policy Gradient utilise des méthodes d’optimisation pour ajuster les paramètres de la politique afin de maximiser la récompense cumulée au fil du temps. Cette approche est particulièrement efficace dans des environnements où la structure de la politique est complexe ou non linéaire.

Applications de l'apprentissage par renforcement :

Les applications de l'apprentissage par renforcement

Jeux :

Dans le domaine des jeux vidéo, l’apprentissage par renforcement a révolutionné la manière dont les algorithmes peuvent apprendre à jouer et à s’améliorer de manière autonome. Des entreprises telles que DeepMind ont utilisé des approches d’apprentissage par renforcement pour entraîner des agents capables de maîtriser des jeux vidéo classiques tels que les jeux Atari, ainsi que des jeux de stratégie complexes tels que Go et les échecs.

Ces agents apprennent donc à prendre des décisions en fonction des récompenses obtenues lors de leurs interactions avec l’environnement virtuel, ce qui leur permet de développer des stratégies gagnantes.

Robotique :

Dans le domaine de la robotique, l’apprentissage par renforcement est  utilisé pour permettre à des robots autonomes d’accomplir une variété de tâches complexes. Les robots peuvent donc apprendre à manipuler des objets, à naviguer dans des environnements inconnus et même à interagir avec des humains de manière sûre et efficace. Par exemple, les robots peuvent être formés à l’aide d’algorithmes d’apprentissage par renforcement pour effectuer des tâches telles que le tri des déchets, la livraison de colis dans des entrepôts ou même l’assistance aux personnes âgées dans leur vie quotidienne.

Publicité en ligne :

En ce qui concerne la publicité en ligne, l’apprentissage par renforcement est devenu un outil précieux pour les spécialistes du marketing numérique. Les entreprises peuvent donc utiliser des algorithmes d’apprentissage par renforcement pour optimiser leurs stratégies publicitaires en ligne afin de maximiser les clics, les conversions et les revenus.

En analysant les interactions des utilisateurs avec les publicités et en ajustant automatiquement les campagnes publicitaires en fonction des récompenses perçues, les entreprises peuvent ainsi améliorer considérablement leur retour sur investissement ( ROI ) publicitaire et atteindre leurs objectifs commerciaux plus efficacement.

Tendances et avancées récentes :

1. Apprentissage par renforcement profond (Deep Reinforcement Learning) : 

En effet, l’intégration des réseaux neuronaux profonds marque une avancée significative dans le domaine de l’apprentissage par renforcement. Le recours à des architectures profondes permet en effet aux chercheurs de gérer des tâches plus complexes et des environnements plus vastes.

Ces réseaux neuronaux profonds font donc en sorte que les agents apprennent des représentations hiérarchiques des états et des actions, ce qui leur permet de généraliser plus efficacement à partir de l’expérience passée.

2. Méthodes de généralisation : 

Un défi majeur dans l’apprentissage par renforcement est de généraliser les connaissances apprises d’un domaine à un autre. Les récentes avancées se concentrent sur le développement de techniques de généralisation robustes.

Ces méthodes permettent aux modèles entraînés dans un environnement spécifique de transférer leurs connaissances à des domaines similaires. Cela peut donc être réalisé en introduisant des mécanismes d’apprentissage multi-domaines, en utilisant des techniques d’augmentation de données ou en adaptant les méthodes d’apprentissage par transfert.

3. Impact sur les applications pratiques

L’intégration de l’apprentissage par renforcement profond et des méthodes de généralisation a des implications significatives pour une variété d’applications pratiques.

Dans le domaine des jeux, par exemple, les agents basés sur le deep reinforcement learning peuvent rivaliser avec des joueurs humains dans des jeux complexes tels que Dota 2 et StarCraft II.

En robotique, ces avancées permettent aux robots d’apprendre des politiques de contrôle plus robustes et adaptables, conduisant à des performances améliorées dans des environnements réels variés.

4. Défis à surmonter

Malgré ces avancées prometteuses, il reste des défis à surmonter dans le domaine de l’apprentissage par renforcement. L’entraînement de modèles de deep reinforcement learning nécessite souvent des quantités massives de données et de puissance de calcul, ce qui peut rendre le processus coûteux et inefficace.

Pour atténuer ces défis, l’utilisation judicieuse d’outils tels que Power BI ou Excel peut jouer un rôle crucial. Ces plates-formes offrent des fonctionnalités avancées pour la gestion et l’analyse de données massives, ce qui peut permettre une utilisation plus efficace des ressources disponibles et réduire les coûts associés à l’entraînement des modèles.

De plus, elles peuvent faciliter la collaboration entre les chercheurs et les praticiens en fournissant des outils intuitifs pour explorer et visualiser les résultats des expériences d’apprentissage par renforcement, ce qui contribue à une meilleure compréhension des défis et des solutions potentielles.

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