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Este tutorial é um guia passo a passo sobre como usar a biblioteca TF-Agents para problemas contextuais de bandidos onde as ações (braços) têm seus próprios recursos, como uma lista de filmes representados por recursos (gênero, ano de lançamento, ...).
Pré-requisito
Supõe-se que o leitor está um pouco familiarizado com a biblioteca do bandido de TF-agentes, em particular, tem trabalhado através do tutorial para Bandits em TF-Agents antes de ler este tutorial.
Bandidos multi-armados com recursos de braço
No cenário "clássico" de Bandidos Multi-Armados Contextuais, um agente recebe um vetor de contexto (também conhecido como observação) a cada passo de tempo e tem que escolher a partir de um conjunto finito de ações numeradas (braços) de modo a maximizar sua recompensa cumulativa.
Agora, considere o cenário em que um agente recomenda a um usuário o próximo filme para assistir. Cada vez que uma decisão deve ser tomada, o agente recebe como contexto algumas informações sobre o usuário (histórico de exibição, preferência de gênero, etc ...), bem como a lista de filmes para escolher.
Poderíamos tentar formular este problema fazendo com que as informações do usuário como o contexto e os braços seria movie_1, movie_2, ..., movie_K , mas esta abordagem tem várias deficiências:
- O número de ações teria que ser todos os filmes do sistema e é complicado adicionar um novo filme.
- O agente precisa aprender um modelo para cada filme.
- A similaridade entre os filmes não é levada em consideração.
Em vez de numerar os filmes, podemos fazer algo mais intuitivo: podemos representar filmes com um conjunto de recursos, incluindo gênero, duração, elenco, classificação, ano, etc. As vantagens dessa abordagem são múltiplas:
- Generalização entre filmes.
- O agente aprende apenas uma função de recompensa que os modelos recompensam com recursos do usuário e do filme.
- Fácil de remover ou introduzir novos filmes no sistema.
Nessa nova configuração, o número de ações não precisa ser o mesmo em todas as etapas de tempo.
Bandidos por braço em agentes TF
O conjunto TF-Agents Bandit foi desenvolvido para que também seja possível usá-lo no caso por braço. Existem ambientes por braço e também a maioria das políticas e agentes podem operar no modo por braço.
Antes de mergulharmos na codificação de um exemplo, precisamos das importações necessárias.
Instalação
pip install tf-agents
Importações
import functools
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import tensorflow as tf
from tf_agents.bandits.agents import lin_ucb_agent
from tf_agents.bandits.environments import stationary_stochastic_per_arm_py_environment as p_a_env
from tf_agents.bandits.metrics import tf_metrics as tf_bandit_metrics
from tf_agents.drivers import dynamic_step_driver
from tf_agents.environments import tf_py_environment
from tf_agents.replay_buffers import tf_uniform_replay_buffer
from tf_agents.specs import tensor_spec
from tf_agents.trajectories import time_step as ts
nest = tf.nest
Parâmetros - Sinta-se à vontade para brincar
# The dimension of the global features.
GLOBAL_DIM = 40
# The elements of the global feature will be integers in [-GLOBAL_BOUND, GLOBAL_BOUND).
GLOBAL_BOUND = 10
# The dimension of the per-arm features.
PER_ARM_DIM = 50
# The elements of the PER-ARM feature will be integers in [-PER_ARM_BOUND, PER_ARM_BOUND).
PER_ARM_BOUND = 6
# The variance of the Gaussian distribution that generates the rewards.
VARIANCE = 100.0
# The elements of the linear reward parameter will be integers in [-PARAM_BOUND, PARAM_BOUND).
PARAM_BOUND = 10
NUM_ACTIONS = 70
BATCH_SIZE = 20
# Parameter for linear reward function acting on the
# concatenation of global and per-arm features.
reward_param = list(np.random.randint(
-PARAM_BOUND, PARAM_BOUND, [GLOBAL_DIM + PER_ARM_DIM]))
Um ambiente simples por braço
O ambiente estocástico estacionário, explicado na outra tutorial , tem uma contrapartida per-braço.
Para inicializar o ambiente por braço, é necessário definir funções que geram
- global e características per-braço: Estas funções não têm parâmetros de entrada e gerar um único (global ou por braço) vector recurso quando chamado.
- recompensa: Esta função toma como parâmetro a concatenação de um um vetor de características per-braço global e, e gera uma recompensa. Basicamente é esta a função que o agente terá de “adivinhar”. É importante notar aqui que, no caso por braço, a função de recompensa é idêntica para todos os braços. Esta é uma diferença fundamental do caso clássico do bandido, onde o agente deve estimar as funções de recompensa para cada braço de forma independente.
def global_context_sampling_fn():
"""This function generates a single global observation vector."""
return np.random.randint(
-GLOBAL_BOUND, GLOBAL_BOUND, [GLOBAL_DIM]).astype(np.float32)
def per_arm_context_sampling_fn():
""""This function generates a single per-arm observation vector."""
return np.random.randint(
-PER_ARM_BOUND, PER_ARM_BOUND, [PER_ARM_DIM]).astype(np.float32)
def linear_normal_reward_fn(x):
"""This function generates a reward from the concatenated global and per-arm observations."""
mu = np.dot(x, reward_param)
return np.random.normal(mu, VARIANCE)
Agora estamos equipados para inicializar nosso ambiente.
per_arm_py_env = p_a_env.StationaryStochasticPerArmPyEnvironment(
global_context_sampling_fn,
per_arm_context_sampling_fn,
NUM_ACTIONS,
linear_normal_reward_fn,
batch_size=BATCH_SIZE
)
per_arm_tf_env = tf_py_environment.TFPyEnvironment(per_arm_py_env)
Abaixo podemos verificar o que esse ambiente produz.
print('observation spec: ', per_arm_tf_env.observation_spec())
print('\nAn observation: ', per_arm_tf_env.reset().observation)
action = tf.zeros(BATCH_SIZE, dtype=tf.int32)
time_step = per_arm_tf_env.step(action)
print('\nRewards after taking an action: ', time_step.reward)
observation spec: {'global': TensorSpec(shape=(40,), dtype=tf.float32, name=None), 'per_arm': TensorSpec(shape=(70, 50), dtype=tf.float32, name=None)}
An observation: {'global': <tf.Tensor: shape=(20, 40), dtype=float32, numpy=
array([[ -9., -4., -3., 3., 5., -9., 6., -5., 4., -8., -6.,
-1., -7., -5., 7., 8., 2., 5., -8., 0., -4., 4.,
-1., -1., -4., 6., 8., 6., 9., -5., -1., -1., 2.,
5., -1., -8., 1., 0., 0., 5.],
[ 5., 7., 0., 3., -8., -7., -5., -2., -8., -7., -7.,
-8., 5., -3., 5., 4., -5., 2., -6., -10., -4., -2.,
2., -1., -1., 8., -7., 7., 2., -3., -10., -1., -4.,
-7., 3., 4., 8., -2., 9., 5.],
[ -6., -2., -1., -1., 6., -3., 4., 9., 2., -2., 3.,
1., 0., -7., 5., 5., -8., -4., 5., 7., -10., -4.,
5., 6., 8., -10., 7., -1., -8., -8., -6., -6., 4.,
-10., -8., 3., 8., -9., -5., 8.],
[ -1., 8., -8., -7., 9., 2., -6., 8., 4., -2., 1.,
8., -4., 3., 1., -6., -9., 3., -5., 7., -9., 6.,
6., -3., 1., 2., -1., 3., 7., 4., -8., 1., 1.,
3., -4., 1., -4., -5., -9., 4.],
[ -9., 8., 9., -8., 2., 9., -1., -9., -1., 9., -8.,
-4., 1., 1., 9., 6., -6., -10., -6., 2., 6., -4.,
-7., -2., -7., -8., -4., 5., -6., -1., 8., -3., -7.,
4., -9., -9., 6., -9., 6., -2.],
[ 0., -6., -5., -8., -10., 2., -4., 9., 9., -1., 5.,
-7., -1., -3., -10., -10., 3., -2., -7., -9., -4., -8.,
-4., -1., 7., -2., -4., -4., 9., 2., -2., -8., 6.,
5., -4., 7., 0., 6., -3., 2.],
[ 8., 5., 3., 5., 9., 4., -10., -5., -4., -4., -5.,
3., 5., -4., 9., -2., -7., -6., -2., -8., -7., -10.,
0., -2., 3., 1., -10., -8., 3., 9., -5., -6., 1.,
-7., -1., 3., -7., -2., 1., -1.],
[ 3., 9., 8., 6., -2., 9., 9., 7., 0., 5., -5.,
6., 9., 3., 2., 9., 4., -1., -3., 3., -1., -4.,
-9., -1., -3., 8., 0., 4., -1., 4., -3., 4., -5.,
-3., -6., -4., 7., -9., -7., -1.],
[ 5., -1., 9., -5., 8., 7., -7., -5., 0., -4., -5.,
6., -3., -1., 7., 3., -7., -9., 6., 4., 9., 6.,
-3., 3., -2., -6., -4., -7., -5., -6., -2., -1., -9.,
-4., -9., -2., -7., -6., -3., 6.],
[ -7., 1., -8., 1., -8., -9., 5., 1., -4., -2., -5.,
3., -1., -4., -4., 5., 0., -10., -4., -1., -5., 3.,
8., -5., -4., -10., -8., -6., -10., -1., -6., 1., 7.,
8., 6., -2., -4., -9., 7., -1.],
[ -2., 3., 8., -5., 0., 5., 8., -5., 6., -8., 5.,
8., -5., -5., -5., -10., 4., 8., -4., -7., 4., -6.,
-9., -8., -5., 4., -1., -2., -7., -10., -6., -8., -6.,
3., 1., 6., 9., 6., -8., -3.],
[ 9., -6., -2., -10., 2., -8., 8., -7., -5., 8., -10.,
4., -5., 9., 7., 9., -2., -9., -5., -2., 9., 0.,
-6., 2., 4., 6., -7., -4., -5., -7., -8., -8., 8.,
-7., -1., -5., 0., -7., 7., -6.],
[ -1., -3., 1., 8., 4., 7., -1., -8., -4., 6., 9.,
5., -10., 4., -4., 5., -2., 0., 3., 4., 3., -5.,
-2., 7., 4., -4., -9., 9., -6., -5., -8., 4., -10.,
-6., 3., 0., 6., -10., 4., 3.],
[ 8., 8., -5., 0., -7., 5., -6., -8., 2., -3., -5.,
5., 0., 6., -10., 3., -4., 1., -8., -9., 6., -5.,
5., -10., 1., 0., 3., 5., 2., -9., -6., 9., 7.,
9., -10., 4., -4., -10., -5., 1.],
[ 8., 3., -5., -2., -8., -6., 6., -7., 8., 1., -8.,
0., -2., 3., -6., 0., -10., 6., -8., -2., -5., 4.,
-1., -9., -7., 3., -1., -4., -1., -10., -3., -7., -3.,
4., -7., -6., -1., 9., -3., 2.],
[ 8., 7., 6., -5., -3., 0., 1., -2., 0., -3., 9.,
-8., 5., 1., 1., 1., -5., 4., -4., 0., -4., -3.,
7., -10., 3., 6., 4., 5., 2., -7., 0., -3., -5.,
2., -6., 4., 5., 8., -1., -3.],
[ 8., -9., -4., 8., -2., 9., 5., 5., -3., -4., 0.,
-5., 5., -2., -10., -4., -3., 5., 8., 6., -2., -2.,
-1., -8., -5., -9., 1., -1., 5., 6., 4., 9., -5.,
6., -2., 7., -7., -9., 4., 2.],
[ 2., 4., 6., 2., 6., -6., -2., 5., 8., 1., 3.,
8., 6., 9., -3., -1., 4., 7., -5., 7., 0., -10.,
9., -6., -4., -7., 1., -2., -2., 3., -1., 2., 5.,
8., 4., -9., 1., -4., 9., 6.],
[ -8., -5., 9., 3., 9., -10., -8., 3., -8., 0., -4.,
-8., -3., -4., -3., 0., 8., 3., -10., 7., 7., -3.,
8., 4., -3., 9., 3., 7., 2., 7., -8., -3., -4.,
-7., 3., -9., -10., 2., 5., 7.],
[ 5., -7., -8., 6., -8., 1., -8., 4., 2., 6., -6.,
-5., 4., -1., 3., -8., -3., 6., 5., -5., 1., -7.,
8., -10., 8., 1., 3., 7., 2., 2., -1., 1., -3.,
7., 1., 6., -6., 0., -9., 6.]], dtype=float32)>, 'per_arm': <tf.Tensor: shape=(20, 70, 50), dtype=float32, numpy=
array([[[ 5., -6., 4., ..., -3., 3., 4.],
[-5., -6., -4., ..., 3., 4., -4.],
[ 1., -1., 5., ..., -1., -3., 1.],
...,
[ 3., 3., -5., ..., 4., 4., 0.],
[ 5., 1., -3., ..., -2., -2., -3.],
[-6., 4., 2., ..., 4., 5., -5.]],
[[-5., -3., 1., ..., -2., -1., 1.],
[ 1., 4., -1., ..., -1., -4., -4.],
[ 4., -6., 5., ..., 2., -2., 4.],
...,
[ 0., 4., -4., ..., -1., -3., 1.],
[ 3., 4., 5., ..., -5., -2., -2.],
[ 0., 4., -3., ..., 5., 1., 3.]],
[[-2., -6., -6., ..., -6., 1., -5.],
[ 4., 5., 5., ..., 1., 4., -4.],
[ 0., 0., -3., ..., -5., 0., -2.],
...,
[-3., -1., 4., ..., 5., -2., 5.],
[-3., -6., -2., ..., 3., 1., -5.],
[ 5., -3., -5., ..., -4., 4., -5.]],
...,
[[ 4., 3., 0., ..., 1., -6., 4.],
[-5., -3., 5., ..., 0., -1., -5.],
[ 0., 4., 3., ..., -2., 1., -3.],
...,
[-5., -2., -5., ..., -5., -5., -2.],
[-2., 5., 4., ..., -2., -2., 2.],
[-1., -4., 4., ..., -5., 2., -3.]],
[[-1., -4., 4., ..., -3., -5., 4.],
[-4., -6., -2., ..., -1., -6., 0.],
[ 0., 0., 5., ..., 4., -4., 0.],
...,
[ 2., 3., 5., ..., -6., -5., 5.],
[-5., -5., 2., ..., 0., 4., -2.],
[ 4., -5., -4., ..., -5., -5., -1.]],
[[ 3., 0., 2., ..., 2., 1., -3.],
[-5., -4., 3., ..., -6., 0., -2.],
[-4., -5., 3., ..., -6., -3., 0.],
...,
[-6., -6., 4., ..., -1., -5., -2.],
[-4., 3., -1., ..., 1., 4., 4.],
[ 5., 2., 2., ..., -3., 1., -4.]]], dtype=float32)>}
Rewards after taking an action: tf.Tensor(
[-130.17787 344.98013 371.39893 75.433975 396.35742
-176.46881 56.62174 -158.03278 491.3239 -156.10696
-1.0527252 -264.42285 22.356699 -395.89832 125.951546
142.99467 -322.3012 -24.547596 -159.47539 -44.123775 ], shape=(20,), dtype=float32)
Vemos que a especificação de observação é um dicionário com dois elementos:
- Um com chave
'global': esta é a parte global de contexto, com forma correspondente ao parâmetroGLOBAL_DIM. - Uma chave com
'per_arm': este é o contexto por braço, e a sua forma é[NUM_ACTIONS, PER_ARM_DIM]. Esta parte é o espaço reservado para os recursos do braço para cada braço em uma etapa de tempo.
O Agente LinUCB
O agente LinUCB implementa o algoritmo Bandit de nome idêntico, que estima o parâmetro da função de recompensa linear enquanto também mantém um elipsóide de confiança em torno da estimativa. O agente escolhe o braço que tem a maior recompensa esperada estimada, supondo que o parâmetro esteja dentro do elipsóide de confiança.
A criação de um agente requer o conhecimento da observação e da especificação da ação. Ao definir o agente, vamos definir o parâmetro boolean accepts_per_arm_features definido para True .
observation_spec = per_arm_tf_env.observation_spec()
time_step_spec = ts.time_step_spec(observation_spec)
action_spec = tensor_spec.BoundedTensorSpec(
dtype=tf.int32, shape=(), minimum=0, maximum=NUM_ACTIONS - 1)
agent = lin_ucb_agent.LinearUCBAgent(time_step_spec=time_step_spec,
action_spec=action_spec,
accepts_per_arm_features=True)
O fluxo de dados de treinamento
Esta seção oferece uma visão geral da mecânica de como os recursos por braço vão da política ao treinamento. Sinta-se à vontade para pular para a próxima seção (Definindo a métrica do arrependimento) e volte aqui mais tarde se estiver interessado.
Primeiro, vamos dar uma olhada na especificação de dados no agente. O training_data_spec atributo especifica agente que elementos e estruturar os dados de treinamento deve ter.
print('training data spec: ', agent.training_data_spec)
training data spec: Trajectory(
{'action': BoundedTensorSpec(shape=(), dtype=tf.int32, name=None, minimum=array(0, dtype=int32), maximum=array(69, dtype=int32)),
'discount': BoundedTensorSpec(shape=(), dtype=tf.float32, name='discount', minimum=array(0., dtype=float32), maximum=array(1., dtype=float32)),
'next_step_type': TensorSpec(shape=(), dtype=tf.int32, name='step_type'),
'observation': {'global': TensorSpec(shape=(40,), dtype=tf.float32, name=None)},
'policy_info': PerArmPolicyInfo(log_probability=(), predicted_rewards_mean=(), multiobjective_scalarized_predicted_rewards_mean=(), predicted_rewards_optimistic=(), predicted_rewards_sampled=(), bandit_policy_type=(), chosen_arm_features=TensorSpec(shape=(50,), dtype=tf.float32, name=None)),
'reward': TensorSpec(shape=(), dtype=tf.float32, name='reward'),
'step_type': TensorSpec(shape=(), dtype=tf.int32, name='step_type')})
Se tivermos um olhar mais atento para a observation parte da especificação, vemos que ele não contém características per-braço!
print('observation spec in training: ', agent.training_data_spec.observation)
observation spec in training: {'global': TensorSpec(shape=(40,), dtype=tf.float32, name=None)}
O que aconteceu com os recursos por braço? Para responder a esta pergunta, primeiro notamos que quando os trens agente LinUCB, ele não precisa as características per-braço de todas as armas, ele só precisa aqueles do braço escolhido. Assim, faz sentido para soltar o tensor de forma [BATCH_SIZE, NUM_ACTIONS, PER_ARM_DIM] , uma vez que é muito dispendioso, especialmente se o número de acções é grande.
Mesmo assim, os recursos por braço do braço escolhido devem estar em algum lugar! Para este fim, temos certeza de que as lojas de política LinUCB as características do braço escolhido dentro do policy_info campo dos dados de treinamento:
print('chosen arm features: ', agent.training_data_spec.policy_info.chosen_arm_features)
chosen arm features: TensorSpec(shape=(50,), dtype=tf.float32, name=None)
Vemos a partir da forma que o chosen_arm_features campo tem apenas o vetor de características de um braço, e que será o braço escolhido. Note que o policy_info , e com ele os chosen_arm_features , faz parte dos dados de treinamento, como vimos a partir de inspecionar a especificação de dados de treinamento, e, portanto, ele está disponível em tempo de treinamento.
Definindo a métrica de arrependimento
Antes de iniciar o loop de treinamento, definimos algumas funções de utilidade que ajudam a calcular o arrependimento de nosso agente. Essas funções ajudam a determinar a recompensa esperada ótima dado o conjunto de ações (dado por seus recursos de braço) e o parâmetro linear que está oculto do agente.
def _all_rewards(observation, hidden_param):
"""Outputs rewards for all actions, given an observation."""
hidden_param = tf.cast(hidden_param, dtype=tf.float32)
global_obs = observation['global']
per_arm_obs = observation['per_arm']
num_actions = tf.shape(per_arm_obs)[1]
tiled_global = tf.tile(
tf.expand_dims(global_obs, axis=1), [1, num_actions, 1])
concatenated = tf.concat([tiled_global, per_arm_obs], axis=-1)
rewards = tf.linalg.matvec(concatenated, hidden_param)
return rewards
def optimal_reward(observation):
"""Outputs the maximum expected reward for every element in the batch."""
return tf.reduce_max(_all_rewards(observation, reward_param), axis=1)
regret_metric = tf_bandit_metrics.RegretMetric(optimal_reward)
Agora estamos prontos para iniciar nosso ciclo de treinamento de bandidos. O driver abaixo se encarrega de escolher as ações usando a política, armazenando recompensas das ações escolhidas no buffer de reprodução, calculando a métrica de arrependimento predefinida e executando a etapa de treinamento do agente.
num_iterations = 20 # @param
steps_per_loop = 1 # @param
replay_buffer = tf_uniform_replay_buffer.TFUniformReplayBuffer(
data_spec=agent.policy.trajectory_spec,
batch_size=BATCH_SIZE,
max_length=steps_per_loop)
observers = [replay_buffer.add_batch, regret_metric]
driver = dynamic_step_driver.DynamicStepDriver(
env=per_arm_tf_env,
policy=agent.collect_policy,
num_steps=steps_per_loop * BATCH_SIZE,
observers=observers)
regret_values = []
for _ in range(num_iterations):
driver.run()
loss_info = agent.train(replay_buffer.gather_all())
replay_buffer.clear()
regret_values.append(regret_metric.result())
WARNING:tensorflow:From /tmp/ipykernel_12052/1190294793.py:21: ReplayBuffer.gather_all (from tf_agents.replay_buffers.replay_buffer) is deprecated and will be removed in a future version. Instructions for updating: Use `as_dataset(..., single_deterministic_pass=True)` instead.
Agora vamos ver o resultado. Se fizermos tudo certo, o agente é capaz de estimar bem a função de recompensa linear e, portanto, a política pode escolher ações cuja recompensa esperada esteja próxima da ótima. Isso é indicado por nossa métrica de arrependimento definida acima, que diminui e se aproxima de zero.
plt.plot(regret_values)
plt.title('Regret of LinUCB on the Linear per-arm environment')
plt.xlabel('Number of Iterations')
_ = plt.ylabel('Average Regret')
Qual é o próximo?
O exemplo acima é implementado na nossa base de código onde você pode escolher entre outros agentes, bem como, incluindo o agente de epsilon-Greedy Neural .