Ce petit document est un notebook Jupyter, ayant pour but de présenter le concept de problèmes de bandit, comment les simuler et les résoudre, et deux algorithmes conçus dans ce but.
Je ne vais pas donner beaucoup d'explications mathématiques, je conseille plutôt ce petit article, datant de 2017, en français, écrit par Émilie Kaufmann.
Je préfère me focaliser sur une implémentation simple, claire et concise de chaque morceau nécessaire à la simulation de problèmes et d'algorithmes de bandit. J'utilise le langage de programmation Python.
Dans ce but, j'utilise une approche objet : chaque morceau sera une classe, et des instances (des objets) seront utilisées pour toutes les composantes.
# Dépendances
import numpy as np
import random as rd
import matplotlib as mpl
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns
sns.set(context="notebook", style="whitegrid", palette="hls", font="sans-serif", font_scale=1.4)
from tqdm import tqdm_notebook as tqdm
%load_ext watermark
%watermark -v -m -a "Lilian Besson (Naereen)" -p scipy,numpy,matplotlib,sympy,seaborn -g
Lilian Besson (Naereen) CPython 3.6.3 IPython 6.2.1 scipy 1.0.0 numpy 1.14.0 matplotlib 2.1.1 sympy 1.1.1 seaborn 0.8.1 compiler : GCC 7.2.0 system : Linux release : 4.13.0-21-generic machine : x86_64 processor : x86_64 CPU cores : 4 interpreter: 64bit Git hash :
Je ne rentrerai pas trop dans les détails ici. Pour plus d'explications, cette page Wikipédia (en français) est très bien faite.
"Dans le problème dit du bandit manchot, un utilisateur fait face à $K \geq 2$ machines à sou. Chacune donnant une récompense moyenne que l'utilisateur ne connait pas à priori. A chacune de ces actions, il va donc sélectionner une machine permettant de maximiser son gain."
On se focalise ici sur des problèmes dits stochastiques : pour chaque bras, $k\in\{1,\dots,K\}$, une distribution de probabilité $\nu_k$ est supposée générer les récompense à chaque sélection. Les récompenses $r_k(t)$ venant du $k$ième bras sont donc "i.i.d." : indépendentes (les unes des autres) et identiquement distribuées, selon $\nu_k$ : $$ \forall t \geq 1, \;\; r_k(t) \sim \nu_k. $$
Un des exemples les plus simples sera de considérer des lois de Bernoulli, avec des récompenses binaires, par exemple pour un traitement médical $r_k(t) = 0$ signifie que le traitement a échoué, et $r_k(t) = 1$ que le traitement a réussi à guérir telle maladie : $$ \forall t \geq 1, r_k(t) \in \{0,1\}, \;\text{et}\; r_k(t) \sim \mathrm{B}(\mu_k). $$
Dans le contexte de la radio intelligente, le vocabulaire change un peu :
Une simple fonction suffira ici, pour initialiser un algorithme, le simuler durant $T$ étapes, et stocker les récompenses et les bras tirés.
Il est important de tout stocker pour ensuite pouvoir afficher différentes statistiques sur l'expérience, permettant d'évaluer l'efficacité des différentes algorithmes.
Je préfère donner directement cette fonction afin de fixer les signatures des différentes classes qu'on va écrire ensuite :
tire()
qui donne $r_k(t) \sim \nu_k$ à l'instant $t$ pour la distribution $\nu_k$ du $k^{\text{ième}}$ bras, noté r_k_t
.commence()
pour initialiser l'algorithme, une fois,A_t = choix()
pour choisir un bras, à chaque instant $t$, noté $A(t) \in \{1,\dots,K\}$,recompense(A_t, r_k_t)
pour donner la récompense r_k_t
tirée du bras A_t
.def simulation(bras, algorithme, horizon):
""" Simule l'algorithme donné sur ces bras, durant horizon étapes."""
choix, recompenses = np.zeros(horizon), np.zeros(horizon)
# 1. Initialise l'algorithme
algorithme.commence()
# 2. Boucle en temps, pour t = 0 à horizon - 1
for t in range(horizon):
# 2.a. L'algorithme choisi son bras à essayer
A_t = algorithme.choix()
# 2.b. Le bras k donne une récompense
r_k_t = bras[A_t].tire()
# 2.c. La récompense est donnée à l'algorithme
algorithme.recompense(A_t, r_k_t)
# 2.d. On stocke les deux
choix[t] = A_t
recompenses[t] = r_k_t
# 3. On termine en renvoyant ces deux vecteurs
return recompenses, choix
Les récompenses de tels bras, notées $r_k(t)$ pour le bras $k$ à l'instant $t$, sont tirées de façons identiquement distribuées et indépendantes, selon une loi de Bernoulli : $$ \forall t\in\mathbb{N}, \forall k\in\{1,\dots,K\}, r_k(t) \in \{0,1\}, \;\text{et}\; r_k(t) \sim \mathrm{B}(\mu_k). $$
class Bernoulli():
""" Bras distribués selon une loi de Bernoulli."""
def __init__(self, probabilite):
assert 0 <= probabilite <= 1, "Erreur, probabilite doit être entre 0 et 1 pour un bras de Bernoulli."
self.probabilite = probabilite
def tire(self):
""" Tire une récompense aléatoire."""
return float(rd.random() <= self.probabilite)
Par exemple, on peut considérer le problème à trois bras ($K = 3$), caractérisé par ces paramètres $\boldsymbol{\mu} = [\mu_1,\dots,\mu_K] = [0.1, 0.5, 0.9]$ :
mus = [ 0.1, 0.5, 0.9 ]
bras = [ Bernoulli(mu) for mu in mus ]
On peut prendre 10 échantillons de chaque bras, et vérifier leurs moyennes :
rd.seed(10000) # pour être reproductible.
T = 10
exemples_echantillons = [ [ bras_k.tire() for _ in range(T) ] for bras_k in bras ]
exemples_echantillons
[[0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0], [1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 1.0, 1.0, 1.0, 0.0, 0.0], [0.0, 1.0, 1.0, 1.0, 1.0, 1.0, 1.0, 1.0, 1.0, 1.0]]
np.mean(exemples_echantillons, axis=1)
array([0.1, 0.5, 0.9])
C'est assez proche de $\boldsymbol{\mu} = [\mu_1,\dots,\mu_K] = [0.1, 0.5, 0.9]$...
Comme on l'a dit plus haut, les algorithmes ont besoin de trois méthodes :
commence()
pour initialiser l'algorithme, une fois. Généralement, il s'agit de remettre à zero les vecteurs de mémoires internes de l'algorithme, et de mettre $t = 0$.A_t = choix()
pour choisir un bras, à chaque instant $t$, noté $A(t) \in \{1,\dots,K\}$. C'est la partie "intelligente" qui doit être conçue avec soin.recompense(A_t, r_k_t)
pour donner la récompense r_k_t
tirée du bras A_t
. Souvent, il suffit de mettre à jour les deux ou trois vecteurs internes.En fait, il faut aussi une méthode pour créer l'instance de la classe, i.e., une méthode __init__(K)
, qui demande de simplement connaître $K$, le nombre de bras.
Bien-sûr, les algorithmes ne doivent pas connaître $\boldsymbol{\mu} = [\mu_1,\dots,\mu_K]$ les paramètres du problème... Sinon l'apprentissage n'a aucun intérêt : il suffit de viser $k^* = \arg\max_k \mu_k$...
On va commencer par donner deux exemples naïfs :
Un algorithme "stupide" qui choisi un bras de façon complètement uniforme, $A^{1}(t) \sim U(1,\dots,K), \forall t$, à chaque instant $t \in \mathbb{N}$, via la classe ChoixUniforme
.
Un algorithme moins stupide, mais assez naïf, qui utilise un estimateur empirique $\widehat{\mu_k}(t) = \frac{X_k(t)}{N_k(t)}$ de la moyenne de chaque bras, et tire $A^{2}(t) \in \arg\max_k \widehat{\mu_k}(t)$ à chaque instant $t \in \mathbb{N}$. Ici, $X_k(t) = \sum_{\tau=0}^{t} \mathbb{1}(A(\tau) = k) r_k(\tau)$ compte les récompenses accumulées en tirant le bras $k$, sur les instants $t = 0,\dots,\tau$. Et $N_k(t) = \sum_{\tau=0}^{t} \mathbb{1}(A(\tau) = k)$ compte le nombre de sélections de ce bras $k$. Via la classe MoyenneEmpirique
.
ChoixUniforme
¶C'est l'algorithme le plus naïf : à chaque instant, le bras choisi est tiré uniformément dans $\{0,\dots,K-1\}$ (notation Python, on indice à partir de $0$).
class ChoixUniforme(object):
"""Algorithme stupide, choix uniforme."""
def __init__(self, K):
"""Crée l'instance de l'algorithme."""
self.K = K
def commence(self):
"""Initialise l'algorithme : rien à faire ici."""
pass
def choix(self):
"""Choix uniforme d'un indice A(t) ~ U(1...K)."""
return rd.randint(0, self.K - 1)
def recompense(self, k, r):
"""Donne une récompense r tirée sur le bras k à l'algorithme : rien à faire ici."""
pass
MoyenneEmpirique
¶Voilà qui donne une bonne idée de la structure que vont devoir suivre les différentes algorithmes.
L'algorithme suivant est un peu plus complexe. Il est aussi appelé "Follow the Leader" (FTL).
class MoyenneEmpirique(object):
"""Algorithme naïf, qui utilise la moyenne empirique."""
def __init__(self, K):
"""Crée l'instance de l'algorithme."""
self.K = K
# Il nous faut de la mémoire interne
self.recompenses = np.zeros(K) # X_k(t) pour chaque k
self.tirages = np.zeros(K) # N_k(t) pour chaque k
self.t = 0 # Temps t interne
def commence(self):
"""Initialise l'algorithme : remet à zeros chaque X_k et N_k, et t = 0."""
self.recompenses.fill(0)
self.tirages.fill(0)
self.t = 0
def choix(self):
"""Si on a vu tous les bras, on prend celui de moyenne empirique la plus grande."""
# 1er cas : il y a encore des bras qu'on a jamais vu
if np.min(self.tirages) == 0:
k = np.min(np.where(self.tirages == 0)[0])
# 2nd cas : tous les bras ont été essayé
else:
# Notez qu'on aurait pu ne stocker que ce vecteur moyennes_empiriques
moyennes_empiriques = self.recompenses / self.tirages
k = np.argmax(moyennes_empiriques)
self.t += 1 # Inutile ici
return k
def recompense(self, k, r):
"""Donne une récompense r tirée sur le bras k à l'algorithme : met à jour les deux vecteurs internes."""
self.recompenses[k] += r
self.tirages[k] += 1
Il s'agit d'une amélioration de l'algorithme précédent, où on utilise un autre indice.
Au lieu d'utiliser la moyenne empirique $g_k(t) = \widehat{\mu_k}(t) = \frac{X_k(t)}{N_k(t)}$ et $A(t) = \arg\max_k g_k(t)$, on utilise une borne supérieure d'un intervalle de confiance autour de cette moyenne : $$g'_k(t) = \widehat{\mu_k}(t) + \sqrt{\alpha \frac{\log t}{N_k(t)}}.$$ Et cet indice est toujours utilisé pour décider le bras à essayer à chaque instant : $$A^{\mathrm{UCB}1}(t) = \arg\max_k g'_k(t).$$
Il faut une constante $\alpha \geq 0$, qu'on choisira $\alpha \geq \frac12$ pour avoir des performances raisonnables. $\alpha$ contrôle le compromis entre exploitation et exploration, et ne doit pas être trop grand. $\alpha = 1$ est un bon choix par défaut.
On va gagner du temps en héritant de la classe
MoyenneEmpirique
précédente. Ça permet de ne pas réécrire les méthodes qui sont déjà bien écrites.
class UCB1(MoyenneEmpirique):
"""Algorithme UCB1."""
def __init__(self, K, alpha=1):
"""Crée l'instance de l'algorithme. Par défaut, alpha=1."""
super(UCB1, self).__init__(K) # On laisse la classe mère faire le travaille
assert alpha >= 0, "Erreur : alpha doit etre >= 0."
self.alpha = alpha
def choix(self):
"""Si on a vu tous les bras, on prend celui d'indice moyenne empirique + UCB le plus grand."""
self.t += 1 # Nécessaire ici
# 1er cas : il y a encore des bras qu'on a jamais vu
if np.min(self.tirages) == 0:
k = np.min(np.where(self.tirages == 0)[0])
# 2nd cas : tous les bras ont été essayé
else:
moyennes_empiriques = self.recompenses / self.tirages
ucb = np.sqrt(self.alpha * np.log(self.t) / self.tirages)
indices = moyennes_empiriques + ucb
k = np.argmax(indices)
return k
On peut rapidement implémenter deux variantes d'UCB, UCB-V qui utilise les carrés des récompenses pour estimer la variance de chaque bras et calculer un meilleur intervalle de confiance, et UCB-H qui utilise la connaissance de l'horizon $T$ de l'expérience pour utiliser $\sqrt{\log(T) / N_k(t)}$ à la place de $\sqrt{\log(t) / N_k(t)}$ et obtenir de meilleures performances.
class UCBV(MoyenneEmpirique):
"""Algorithme UCBV."""
def __init__(self, K, alpha=1):
"""Crée l'instance de l'algorithme. Par défaut, alpha=1."""
super(UCBV, self).__init__(K) # On laisse la classe mère faire le travaille
assert alpha >= 0, "Erreur : alpha doit etre >= 0."
self.alpha = alpha
self.recompensesCarrees = np.zeros(K) # somme des r_k(t)^2 pour chaque k
def recompense(self, k, r):
"""Donne une récompense r tirée sur le bras k à l'algorithme : met à jour les deux vecteurs internes."""
self.recompenses[k] += r
self.recompensesCarrees[k] += r ** 2
self.tirages[k] += 1
def choix(self):
"""Si on a vu tous les bras, on prend celui d'indice moyenne empirique + UCB le plus grand."""
self.t += 1 # Nécessaire ici
# 1er cas : il y a encore des bras qu'on a jamais vu
if np.min(self.tirages) == 0:
k = np.min(np.where(self.tirages == 0)[0])
# 2nd cas : tous les bras ont été essayé
else:
moyennes_empiriques = self.recompenses / self.tirages
variance = (self.recompensesCarrees / self.tirages) - moyennes_empiriques ** 2 # Estimee de la variance
ucb = np.sqrt(self.alpha * np.log(self.t) * variance / self.tirages) + 3.0 * np.log(self.t) / self.tirages
indices = moyennes_empiriques + ucb
k = np.argmax(indices)
return k
Et pour UCBH :
class UCBH(MoyenneEmpirique):
"""Algorithme UCBH."""
def __init__(self, K, horizon, alpha=1):
"""Crée l'instance de l'algorithme. Par défaut, alpha=1."""
super(UCBH, self).__init__(K) # On laisse la classe mère faire le travaille
self.horizon = int(horizon)
assert alpha >= 0, "Erreur : alpha doit etre >= 0."
self.alpha = alpha
def choix(self):
"""Si on a vu tous les bras, on prend celui d'indice moyenne empirique + UCB le plus grand."""
self.t += 1 # Nécessaire ici
# 1er cas : il y a encore des bras qu'on a jamais vu
if np.min(self.tirages) == 0:
k = np.min(np.where(self.tirages == 0)[0])
# 2nd cas : tous les bras ont été essayé
else:
moyennes_empiriques = self.recompenses / self.tirages
ucb = np.sqrt(self.alpha * np.log(self.horizon) / self.tirages)
indices = moyennes_empiriques + ucb
k = np.argmax(indices)
return k
Pour $x,y\in\{0,1\}$, $x,y\neq 0,1$, $\mathrm{kl}(x,y)$, on définit la divergence de Kullback-Leibler binaire de $x$ et $y$ comme la KL de deux lois de Bernoulli de moyennes $x$ et $y$, ce qui est défini comme : $$\mathrm{kl}(x,y) := x \log\left(\frac{x}{y}\right) + (1-x)\log\left(\frac{1-x}{1-y}\right).$$
Pour vous facilier la tâche, la fonction $\mathrm{kl}$ est déjà implémentée, ainsi qu'une fonction pour résoudre (de façon approchée) le probl_me d'optimisation contrainte qui définit l'indice $g_k''(t)$.
# Just forcing the ?? in Jupyter to be in the main document (to be saved) and not a floating window.
# Thanks to https://nbviewer.jupyter.org/gist/minrk/7715212
from __future__ import print_function
from IPython.core import page
def myprint(s):
try:
print(s['text/plain'])
except (KeyError, TypeError):
print(s)
page.page = myprint
from kullback import klBern
klBern?
Signature: klBern(x, y) Docstring: Kullback-Leibler divergence for Bernoulli distributions. https://en.wikipedia.org/wiki/Bernoulli_distribution#Kullback.E2.80.93Leibler_divergence >>> klBern(0.5, 0.5) 0.0 >>> klBern(0.1, 0.9) # doctest: +ELLIPSIS 1.757779... >>> klBern(0.9, 0.1) # And this KL is symetric # doctest: +ELLIPSIS 1.757779... >>> klBern(0.4, 0.5) # doctest: +ELLIPSIS 0.020135... >>> klBern(0.01, 0.99) # doctest: +ELLIPSIS 4.503217... - Special values: >>> klBern(0, 1) # Should be +inf, but 0 --> eps, 1 --> 1 - eps # doctest: +ELLIPSIS 34.539575... File: ~/Bureau/Python_code_TP_Odalric/kullback.py Type: function
Il s'agit d'une autre amélioration de l'algorithme précédent, où on utilise un autre indice.
Au lieu d'utiliser une borne supérieure d'un intervalle de confiance autour de cette moyenne, on utilise la pseudo-distance de Kullback-Leibler afin d'obtenir l'intervale de confiance optimal : $$g''_k(t) = \sup\limits_{q \in [0,1]} \left\{ q : \mathrm{kl}(\hat{\mu}_k(t), q) \leq \frac{f(t)}{N_k(t)} \right\}.$$ Et cet indice est toujours utilisé pour décider le bras à essayer à chaque instant : $$A^{\mathrm{KLUCB}}(t) = \arg\max_k g''_k(t).$$
On utilise $$f(t) := \log(t) + c\log\log(t).$$ Il faut une constante $c \geq 0$, qu'on doit choisir $c > 0$ pour simplifier les preuves théoriques. En pratique, $c = 0$ est un bon choix par défaut.
from kullback import klucb
klucb?
# do klucb?? to see the code
Signature: klucb(x, d, kl, upperbound, lowerbound=-inf, precision=1e-06) Docstring: The generic KL-UCB index computation. - x: value of the cum reward, - d: upper bound on the divergence, - kl: the KL divergence to be used (klBern, klGauss, etc), - upperbound, lowerbound=float('-inf'): the known bound of the values x, - precision=1e-6: the threshold from where to stop the research, .. note:: It uses a bisection search. File: ~/Bureau/Python_code_TP_Odalric/kullback.py Type: function
from kullback import klucbBern
klucbBern?
# do klucbBern?? to see the code
Signature: klucbBern(x, d, precision=1e-06) Docstring: KL-UCB index computation for Bernoulli distributions, using :func:`klucb`. - Influence of x: >>> klucbBern(0.1, 0.2) # doctest: +ELLIPSIS 0.378391... >>> klucbBern(0.5, 0.2) # doctest: +ELLIPSIS 0.787088... >>> klucbBern(0.9, 0.2) # doctest: +ELLIPSIS 0.994489... - Influence of d: >>> klucbBern(0.1, 0.4) # doctest: +ELLIPSIS 0.519475... >>> klucbBern(0.1, 0.9) # doctest: +ELLIPSIS 0.734714... >>> klucbBern(0.5, 0.4) # doctest: +ELLIPSIS 0.871035... >>> klucbBern(0.5, 0.9) # doctest: +ELLIPSIS 0.956809... >>> klucbBern(0.9, 0.4) # doctest: +ELLIPSIS 0.999285... >>> klucbBern(0.9, 0.9) # doctest: +ELLIPSIS 0.999995... File: ~/Bureau/Python_code_TP_Odalric/kullback.py Type: function
C'est assez facile avec tout ça :
def f(t, c=0):
return np.log(t) + c * np.log(np.maximum(0, np.log(t)))
class KLUCB(MoyenneEmpirique):
"""Algorithme KLUCB."""
def __init__(self, K, c=0, tolerance=1e-4):
"""Crée l'instance de l'algorithme. Par défaut, c=0."""
super(KLUCB, self).__init__(K) # On laisse la classe mère faire le travaille
assert c >= 0, "Erreur : c doit etre >= 0."
self.c = c
self.tolerance = tolerance
# Version vectorisée
self.klucb = np.vectorize(klucbBern)
def choix(self):
"""Si on a vu tous les bras, on prend celui d'indice KLUCB le plus grand."""
self.t += 1 # Nécessaire ici
# 1er cas : il y a encore des bras qu'on a jamais vu
if np.min(self.tirages) == 0:
k = np.min(np.where(self.tirages == 0)[0])
# 2nd cas : tous les bras ont été essayé
else:
indices = self.klucb(self.recompenses / self.tirages, f(self.t, self.c) / self.tirages, self.tolerance)
k = np.argmax(indices)
return k
Ce petit article explique très bien l'approche bayésienne.
On a besoin de savoir manipuler des posteriors, qui seront les posteriors conjugués des distributions des bras.
Pour des bras de Bernoulli, le posterior conjugué associé est une loi Beta, notée $\mathrm{Beta}(\alpha,\beta)$ pour deux paramètres $\alpha,\beta > 0$.
from numpy.random import beta
class Beta():
"""Posteriors d'expériences de Bernoulli."""
def __init__(self):
self.N = [1, 1]
def reinitialise(self):
self.N = [1, 1]
def echantillon(self):
"""Un échantillon aléatoire de ce posterior Beta."""
return beta(self.N[1], self.N[0])
def observe(self, obs):
"""Ajoute une nouvelle observation. Si 'obs'=1, augmente alpha, sinon si 'obs'=0, augmente beta."""
self.N[int(obs)] += 1
Dès qu'on sait manipuler ces postériors Beta, on peut implémenter rapidement le dernier algorithme, Thompson Sampling.
Les paramètres du posterior sur $\mu_k$, i.e., $\alpha_k(t)$,$\beta_k(t)$ seront mis à jour à chaque étape pour compter le nombre d'observations réussies et échouées : $$ \alpha_k(t) = 1 + X_k(t) \\ \beta_k(t) = 1 + N_k(t) - X_k(t).$$
La moyenne empirique estimant $\mu_k$ sera, à l'instant $t$, $$ \widetilde{\mu_k}(t) = \frac{\alpha_k(t)}{\alpha_k(t) + \beta_k(t)} = \frac{1 + X_k(t)}{2 + N_k(t)} \simeq \frac{X_k(t)}{N_k(t)}.$$
La différence avec UCB1 est que la prise de décision de Thompson Sampling se fait sur un indice, tiré aléatoirement selon les posteriors. C'est une politique d'indice randomisée.
D'un point de vue bayésien, un modèle est tiré selon les posteriors, puis on joue selon le meilleur modèle : $$ g'''_k(t) \sim \mathrm{Beta}(\alpha_k(t), \beta_k(t)) \\ A^{\mathrm{TS}}(t) = \arg\max_k g'''_k(t). $$
class ThompsonSampling(MoyenneEmpirique):
"""Algorithme Thompson Sampling."""
def __init__(self, K, posterior=Beta):
"""Crée l'instance de l'algorithme. Par défaut, alpha=1."""
self.K = K
# On créé K posteriors
self.posteriors = [posterior() for k in range(K)]
def commence(self):
"""Réinitialise les K posteriors."""
for posterior in self.posteriors:
posterior.reinitialise()
def choix(self):
"""On tire K modèles depuis les posteriors, et on joue dans le meilleur."""
moyennes_estimees = [posterior.echantillon() for posterior in self.posteriors]
k = np.argmax(moyennes_estimees)
return k
def recompense(self, k, r):
"""Observe cette récompense r sur le bras k en mettant à jour le kième posterior."""
self.posteriors[k].observe(r)
On va comparer, sur deux problèmes, les 4 algorithmes définis plus haut.
Les problèmes sont caractérisés par les moyennes des bras de Bernoulli, $\boldsymbol{\mu} = [\mu_1,\dots,\mu_K]$, et on les suppose ordonnées par ordre décroissant : $\mu_1 > \mu_2 \ge \dots \ge \mu_K$.
On affichera plusieurs choses, dans des graphiques au cours du temps $t = 0, \dots, T$ pour un horizon $T = 1000$ ou $T = 5000$ étapes :
On définit 4 fonctions d'affichage pour ces quantités.
mpl.rcParams['figure.figsize'] = (15, 8)
def affiche_selections(choix, noms, kstar=0):
plt.figure()
for i, c in enumerate(choix):
selection_kstar = 1.0 * (c == kstar)
selection_moyenne = np.cumsum(selection_kstar) / np.cumsum(np.ones_like(c))
plt.plot(selection_moyenne, label=noms[i])
plt.legend()
plt.xlabel("Temps discret, $t = 1, ..., T = {}$".format(len(choix[0])))
plt.ylabel("Taux de sélection")
plt.title("Sélection du meilleur bras #{} pour différents algorithmes".format(1 + kstar))
plt.show()
def affiche_recompenses(recompenses, noms):
plt.figure()
for i, r in enumerate(recompenses):
recompense_accumulee = np.cumsum(r)
plt.plot(recompense_accumulee, label=noms[i])
plt.legend()
plt.xlabel("Temps discret, $t = 1, ..., T = {}$".format(len(recompenses[0])))
plt.ylabel("Récompenses accumulées")
plt.title("Récompenses accumulées pour différents algorithmes")
plt.show()
def affiche_recompenses_moyennes(recompenses, noms):
plt.figure()
for i, r in enumerate(recompenses):
recompense_moyenne = np.cumsum(r) / np.cumsum(np.ones_like(r))
plt.plot(recompense_moyenne, label=noms[i])
plt.legend()
plt.xlabel("Temps discret, $t = 1, ..., T = {}$".format(len(recompenses[0])))
plt.ylabel(r"Récompenses moyennes $\in [0, 1]$")
plt.title("Récompenses moyennes pour différents algorithmes")
plt.show()
def affiche_regret(recompenses, noms, mustar=1):
plt.figure()
for i, r in enumerate(recompenses):
recompense_accumulee = np.cumsum(r)
regret = mustar * np.cumsum(np.ones_like(r)) - recompense_accumulee
plt.plot(regret, label=noms[i])
plt.legend()
plt.xlabel("Temps discret, $t = 1, ..., T = {}$".format(len(recompenses[0])))
plt.ylabel("Regret")
plt.title("Regret accumulé pour différents algorithmes")
plt.show()
Pour afficher un histogramme, c'est moins évident, mais voici :
def nrows_ncols(N):
"""(nrows, ncols) pour créer un subplots de N figures avec les bonnes dimensions."""
nrows = int(np.ceil(np.sqrt(N)))
ncols = N // nrows
while N > nrows * ncols:
ncols += 1
nrows, ncols = max(nrows, ncols), min(nrows, ncols)
return nrows, ncols
def affiche_hist_regret(recompenses, noms, horizon, mustar=1):
nrows, ncols = nrows_ncols(len(noms))
fig, axes = plt.subplots(nrows, ncols, sharex=False, sharey=False)
fig.suptitle("Histogramme du regret à $t = T = {}$ pour différents algorithmes".format(len(choix[0])))
# XXX See https://stackoverflow.com/a/36542971/
ax0 = fig.add_subplot(111, frame_on=False) # add a big axes, hide frame
ax0.grid(False) # hide grid
ax0.tick_params(labelcolor='none', top='off', bottom='off', left='off', right='off') # hide tick and tick label of the big axes
# Add only once the ylabel, xlabel, in the middle
ax0.set_ylabel("Distribution")
ax0.set_xlabel("Regret")
for i, r in enumerate(recompenses):
x, y = i % nrows, i // nrows
ax = axes[x, y] if ncols > 1 else axes[x]
regret = mustar * horizon - r
ax.hist(regret, normed=True, bins=25)
ax.set_title(noms[i])
plt.show()
On reprend le problème donné plus haut :
horizon = 1000
mus = [0.9, 0.5, 0.1]
bras = [ Bernoulli(mu) for mu in mus ]
K = len(mus)
kstar = np.argmax(mus) # = 0
horizon, mus, bras, K, kstar
(1000, [0.9, 0.5, 0.1], [<__main__.Bernoulli at 0x7f1814c6ba90>, <__main__.Bernoulli at 0x7f1814c6b320>, <__main__.Bernoulli at 0x7f1814c6b1d0>], 3, 0)
algorithmes = [ChoixUniforme(K), MoyenneEmpirique(K),
UCB1(K, alpha=1), UCBV(K, alpha=1), UCBH(K, horizon, alpha=1),
KLUCB(K), ThompsonSampling(K)]
algorithmes
[<__main__.ChoixUniforme at 0x7f1814bfa390>, <__main__.MoyenneEmpirique at 0x7f1814bfa3c8>, <__main__.UCB1 at 0x7f1814bfa400>, <__main__.UCBV at 0x7f1814bfa438>, <__main__.UCBH at 0x7f1814bfa470>, <__main__.KLUCB at 0x7f1814bfa4a8>, <__main__.ThompsonSampling at 0x7f1814bfa518>]
Pour les légendes, on a besoin des noms des algorithmes :
noms = ["ChoixUniforme", "MoyenneEmpirique",
"UCB1(alpha=1)", "UCBV(alpha=1)", "UCBH(alpha=1)",
"KLUCB", "ThompsonSampling"]
On peut commencer la simulation, pour chaque algorithme.
%%time
N = len(algorithmes)
recompenses, choix = np.zeros((N, horizon)), np.zeros((N, horizon))
for i, alg in tqdm(enumerate(algorithmes), desc="Algorithmes"):
rec, ch = simulation(bras, alg, horizon)
recompenses[i] = rec
choix[i] = ch
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.
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CPU times: user 335 ms, sys: 0 ns, total: 335 ms Wall time: 335 ms
recompenses, choix
(array([[0., 0., 1., ..., 0., 0., 1.], [1., 1., 0., ..., 1., 1., 1.], [1., 0., 0., ..., 1., 1., 1.], ..., [1., 1., 0., ..., 1., 1., 1.], [1., 0., 0., ..., 1., 1., 1.], [0., 0., 0., ..., 1., 1., 1.]]), array([[2., 2., 1., ..., 1., 2., 0.], [0., 1., 2., ..., 0., 0., 0.], [0., 1., 2., ..., 0., 0., 0.], ..., [0., 1., 2., ..., 0., 0., 0.], [0., 1., 2., ..., 0., 0., 0.], [1., 0., 2., ..., 0., 0., 0.]]))
On affiche et vérifie les résultats attendus :
affiche_selections(choix, noms, kstar)
affiche_recompenses(recompenses, noms)
affiche_recompenses_moyennes(recompenses, noms)
affiche_regret(recompenses, noms, mustar=mus[kstar])
$\implies$ L'algorithme uniforme est, bien évidemment, très inefficace ! Il empêche de visualiser le regret des trois autres algorithmes.
Et sur ce problème simple à trois bras, avec une seule simulation (donc une variance immense), difficile de savoir lequel des trois algorithmes est le plus efficace...
horizon = 5000
mus = [0.9, 0.8, 0.7, 0.6, 0.5, 0.4, 0.3, 0.2, 0.1]
bras = [ Bernoulli(mu) for mu in mus ]
K = len(mus)
kstar = np.argmax(mus) # = 0
horizon, mus, bras, K, kstar
(5000, [0.9, 0.8, 0.7, 0.6, 0.5, 0.4, 0.3, 0.2, 0.1], [<__main__.Bernoulli at 0x7f1814a146a0>, <__main__.Bernoulli at 0x7f1814a141d0>, <__main__.Bernoulli at 0x7f1814a14a20>, <__main__.Bernoulli at 0x7f1814a14b38>, <__main__.Bernoulli at 0x7f1814a14390>, <__main__.Bernoulli at 0x7f1814a14358>, <__main__.Bernoulli at 0x7f1814a14dd8>, <__main__.Bernoulli at 0x7f1814a148d0>, <__main__.Bernoulli at 0x7f1814a14748>], 9, 0)
On va comparer différents choix de $\alpha$ pour l'algorithme UCB : $\alpha = 4, 1, 0.5, 0.1$.
algorithmes = [MoyenneEmpirique(K),
UCB1(K, alpha=4), UCB1(K, alpha=1), UCB1(K, alpha=0.5), UCB1(K, alpha=0.1),
UCBV(K, alpha=1), UCBH(K, horizon, alpha=1),
KLUCB(K), ThompsonSampling(K)]
algorithmes
[<__main__.MoyenneEmpirique at 0x7f1814a14630>, <__main__.UCB1 at 0x7f1814a14eb8>, <__main__.UCB1 at 0x7f1814a14400>, <__main__.UCB1 at 0x7f1814a146d8>, <__main__.UCB1 at 0x7f1814a14668>, <__main__.UCBV at 0x7f1814a14550>, <__main__.UCBH at 0x7f1814a14160>, <__main__.KLUCB at 0x7f1814a14198>, <__main__.ThompsonSampling at 0x7f1814a14208>]
Pour les légendes, on a besoin des noms des algorithmes :
noms = ["MoyenneEmpirique",
"UCB1(alpha=4)", "UCB1(alpha=1)", "UCB1(alpha=0.5)", "UCB1(alpha=0.1)",
"UCBV(alpha=1)", "UCBH(alpha=1)",
"KLUCB", "ThompsonSampling"]
On peut commencer la simulation, pour chaque algorithme.
%%time
N = len(algorithmes)
recompenses, choix = np.zeros((N, horizon)), np.zeros((N, horizon))
for i, alg in tqdm(enumerate(algorithmes), desc="Algorithmes"):
rec, ch = simulation(bras, alg, horizon)
recompenses[i] = rec
choix[i] = ch
Failed to display Jupyter Widget of type HBox
.
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CPU times: user 2.75 s, sys: 45 ms, total: 2.79 s Wall time: 2.76 s
recompenses, choix
(array([[1., 1., 1., ..., 1., 1., 1.], [1., 1., 1., ..., 1., 1., 1.], [1., 1., 1., ..., 1., 0., 1.], ..., [1., 1., 0., ..., 1., 1., 1.], [1., 1., 1., ..., 1., 1., 1.], [0., 0., 1., ..., 1., 1., 1.]]), array([[0., 1., 2., ..., 0., 0., 0.], [0., 1., 2., ..., 1., 1., 1.], [0., 1., 2., ..., 0., 0., 0.], ..., [0., 1., 2., ..., 0., 0., 0.], [0., 1., 2., ..., 0., 0., 0.], [6., 8., 3., ..., 0., 0., 0.]]))
On affiche et vérifie les résultats attendus :
affiche_selections(choix, noms, kstar)
On commence à voir une différence de vitesse de convergence, pour l'identification du meilleur bras.
affiche_recompenses(recompenses, noms)
Difficile de différence quel algorithme est le plus efficace, même si clairement les plus grandes valeurs de $\alpha = 4, 1$ pour UCB semblent avoir moins bien fonctionné.
affiche_recompenses_moyennes(recompenses, noms)
En terme de récompenses moyennes au cours du temps, les 4 algorithmes les plus efficaces convergent vers $\mu^* = \mu_1 = 0.9$.
affiche_regret(recompenses, noms, mustar=mus[kstar])
Encore une fois, une seule simulation ne permet pas vraiment de conclure...
Mais on voit quand même :
On s'intéresse au même problème, mais simulé 100 fois et sur un horizon plus long ($T = 10000$).
On s'intéressera ensuite aux statistiques moyennes (du regret cumulé) sur ces 100 répétitions pour les graphiques. On doit aussi considérer la distribution du regret (par exemple à $t=T$ fixé), afin de vérifier que chaque répétition de l'expérience a donné des résultats similaires (la moyenne efface les valeurs extrêmes si elles sont peu présentes).
horizon = 10000
repetitions = 100
mus = [0.9, 0.8, 0.7, 0.6, 0.5, 0.4, 0.3, 0.2, 0.1]
bras = [ Bernoulli(mu) for mu in mus ]
K = len(mus)
kstar = np.argmax(mus) # = 0
horizon, repetitions, mus, bras, K, kstar
(10000, 100, [0.9, 0.8, 0.7, 0.6, 0.5, 0.4, 0.3, 0.2, 0.1], [<__main__.Bernoulli at 0x7f1810d1e7f0>, <__main__.Bernoulli at 0x7f1810d1e240>, <__main__.Bernoulli at 0x7f1810d1ecf8>, <__main__.Bernoulli at 0x7f1810d1ec88>, <__main__.Bernoulli at 0x7f1810d1e8d0>, <__main__.Bernoulli at 0x7f1810d1e860>, <__main__.Bernoulli at 0x7f1810d1e470>, <__main__.Bernoulli at 0x7f1810d1e400>, <__main__.Bernoulli at 0x7f1810d1e2b0>], 9, 0)
On va comparer différents choix de $\alpha$ pour l'algorithme UCB : $\alpha = 4, 1, 0.5, 0.1$.
algorithmes = [MoyenneEmpirique(K),
UCB1(K, alpha=4), UCB1(K, alpha=1), UCB1(K, alpha=0.5), UCB1(K, alpha=0.1),
UCBV(K, alpha=1), UCBH(K, horizon, alpha=1),
KLUCB(K), ThompsonSampling(K)]
algorithmes
[<__main__.MoyenneEmpirique at 0x7f1810d1eef0>, <__main__.UCB1 at 0x7f1810d1ecc0>, <__main__.UCB1 at 0x7f1810d1ec50>, <__main__.UCB1 at 0x7f1810d1e668>, <__main__.UCB1 at 0x7f1810d1ef98>, <__main__.UCBV at 0x7f1810d1e710>, <__main__.UCBH at 0x7f1810d1eb70>, <__main__.KLUCB at 0x7f1810d1e2e8>, <__main__.ThompsonSampling at 0x7f1810d1e208>]
Pour les légendes, on a besoin des noms des algorithmes :
noms = ["MoyenneEmpirique",
"UCB1(alpha=4)", "UCB1(alpha=1)", "UCB1(alpha=0.5)", "UCB1(alpha=0.1)",
"UCBV(alpha=1)", "UCBH(alpha=1)",
"KLUCB", "ThompsonSampling"]
On peut commencer la simulation, pour chaque algorithme.
%%time
N = len(algorithmes)
recompenses, choix = np.zeros((N, repetitions, horizon)), np.zeros((N, repetitions, horizon))
# Pour chaque répétitions
for rep in tqdm(range(repetitions), desc="Répétitions"):
for i, alg in enumerate(algorithmes):
rec, ch = simulation(bras, alg, horizon)
recompenses[i, rep] = rec
choix[i, rep] = ch
Failed to display Jupyter Widget of type HBox
.
If you're reading this message in the Jupyter Notebook or JupyterLab Notebook, it may mean that the widgets JavaScript is still loading. If this message persists, it likely means that the widgets JavaScript library is either not installed or not enabled. See the Jupyter Widgets Documentation for setup instructions.
If you're reading this message in another frontend (for example, a static rendering on GitHub or NBViewer), it may mean that your frontend doesn't currently support widgets.
CPU times: user 10 mins, sys: 0 ns, total: 10 mins Wall time: 10 mins
# On moyenne
recompenses_moy = np.mean(recompenses, axis=1)
choix_moy = np.mean(choix, axis=1)
print("Dimension de 'recompenses_moy' =", np.shape(recompenses_moy)) # juste pour vérifier
# On garde la distribution à t=T
recompenses_fin = np.sum(recompenses, axis=2)
choix_fin = np.sum(choix, axis=2)
print("Dimension de 'recompenses_fin' =", np.shape(recompenses_fin)) # juste pour vérifier
Dimension de 'recompenses_moy' = (9, 10000) Dimension de 'recompenses_fin' = (9, 100)
Cette fois, les statistiques accumulées ne sont plus entières.
recompenses_moy, choix_moy
(array([[0.94, 0.77, 0.68, ..., 0.86, 0.88, 0.88], [0.94, 0.82, 0.64, ..., 0.91, 0.9 , 0.92], [0.91, 0.82, 0.66, ..., 0.91, 0.94, 0.87], ..., [0.94, 0.82, 0.69, ..., 0.87, 0.93, 0.79], [0.89, 0.76, 0.75, ..., 0.83, 0.92, 0.86], [0.47, 0.53, 0.45, ..., 0.89, 0.92, 0.9 ]]), array([[0. , 1. , 2. , ..., 0.34, 0.34, 0.34], [0. , 1. , 2. , ..., 0.15, 0.16, 0.17], [0. , 1. , 2. , ..., 0.02, 0.02, 0.02], ..., [0. , 1. , 2. , ..., 0.07, 0.06, 0.06], [0. , 1. , 2. , ..., 0. , 0. , 0. ], [3.67, 3.57, 3.8 , ..., 0. , 0. , 0. ]]))
recompenses_fin
array([[7875., 6986., 8015., 8993., 8968., 9022., 8980., 9066., 9004., 8975., 8998., 8037., 8973., 7034., 9032., 8935., 9021., 8956., 6991., 7948., 7980., 8935., 8995., 7970., 8992., 8997., 9041., 8951., 9030., 8983., 8969., 9024., 8996., 9040., 7957., 8982., 8971., 7017., 9038., 8980., 9029., 9028., 8993., 8017., 8040., 8964., 8991., 8039., 7994., 8986., 8998., 9039., 9021., 8018., 8984., 8988., 8992., 9020., 7990., 8977., 9011., 9038., 8937., 9015., 9004., 8974., 9000., 9040., 9017., 9007., 8982., 8996., 8981., 6013., 7012., 8996., 8990., 7983., 8923., 8001., 9016., 8986., 8917., 7981., 7021., 9013., 8962., 8996., 8976., 8018., 8979., 9035., 9001., 9001., 9016., 8008., 8959., 7960., 9015., 8985.], [8464., 8354., 8367., 8447., 8346., 8472., 8440., 8385., 8424., 8416., 8414., 8423., 8487., 8451., 8440., 8444., 8432., 8499., 8417., 8409., 8389., 8400., 8380., 8446., 8441., 8447., 8371., 8465., 8397., 8387., 8418., 8439., 8490., 8357., 8422., 8496., 8426., 8424., 8471., 8462., 8475., 8466., 8460., 8385., 8458., 8428., 8435., 8463., 8439., 8480., 8436., 8413., 8385., 8359., 8460., 8451., 8406., 8373., 8453., 8460., 8428., 8460., 8349., 8457., 8412., 8458., 8370., 8459., 8521., 8380., 8397., 8439., 8383., 8484., 8423., 8440., 8418., 8480., 8421., 8353., 8427., 8490., 8469., 8407., 8474., 8432., 8424., 8403., 8425., 8468., 8378., 8467., 8350., 8398., 8485., 8458., 8389., 8481., 8434., 8409.], [8794., 8798., 8841., 8827., 8876., 8833., 8798., 8807., 8814., 8789., 8766., 8796., 8853., 8830., 8798., 8830., 8835., 8809., 8807., 8811., 8840., 8843., 8795., 8802., 8795., 8841., 8804., 8773., 8736., 8850., 8835., 8857., 8818., 8840., 8848., 8833., 8798., 8763., 8816., 8790., 8812., 8830., 8842., 8794., 8773., 8755., 8856., 8884., 8848., 8794., 8837., 8748., 8852., 8816., 8796., 8790., 8806., 8797., 8804., 8858., 8882., 8826., 8765., 8800., 8788., 8769., 8865., 8787., 8831., 8786., 8804., 8804., 8842., 8817., 8801., 8793., 8797., 8820., 8819., 8814., 8855., 8840., 8784., 8821., 8826., 8758., 8765., 8862., 8853., 8791., 8816., 8835., 8843., 8779., 8799., 8824., 8791., 8786., 8821., 8809.], [8934., 8924., 8938., 8903., 8909., 8862., 8961., 8926., 8893., 8907., 8896., 8878., 8887., 8912., 8880., 8956., 8889., 8887., 8944., 8914., 8918., 8911., 8905., 8902., 8916., 8935., 8887., 8922., 8928., 8942., 8899., 8858., 8912., 8844., 8921., 8942., 8912., 8902., 8906., 8874., 8928., 8901., 8901., 8868., 8948., 8871., 8921., 8897., 8848., 8838., 8891., 8833., 8903., 8892., 8904., 8949., 8926., 8878., 8862., 8906., 8910., 8872., 8934., 8879., 8874., 8906., 8852., 8913., 8891., 8915., 8909., 8888., 8924., 8886., 8859., 8912., 8914., 8883., 8915., 8836., 8858., 8895., 8921., 8869., 8886., 8914., 8953., 8893., 8863., 8905., 8940., 8906., 8927., 8865., 8878., 8915., 8860., 8938., 8883., 8949.], [8991., 9023., 8935., 8985., 8927., 8962., 8984., 9023., 8849., 8973., 8978., 8966., 8978., 8946., 8951., 9033., 8944., 8937., 8905., 9010., 8988., 8971., 8978., 8975., 8981., 8945., 8984., 8975., 9002., 8893., 9005., 8941., 8941., 8872., 9005., 8954., 8932., 8937., 8972., 8991., 8952., 8970., 9004., 8879., 8960., 8910., 8972., 8939., 8981., 8885., 8967., 8998., 9007., 9002., 9029., 8977., 8957., 8966., 8966., 8945., 8970., 8989., 8951., 9003., 8983., 8980., 8977., 8960., 8930., 8910., 8939., 8978., 8887., 8932., 8946., 9001., 8980., 8993., 8974., 9011., 8930., 9012., 8957., 8967., 8967., 9012., 8995., 8871., 9019., 8978., 8977., 8970., 8928., 9007., 8980., 8972., 8932., 8914., 8984., 8975.], [8669., 8562., 8551., 8505., 8466., 8476., 8389., 8375., 8319., 8319., 8318., 8309., 8301., 8176., 8215., 8178., 8188., 8196., 8189., 8130., 8162., 8143., 8128., 8064., 8031., 8084., 7979., 8085., 8029., 8048., 8043., 7970., 7964., 7984., 8004., 8010., 7935., 7914., 7974., 7895., 7923., 7898., 7953., 7927., 7846., 7856., 7899., 7890., 7854., 7832., 7817., 7804., 7819., 7757., 7888., 7830., 7748., 7823., 7825., 7786., 7753., 7817., 7783., 7799., 7730., 7703., 7725., 7796., 7709., 7776., 7680., 7724., 7786., 7649., 7700., 7735., 7729., 7689., 7729., 7808., 7673., 7700., 7676., 7681., 7734., 7643., 7675., 7692., 7665., 7589., 7631., 7667., 7690., 7701., 7660., 7615., 7670., 7681., 7610., 7644.], [8867., 8794., 8813., 8824., 8809., 8802., 8863., 8858., 8772., 8793., 8739., 8807., 8818., 8802., 8820., 8873., 8851., 8845., 8771., 8787., 8824., 8746., 8850., 8840., 8830., 8830., 8783., 8781., 8811., 8871., 8750., 8795., 8840., 8785., 8802., 8863., 8804., 8827., 8808., 8811., 8819., 8889., 8797., 8826., 8822., 8772., 8798., 8807., 8827., 8851., 8832., 8821., 8831., 8869., 8826., 8828., 8734., 8855., 8799., 8781., 8789., 8861., 8771., 8797., 8861., 8829., 8819., 8850., 8847., 8809., 8848., 8781., 8783., 8800., 8814., 8772., 8790., 8829., 8789., 8803., 8732., 8817., 8827., 8834., 8823., 8808., 8829., 8770., 8849., 8809., 8857., 8846., 8813., 8851., 8799., 8824., 8833., 8838., 8791., 8804.], [8959., 8903., 8914., 8861., 8886., 9010., 8952., 8956., 8982., 8905., 8914., 8953., 8918., 8909., 8956., 8945., 8925., 8976., 8917., 8960., 8954., 8918., 8924., 8898., 8923., 8910., 8991., 8931., 8972., 8911., 8950., 8934., 8932., 8961., 8938., 8954., 8966., 8961., 8988., 8923., 8967., 8951., 8925., 8985., 8939., 9003., 8936., 8973., 8974., 8925., 8935., 8998., 8921., 8894., 8924., 8943., 8952., 8946., 8956., 8962., 8952., 8956., 8925., 8934., 8957., 8989., 8944., 8931., 8937., 8977., 8925., 8901., 8920., 8990., 8911., 8892., 8962., 8987., 8926., 8992., 8941., 8951., 8912., 9007., 8947., 8976., 8954., 8948., 8942., 8924., 8932., 8943., 8943., 8922., 8900., 8950., 8979., 8891., 8946., 8928.], [8951., 8956., 8997., 8922., 9004., 8978., 8947., 8952., 8965., 9011., 8979., 9025., 8966., 8958., 9003., 8990., 8987., 8960., 8956., 8965., 8932., 8967., 9016., 8984., 8936., 8998., 8968., 8983., 8992., 8900., 8988., 8938., 8920., 8987., 8979., 8889., 8986., 8946., 8921., 8987., 8914., 8873., 8956., 8956., 8972., 8975., 8933., 8955., 8938., 8925., 8932., 8966., 9015., 8929., 8963., 8948., 8977., 8983., 8968., 8965., 9005., 8980., 8933., 8988., 8983., 8963., 8935., 9004., 8944., 8984., 8943., 8957., 8928., 8990., 8974., 9006., 8920., 8941., 8919., 8980., 8938., 8941., 8907., 8980., 8988., 8956., 8994., 8963., 8928., 8930., 8920., 8992., 8917., 8989., 8976., 8895., 8950., 8958., 8941., 8963.]])
On affiche et vérifie les résultats attendus :
choix_moy = np.floor(choix_moy)
affiche_selections(choix_moy, noms, kstar)
On commence à voir une différence de vitesse de convergence, pour l'identification du meilleur bras.
affiche_recompenses(recompenses_moy, noms)
Difficile de différence quel algorithme est le plus efficace, même si clairement les plus grandes valeurs de $\alpha = 4, 1$ pour UCB semblent avoir moins bien fonctionner.
affiche_recompenses_moyennes(recompenses_moy, noms)
En terme de récompenses moyennes au cours du temps, les 4 algorithmes les plus efficaces convergent vers $\mu^* = \mu_1 = 0.9$.
affiche_regret(recompenses_moy, noms, mustar=mus[kstar])
affiche_hist_regret(recompenses_fin, noms, horizon, mustar=mus[kstar])
Attention, l'axe $x$ est différent pour chaque histogramme !
Cette fois, ces 100 simulations permet de conclure quelques points :
MoyenneEmpirique
converge rapidement au début, mais son regret $\mathcal{R}(t)$ ne semble pas avoir un profil logarithmique (il faudrait essayer de plus grands horizons pour le confirmer),UCB
semblent tous avoir un regret logarithmique, i.e., $\mathcal{R}(t) = \mathcal{O}(\log t)$, et plus le $\alpha$ est petit, plus le regret est bas,ThompsonSampling
et KLUCB
fonctionnent très bien, sans avoir à choisir de constante $\alpha$.On s'intéresse enfin à un problème bien plus difficile.
horizon = 10000
repetitions = 10
mus = [0.3, 0.05, 0.05, 0.05, 0.05, 0.05, 0.05, 0.02, 0.02, 0.02, 0.01, 0.01, 0.005, 0.005, 0.001, 0.001]
bras = [ Bernoulli(mu) for mu in mus ]
K = len(mus)
kstar = np.argmax(mus)
horizon, repetitions, mus, bras, K, kstar
(10000, 10, [0.3, 0.05, 0.05, 0.05, 0.05, 0.05, 0.05, 0.02, 0.02, 0.02, 0.01, 0.01, 0.005, 0.005, 0.001, 0.001], [<__main__.Bernoulli at 0x7f180b7dce10>, <__main__.Bernoulli at 0x7f180b7e41d0>, <__main__.Bernoulli at 0x7f180b7e4c50>, <__main__.Bernoulli at 0x7f180b7e4be0>, <__main__.Bernoulli at 0x7f180b7ef390>, <__main__.Bernoulli at 0x7f180b7ef710>, <__main__.Bernoulli at 0x7f180b7efa90>, <__main__.Bernoulli at 0x7f180b7efe10>, <__main__.Bernoulli at 0x7f180b7fa1d0>, <__main__.Bernoulli at 0x7f180b7fa550>, <__main__.Bernoulli at 0x7f180b7fa8d0>, <__main__.Bernoulli at 0x7f180b7fabe0>, <__main__.Bernoulli at 0x7f180b7fac88>, <__main__.Bernoulli at 0x7f180b782710>, <__main__.Bernoulli at 0x7f180b782a90>, <__main__.Bernoulli at 0x7f180b782e10>], 16, 0)
On va comparer différents choix de $\alpha$ pour l'algorithme UCB : $\alpha = 4, 1, 0.5, 0.1, 0.01, 0.001$.
algorithmes = [MoyenneEmpirique(K),
UCB1(K, alpha=4), UCB1(K, alpha=1), UCB1(K, alpha=0.5),
UCB1(K, alpha=0.1), UCB1(K, alpha=0.01), UCB1(K, alpha=0.001),
UCBV(K, alpha=1), UCBH(K, horizon, alpha=1),
KLUCB(K), ThompsonSampling(K)]
algorithmes
[<__main__.MoyenneEmpirique at 0x7f180b91d470>, <__main__.UCB1 at 0x7f180b91d0f0>, <__main__.UCB1 at 0x7f180b91db70>, <__main__.UCB1 at 0x7f180b91def0>, <__main__.UCB1 at 0x7f180b91d7f0>, <__main__.UCB1 at 0x7f180b9317f0>, <__main__.UCB1 at 0x7f180b931ef0>, <__main__.UCBV at 0x7f180b931470>, <__main__.UCBH at 0x7f180b9310f0>, <__main__.KLUCB at 0x7f180b931eb8>, <__main__.ThompsonSampling at 0x7f180b8ee160>]
Pour les légendes, on a besoin des noms des algorithmes :
noms = ["MoyenneEmpirique",
"UCB1(alpha=4)", "UCB1(alpha=1)", "UCB1(alpha=0.5)",
"UCB1(alpha=0.1)", "UCB1(alpha=0.01)", "UCB1(alpha=0.001)",
"UCBV(alpha=1)", "UCBH(alpha=1)",
"KLUCB", "ThompsonSampling"]
On peut commencer la simulation, pour chaque algorithme.
%%time
N = len(algorithmes)
recompenses, choix = np.zeros((N, repetitions, horizon)), np.zeros((N, repetitions, horizon))
# Pour chaque répétitions
for rep in tqdm(range(repetitions), desc="Répétitions"):
for i, alg in enumerate(algorithmes):
rec, ch = simulation(bras, alg, horizon)
recompenses[i, rep] = rec
choix[i, rep] = ch
Failed to display Jupyter Widget of type HBox
.
If you're reading this message in the Jupyter Notebook or JupyterLab Notebook, it may mean that the widgets JavaScript is still loading. If this message persists, it likely means that the widgets JavaScript library is either not installed or not enabled. See the Jupyter Widgets Documentation for setup instructions.
If you're reading this message in another frontend (for example, a static rendering on GitHub or NBViewer), it may mean that your frontend doesn't currently support widgets.
CPU times: user 1min 14s, sys: 625 ms, total: 1min 15s Wall time: 1min 14s
# On moyenne
recompenses_moy = np.mean(recompenses, axis=1)
choix_moy = np.mean(choix, axis=1)
print("Dimension de 'recompenses_moy' =", np.shape(recompenses_moy)) # juste pour vérifier
# On garde la distribution à t=T
recompenses_fin = np.sum(recompenses, axis=2)
choix_fin = np.sum(choix, axis=2)
print("Dimension de 'recompenses_fin' =", np.shape(recompenses_fin)) # juste pour vérifier
Dimension de 'recompenses_moy' = (11, 10000) Dimension de 'recompenses_fin' = (11, 10)
Cette fois, les statistiques accumulées ne sont plus entières.
recompenses_moy, choix_moy
(array([[0.3, 0.1, 0. , ..., 0.1, 0.4, 0.3], [0.5, 0. , 0. , ..., 0.1, 0.1, 0.2], [0.2, 0. , 0.1, ..., 0.1, 0.3, 0.4], ..., [0.1, 0.1, 0.1, ..., 0.2, 0.4, 0.2], [0.1, 0. , 0.1, ..., 0.1, 0.2, 0.2], [0.1, 0.4, 0. , ..., 0.2, 0.3, 0.3]]), array([[0. , 1. , 2. , ..., 0.9, 0.9, 0.9], [0. , 1. , 2. , ..., 3.2, 1.7, 1.2], [0. , 1. , 2. , ..., 0. , 0. , 0. ], ..., [0. , 1. , 2. , ..., 0. , 0. , 0. ], [0. , 1. , 2. , ..., 0. , 0. , 0. ], [4.9, 7.2, 7.3, ..., 0. , 0. , 0. ]]))
On affiche et vérifie les résultats attendus :
choix_moy = np.floor(choix_moy)
affiche_selections(choix_moy, noms, kstar)
On commence à voir une différence de vitesse de convergence, pour l'identification du meilleur bras.
affiche_recompenses(recompenses_moy, noms)
Difficile de différence quel algorithme est le plus efficace, même si clairement les plus grandes valeurs de $\alpha = 4, 1$ pour UCB semblent avoir moins bien fonctionner.
affiche_recompenses_moyennes(recompenses_moy, noms)
En terme de récompenses moyennes au cours du temps, les 4 algorithmes les plus efficaces convergent vers $\mu^* = \mu_1 = 0.9$.
affiche_regret(recompenses_moy, noms, mustar=mus[kstar])
affiche_hist_regret(recompenses_fin, noms, horizon, mustar=mus[kstar])
Cette fois, cette autre simulation permet de renforcer les conclusions précédentes :
MoyenneEmpirique
converge rapidement au début, mais son regret $\mathcal{R}(t)$ ne semble pas avoir un profil logarithmique (il faudrait essayer de plus grands horizons pour le confirmer). De plus, sur l'histogramme on voit que pour certaines expériences ses performances sont très mauvaises.UCB1
semblent tous avoir un regret logarithmique, i.e., $\mathcal{R}(t) = \mathcal{O}(\log t)$, et plus le $\alpha$ est petit, plus le regret est bas,UCB1(alpha)
n'est pas assez exploiteur, et pour ce problème à $K=15$ bras, il ne fonctionne plus bien,ThompsonSampling
et KLUCB
fonctionnent généralement aussi bien qu'un UCB1
avec "la bonne constante".Je propose de terminer par l'implémentation d'un dernier algorithme, ressemblant beaucoup à UCB1
, mais qui utilise des indices un peu plus compliqués à calculer.
Il s'agit de l'algorithme proposé en 2016 par Tor Lattimore, dans cet article (et sa présentation à COLT'16), nommé ApproximatedFHGittins
, pour Approximated Finite-Horizon Gittins index, ou Approximation des Indices de Gittins à Horizon Fini en français.
Cet algorithme exige de connaître l'horizon $T$, et calcule l'indice suivant, au temps $t$ et après $N_k(t)$ sélections du bras $k$ : $$ I_k(t) = \frac{X_k(t)}{N_k(t)} + \sqrt{\frac{\alpha}{2 N_k(t)} \log\left( \frac{m}{N_k(t) \log^{1/2}\left( \frac{m}{N_k(t)} \right)} \right)}, \\ \text{où}\;\; m = T - t + 1.$$
class ApproximatedFHGittins(MoyenneEmpirique):
"""Algorithme ApproximatedFHGittins de Tor Lattimore."""
def __init__(self, K, horizon, alpha=1):
"""Crée l'instance de l'algorithme. Par défaut, alpha=1."""
super(ApproximatedFHGittins, self).__init__(K) # On laisse la classe mère faire le travaille
self.horizon = horizon
assert alpha >= 0, "Erreur : alpha doit etre >= 0."
self.alpha = alpha
def choix(self):
"""Si on a vu tous les bras, on prend celui d'indice le plus grand."""
self.t += 1 # Nécessaire ici
# 1er cas : il y a encore des bras qu'on a jamais vu
if np.min(self.tirages) == 0:
k = np.min(np.where(self.tirages == 0)[0])
# 2nd cas : tous les bras ont été essayé
else:
# D'abord les moyennes
moyennes_empiriques = self.recompenses / self.tirages
# Puis le terme supplémentaire
m = self.horizon - self.t + 1
m_sur_Nk = m / self.tirages
logdemi = np.sqrt(np.maximum(0, np.log(m_sur_Nk)))
terme_sup = np.sqrt(self.alpha * np.log(m_sur_Nk / logdemi) / (2. * self.tirages))
indices = moyennes_empiriques + terme_sup
k = np.argmax(indices)
return k
ApproximatedFHGittins
avec les autres algorithmes¶Sur le même problème que précédemment, on va vérifier que ce dernier algorithme est plus efficace que les autres.
horizon = 10000
repetitions = 10
mus = [0.3, 0.05, 0.05, 0.05, 0.05, 0.05, 0.05, 0.02, 0.02, 0.02, 0.01, 0.01, 0.005, 0.005, 0.001, 0.001]
bras = [ Bernoulli(mu) for mu in mus ]
K = len(mus)
kstar = np.argmax(mus)
horizon, repetitions, mus, bras, K, kstar
(10000, 10, [0.3, 0.05, 0.05, 0.05, 0.05, 0.05, 0.05, 0.02, 0.02, 0.02, 0.01, 0.01, 0.005, 0.005, 0.001, 0.001], [<__main__.Bernoulli at 0x7f1810163898>, <__main__.Bernoulli at 0x7f1810163400>, <__main__.Bernoulli at 0x7f181035f080>, <__main__.Bernoulli at 0x7f181035fc50>, <__main__.Bernoulli at 0x7f181035feb8>, <__main__.Bernoulli at 0x7f181008f358>, <__main__.Bernoulli at 0x7f1810254c50>, <__main__.Bernoulli at 0x7f18102547f0>, <__main__.Bernoulli at 0x7f1810254e80>, <__main__.Bernoulli at 0x7f1810254eb8>, <__main__.Bernoulli at 0x7f1810254240>, <__main__.Bernoulli at 0x7f18100ca7f0>, <__main__.Bernoulli at 0x7f18100cacc0>, <__main__.Bernoulli at 0x7f18100caac8>, <__main__.Bernoulli at 0x7f18100ca1d0>, <__main__.Bernoulli at 0x7f18100c0860>], 16, 0)
algorithmes = [UCB1(K, alpha=1), UCB1(K, alpha=0.5),
UCBV(K, alpha=1), UCBH(K, horizon, alpha=1),
KLUCB(K), ThompsonSampling(K),
ApproximatedFHGittins(K, 1.1 * T, alpha=4),
ApproximatedFHGittins(K, 1.1 * T, alpha=1),
ApproximatedFHGittins(K, 1.1 * T, alpha=0.5)
]
algorithmes
[<__main__.UCB1 at 0x7f18103a49b0>, <__main__.UCB1 at 0x7f18103a4358>, <__main__.UCBV at 0x7f180bf82550>, <__main__.UCBH at 0x7f180bf82eb8>, <__main__.KLUCB at 0x7f180bf82128>, <__main__.ThompsonSampling at 0x7f181005f1d0>, <__main__.ApproximatedFHGittins at 0x7f181038a438>, <__main__.ApproximatedFHGittins at 0x7f180bffa630>, <__main__.ApproximatedFHGittins at 0x7f180bffaf98>]
noms = ["UCB1(alpha=1)", "UCB1(alpha=0.5)",
"UCBV(alpha=1)", "UCBH(alpha=1)",
"KLUCB", "ThompsonSampling",
"ApproximatedFHGittins(T, alpha=4)",
"ApproximatedFHGittins(T, alpha=1)",
"ApproximatedFHGittins(T, alpha=0.5)"
]
On peut commencer la simulation, pour chaque algorithme.
%%time
N = len(algorithmes)
recompenses, choix = np.zeros((N, repetitions, horizon)), np.zeros((N, repetitions, horizon))
# Pour chaque répétitions
for rep in tqdm(range(repetitions), desc="Répétitions"):
for i, alg in enumerate(algorithmes):
rec, ch = simulation(bras, alg, horizon)
recompenses[i, rep] = rec
choix[i, rep] = ch
Failed to display Jupyter Widget of type HBox
.
If you're reading this message in the Jupyter Notebook or JupyterLab Notebook, it may mean that the widgets JavaScript is still loading. If this message persists, it likely means that the widgets JavaScript library is either not installed or not enabled. See the Jupyter Widgets Documentation for setup instructions.
If you're reading this message in another frontend (for example, a static rendering on GitHub or NBViewer), it may mean that your frontend doesn't currently support widgets.
/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/ipykernel_launcher.py:24: RuntimeWarning: invalid value encountered in log
CPU times: user 1min 16s, sys: 527 ms, total: 1min 17s Wall time: 1min 16s
# On moyenne
recompenses_moy = np.mean(recompenses, axis=1)
choix_moy = np.mean(choix, axis=1)
print("Dimension de 'recompenses_moy' =", np.shape(recompenses_moy)) # juste pour vérifier
# On garde la distribution à t=T
recompenses_fin = np.sum(recompenses, axis=2)
choix_fin = np.sum(choix, axis=2)
print("Dimension de 'recompenses_fin' =", np.shape(recompenses_fin)) # juste pour vérifier
Dimension de 'recompenses_moy' = (9, 10000) Dimension de 'recompenses_fin' = (9, 10)
Cette fois, les statistiques accumulées ne sont plus entières.
recompenses_moy, choix_moy
(array([[0.4, 0.1, 0.3, ..., 0.3, 0.1, 0.3], [0.2, 0. , 0.1, ..., 0.4, 0.2, 0.1], [0.3, 0.2, 0. , ..., 0.3, 0.2, 0.3], ..., [0.3, 0.1, 0.1, ..., 0.2, 0.1, 0.3], [0.3, 0. , 0. , ..., 0.4, 0.3, 0.4], [0.3, 0.1, 0. , ..., 0.2, 0.1, 0.1]]), array([[0., 1., 2., ..., 0., 0., 0.], [0., 1., 2., ..., 0., 0., 0.], [0., 1., 2., ..., 0., 0., 0.], ..., [0., 1., 2., ..., 0., 0., 0.], [0., 1., 2., ..., 0., 0., 0.], [0., 1., 2., ..., 0., 0., 0.]]))
On affiche et vérifie les résultats attendus :
choix_moy = np.floor(choix_moy)
affiche_selections(choix_moy, noms, kstar)
On commence à voir une différence de vitesse de convergence, pour l'identification du meilleur bras.
affiche_recompenses(recompenses_moy, noms)
Difficile de différence quel algorithme est le plus efficace, même si clairement les plus grandes valeurs de $\alpha = 4, 1$ pour UCB semblent avoir moins bien fonctionner.
affiche_recompenses_moyennes(recompenses_moy, noms)
En terme de récompenses moyennes au cours du temps, les 4 algorithmes les plus efficaces convergent vers $\mu^* = \mu_1 = 0.9$.
affiche_regret(recompenses_moy, noms, mustar=mus[kstar])
Note : un regret négatif n'est pas possible, mais sur peu d'expériences, on a une forte variance, et les échantillons tirés peuvent être suffisamment favorables pour avoir un regret faiblement négatif (comme c'est le cas ici pour un des
ApproximatedFHGittins
).
affiche_regret(recompenses_moy[2:], noms[2:], mustar=mus[kstar])
affiche_hist_regret(recompenses_fin, noms, horizon, mustar=mus[kstar])
J'espère que ce petit document a pu vous aider à mieux comprendre les bases de la simulation et l'implémentation de problèmes et d'algorithmes de bandits.
J'ai adopté une approche très modulaire, pour chaque composant de la simulation (bras, algorithmes, fonctions de simulation, d'affichages etc). C'est une façon de faire, bien-sûr ce n'est pas nécessaire, mais ça me semble clair, efficace et facile à lire et à compléter (si vous voulez rajouter un algorithme de plus).
- Pour plus de détails, je recommande de lire en détails ce petit article, datant de 2017, en français, écrit par Émilie Kaufmann.
- Cette petite simulation s'inspire de mon environnement plus lourd et plus complet, AlgoBandits.