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Informatik

Bestärkendes Lernen: durch Belohnung

Beim bestärkenden Lernen probiert ein Agent Aktionen aus und bekommt Belohnungen oder Strafen. Er lernt, was sich lohnt.

  • ca. 13 Minuten
  • Klasse 9
  • Niveau: Plus

Das lernst du heute

  • Ich beschreibe Agent, Umgebung, Aktion und Belohnung.
  • Ich berechne die Summe der Belohnungen für einen Weg.
  • Ich erkläre Ausprobieren und Bewährtes nutzen.

Das brauchst du schon: Vielleicht hilft dir zuerst diese Lektion: Überwachtes Lernen: Beispiele mit Antwort

Ein Roboter soll in einem Raum zu einer Ladestation finden. Niemand zeigt ihm den Weg. Er probiert Schritte aus und bekommt danach eine Rückmeldung in Zahlen. Das nennt man Belohnung. Bei einer negativen Zahl spricht man von einer Strafe.

Die Fachbegriffe: Der Roboter ist der Agent. Der Raum ist die Umgebung. Jeder Schritt ist eine Aktion. Die Zahl danach ist die Belohnung. Das Ziel des Agenten: möglichst viele Punkte insgesamt.

In unserem Beispiel gilt: Jeder Schritt kostet 1 Punkt, also −1. Erreicht der Roboter die Ladestation, gibt es einmalig +10. Rennt er gegen ein Hindernis, gibt es −5.

Der Agent muss beides tun. Er muss neue Wege ausprobieren (Erkunden). Und er muss Wege nutzen, die sich schon bewährt haben (Ausnutzen). Wer nur ausnutzt, findet vielleicht nie den besten Weg.

Achtung bei der Belohnung: Sie muss das wirklich Gewünschte belohnen. Sonst findet der Agent ein Schlupfloch. Er bekommt viele Punkte, löst aber die Aufgabe nicht.

Belohnungen im Beispiel (ausgedacht).
EreignisBelohnung
Ein Schritt−1
Ladestation erreicht+10 (einmalig)
Gegen ein Hindernis−5

Zwei Wege vergleichen

  1. Weg A hat 4 Schritte und erreicht die Station. Rechnung: 4 · (−1) + 10 = 6.
  2. Weg B hat 6 Schritte und erreicht die Station. Rechnung: 6 · (−1) + 10 = 4.
  3. Weg C hat 3 Schritte und endet an einem Hindernis. Rechnung: 3 · (−1) + (−5) = −8.
  4. Weg A bringt die meisten Punkte. Der Agent lernt, Weg A zu bevorzugen.

Ich verstehe das noch nicht

Such dir aus, was dir hilft.

Noch einfacher erklärt

Agent: Wer lernt.

Aktion: Was er tut.

Belohnung: Zahl als Rückmeldung.

Ziel: Möglichst viele Punkte.

Ein Beispiel

Beispiel

Du lernst, ein Skateboard zu fahren. Niemand gibt dir eine Anleitung für jede Bewegung. Du probierst aus, fällst hin oder hältst das Gleichgewicht. Das Gefühl danach sagt dir, was gut war. Bestärkendes Lernen funktioniert ähnlich.

Schritt für Schritt

Wir berechnen die Punktesumme

  1. Wir zählen die Schritte und rechnen −1 pro Schritt.
  2. Wir addieren +10, wenn das Ziel erreicht wird.
  3. Wir addieren −5, wenn ein Hindernis getroffen wird.
  4. Wir vergleichen die Summen.

Mit einem Bild erklärt

WegSchritteEndeSumme
A4Station6
B6Station4
C3Hindernis−8

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Ausprobieren

Jetzt zusammen

Wir lösen die Aufgabe gemeinsam. Nutze die Hilfen, wenn du sie brauchst.

Wie heißt die Rückmeldung in Zahlen beim bestärkenden Lernen?
Zeig mir den ersten Schritt

Welches Wort passt zu Punkten nach einer Aktion?

Lösung ansehen

Lösung: Belohnung

Üben

Jetzt du

Jetzt probierst du es allein.

Ein Weg hat 5 Schritte und erreicht die Station. Wie viele Punkte bringt er insgesamt?

Zeig mir den ersten Schritt

5 · (−1) = −5. Dann kommt +10 dazu.

Lösung ansehen

Lösung: 5

−5 + 10 = 5 Punkte.

Tipp: Rechne bei jedem Weg die Belohnungen zusammen, auch die negativen. Der Weg mit der größten Summe ist für den Agenten am besten.

Merksatz: Bestärkendes Lernen: Ein Agent probiert Aktionen aus, bekommt Belohnungen und lernt, die Punktesumme zu steigern. Es gibt keine fertigen Etiketten.

Typischer Fehler: Viele denken, der Agent bekomme die richtige Antwort gezeigt. Er erfährt nur, wie gut seine Aktion war, und muss den Weg selbst finden.

Prüfen

Mini-Quiz

5 kurze Fragen, ohne Noten. Bei jeder Frage kannst du dir die Lösung ansehen.

Frage 1 Was bedeutet Erkunden?
Lösung ansehen

Lösung: Der Agent probiert auch neue, unbekannte Aktionen aus.

Frage 2 Beim bestärkenden Lernen bekommt der Agent zu jedem Zeitpunkt die richtige Antwort.
Lösung ansehen

Lösung: Stimmt nicht

Frage 3 Ein Weg hat 2 Schritte und endet am Hindernis. Wie viele Punkte sind es insgesamt?

Zeig mir den ersten Schritt

2 · (−1) und dazu −5.

Lösung ansehen

Lösung: -7

−2 + (−5) = −7.

Frage 4 Ein Agent bekommt Punkte für jede Bewegung. Er dreht sich im Kreis und sammelt dabei viele Punkte. Was ist das Problem?
Lösung ansehen

Lösung: Die Belohnung belohnt nicht das gewünschte Ziel.

Frage 5 Ein Agent, der nur Bewährtes nutzt, kann einen besseren Weg verpassen.
Lösung ansehen

Lösung: Stimmt

Geschafft

Beim bestärkenden Lernen lernt ein Agent durch Ausprobieren und Belohnung. Wichtig sind eine gute Belohnung und eine Mischung aus Erkunden und Ausnutzen.

Zum Schluss

Kannst du das schon?

Hake ab, was du schon kannst. Was noch fehlt, schaust du dir einfach noch einmal an.

Zum Ausdrucken

Übungsheft Maschinelles Lernen und neuronale Netze

Kurz erklärt, 44 Aufgaben in drei Stufen und alle Lösungen. Kostenlos.

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