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強化学習で挑戦！倒立振子
2025年10月3日
広島大学 情報科学部
広島大学 情報科学部
はじめに
学校の掃除時間に、ホウキを逆さまにして指に乗せ、バランスを取って遊んだことはありませんか？
今回はこの遊びをコンピュータにやらせてみましょう。果たしてどのくらい長くバランスを取れるでしょうか？
倒立振子とは？
ホウキのバランス遊びは、物理学で倒立振子（とうりつしんし）と呼ばれます。
「棒の上側が重く、下が支点になっている」ような構造です。
今回のアプリでは、台車の上に棒を立てたモデルを使い、コンピュータでシミュレーションします。シミュレーションの方法に関する詳しい説明は、こちらを参照してください。
- ホウキ →棒
- 指 → 台車
カーソルキーの左右で台車に力を加えて操作できます。
| 操作 | 説明 |
|---|---|
| プレイ（play） | 開始 |
| 一時停止（pause） | 一時停止 |
| スロー（slow） | 動きを遅くする |
| 表示 | 説明 |
|---|---|
| 時間（time） | 棒が倒れるまでの時間 |
| 記録（record） | これまでの最長バランス記録 |
コンピュータによる制御
上手にできましたか？皆さんがゲームをしたとき、棒が倒れないように台車を動かしましたね。
そのとき
- 観測（角度や傾きを感じ取る）
- 判断（右か左か動きを決める）
- 行動（実際に動かす）
を繰り返していたと思います。
コンピュータも同じで、「状態を測って行動を決める」を続けます。
強化学習とは？
強化学習は、正解を最初から教えずに学ばせる方法です。
- 棒が倒れなければ「ごほうび」
- 棒が倒れたら「ペナルティ」
を与え、何度も試すことで上手な操作を身につけます。
今回のアプリではQ学習という方法を使い、棒を倒さない操作をコンピュータが学習します。
| 操作 | 説明 |
|---|---|
| 再生（play） | 開始 |
| 一時停止（pause） | 一時停止 |
| 早送り（fast） | シミュレーションを速くして学習を進めます。 |
| 初期化（reset） | いままでの学習をリセットします。 |
| 表示 | 説明 |
|---|---|
| エピソード数（episode） | 棒が倒れるまでの学習エピソードを何回繰り返したか |
| 時間（time） | 棒が倒れるまでの時間 |
| 記録（record） | これまでの最長バランス時間 |
まとめ
シンプルな「ほめる・しかる」だけでも、コンピュータはバランスを取る方法を学べます。
強化学習はロボット、自動運転、ゲームAIなどで使われています。
さらに、深層学習（Deep Learning）と組み合わせると、画像や音声からも学習可能になります。
興味があれば、「強化学習 深層学習 ゲーム」のキーワードで検索してみてください。
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