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強化學習-學習筆記14 | 策略梯度中的 Baseline

2022-07-13 08:55:26 其他

本篇筆記記錄學習在 策略學習 中使用 Baseline,這樣可以降低方差,讓收斂更快,

14. 策略學習中的 Baseline

14.1 Baseline 推導

  • 在策略學習中,我們使用策略網路 \(\pi(a|s;\theta)\) 控制 agent,

  • 狀態價值函式

    \(V_\pi(s)=\mathbb{E}_{A\sim \pi}[Q_\pi(s,A)]=\sum\limits_{a}\pi(a|s;\theta)\cdot Q_\pi(a,s)\)

  • 策略梯度:

    \(\frac{\partial \ V_\pi(s)}{\partial \ \theta}=\mathbb{E}_{A\sim\pi}[\frac{\partial ln \pi(A|s;\theta)}{\partial \theta}\cdot Q_\pi(s,A)]\)

在策略梯度演算法中引入 Baseline 主要是用于減小方差,從而加速收斂

Baseline 可以是任何 獨立于 動作 A 的數,記為 b,

Baseline的性質:

  • 這個期望是0: \(\mathbb{E}_{A\sim\pi}[b\cdot \frac{\partial \ \ln\pi(A|s;\theta)}{\partial\theta}]=0\)

    • 因為 b 不依賴 動作 A ,而該式是對 A 求期望,所以可以把 b 提出來,有:\(b\cdot \mathbb{E}_{A\sim\pi}[\frac{\partial \ \ln\pi(A|s;\theta)}{\partial\theta}]\)

    • 而期望 E 這一項可以展開:\(b\sum_a \pi(a|s;\theta)\cdot\frac{\partial\ln_\pi(A|s;\theta)}{\partial\theta}\)

      這個性質在策略梯度演算法用到的的兩種形式有提到過,

    • 用鏈式法則展開后面的導數項,即: \(\frac{\partial\ln_\pi(A|s;\theta)}{\partial\theta}={\frac{1}{\pi(a|s;\theta)}\cdot \frac{\partial\pi(a|s;\theta)}{\partial\theta}}\)

    • 這樣整個式子為:\(b\sum_a \pi(a|s;\theta)\cdot{\frac{1}{\pi(a|s;\theta)}\cdot \frac{\partial\pi(a|s;\theta)}{\partial\theta}}=b\cdot \sum_a\frac{\partial\pi(a|s;\theta)}{\partial\theta}\)

    • 由于連加是對于 a 進行連加,而內部求導是對于 θ 進行求導,所以求和符號可以和導數符號交換位置:

      \(b\cdot \frac{\partial\sum_a\pi(a|s;\theta)}{\partial\theta}\)

      這是數學分析中 級數部分 的內容,

    • \(\sum_a\pi(a|s;\theta)=1\),所以有\(b\cdot \frac{\partial 1}{\partial \theta}=0\)

根據上面這個式子的性質,可以向 策略梯度中添加 baseline

  • 策略梯度 with baseline:$$\frac{\partial \ V_\pi(s)}{\partial \ \theta}=\mathbb{E}{A\sim\pi}[\frac{\partial ln \pi(A|s;\theta)}{\partial \theta}\cdot Q\pi(s,A)]- \mathbb{E}{A\sim\pi}[b\cdot \frac{\partial \ \ln\pi(A|s;\theta)}{\partial\theta}] \=\mathbb{E}{A\sim\pi}[\frac{\partial ln \pi(A|s;\theta)}{\partial \theta}\cdot(Q_\pi(s,A)-b)]$$
  • 這樣引入b對期望 \(\mathbb{E}\) 沒有影響,為什么要引入 b 呢?
    • 策略梯度演算法中使用的并不是 嚴格的上述式子,而是它的蒙特卡洛近似;
    • b不影響期望,但是影響蒙特卡洛近似;
    • 如果 b 好,接近 \(Q_\pi\),那么會讓蒙特卡洛近似的方差更小,收斂速度更快,

14.2 策略梯度的蒙特卡洛近似

上面我們得到:\(\frac{\partial \ V_\pi(s_t)}{\partial \ \theta}=\mathbb{E}_{A_t\sim\pi}[\frac{\partial ln \pi(A_t|s_t;\theta)}{\partial \theta}\cdot(Q_\pi(s_t,A_t)-b)]\)

但直接求期望往往很困難,通常用蒙特卡洛近似期望,

  • \(g(A_t)=[\frac{\partial ln \pi(A_t|s_t;\theta)}{\partial \theta}\cdot(Q_\pi(s_t,A_t)-b)]\)

  • 根據策略函式 \(\pi\) 隨機抽樣 \(a_t\) ,計算 \(g(a_t)\),這就是上面期望的蒙特卡洛近似;\(g(a_t)=[\frac{\partial ln \pi(a_t|s_t;\theta)}{\partial \theta}\cdot(Q_\pi(s_t,a_t)-b)]\)

  • \(g(a_t)\) 是對策略梯度的無偏估計;

    因為:\(\mathbb{E}_{A_t\sim\pi}[g(A_t)]=\frac{\partial V_\pi(s_t)}{\partial\theta}\),期望相等,

  • \(g(a_t)\) 是個隨機梯度,是對策略梯度 \(\mathbb{E}_{A_t\sim\pi}[g(A_t)]\)的蒙特卡洛近似

  • 在實際訓練策略網路的時候,用隨機梯度上升更新引數θ:\(\theta \leftarrow \theta+\beta\cdot g(a_t)\)

  • 策略梯度是 \(g(a_t)\) 的期望,不論 b 是什么,只要與 A 無關,就都不會影響 \(g(A_t)\) 的期望,為什么不影響已經在 14.1 中講過了,

    • 但是 b 會影響 \(g(a_t)\)
    • 如果 b 選取的很好,很接近 \(Q_\pi\),那么隨機策略梯度\(g(a_t)\)的方差就會小;

14.3 Baseline的選取

介紹兩種常用的 baseline,

a. b=0

第一種就是把 baseline 取0,即與之前相同:\(\frac{\partial \ V_\pi(s)}{\partial \ \theta}=\mathbb{E}_{A\sim\pi}[\frac{\partial ln \pi(A|s;\theta)}{\partial \theta}\cdot Q_\pi(s,A)]\)

b. b= \(V_\pi\)

另一種就是取 b 為 \(V_\pi\),而 \(V_\pi\) 只依賴于當前狀態 \(s_t\),所以可以用來作為 b,并且 \(V_\pi\) 很接近 \(Q_\pi\),可以降低方差加速收斂,

因為 \(V_\pi(s_t)=\mathbb{E}[Q_\pi(s_t,A_t)]\),作為期望,V 很接近 Q,

14.4 Reinforce with Baseline

把 baseline 用于 Reinforce 演算法上,

a. 基本概念

  • 折扣回報:\(U_t=R_t+\gamma\cdot R_{t+1}+\gamma^2\cdot R_{t+2}+...\)

  • 動作價值函式:\(Q_\pi(s_t,a_t)=\mathbb{E}[U_t|s_t,a_t].\)

  • 狀態價值函式:\(V_\pi(s_t)=\mathbb{E}_A[Q_\pi(s_t,A)|s_t]\)

  • 應用 baseline 的策略梯度:使用的是上面第二種 baseline:

    \(\frac{\partial \ V_\pi(s_t)}{\partial \ \theta}=\mathbb{E}_{A_t\sim\pi}[g(A_t)]=\mathbb{E}_{A_t\sim\pi}[\frac{\partial ln \pi(A_t|s_t;\theta)}{\partial \theta}\cdot(Q_\pi(s_t,A_t)-V_\pi(s_t))]\)

  • 對動作進行抽樣,用 \(g(a_t)\) 做蒙特卡洛近似,為無偏估計(因為期望==策略梯度):\(a_t\sim\pi(\cdot|s_t;\theta)\)

    \(g(a_t)\) 就叫做 隨機策略梯度,用隨機抽取的動作 對應的值來代替期望,是策略梯度的隨即近似;這正是蒙特卡洛方法的應用,

    • \(g(a_t)=[\frac{\partial ln \pi(a_t|s_t;\theta)}{\partial \theta}\cdot(Q_\pi(s_t,a_t)-b)]\)

但上述公式中還是有不確定的項:\(Q_\pi \ \ V_\pi\),繼續近似:

  • 用觀測到的 \(u_t\) 近似 \(Q_\pi\),因為 \(Q_\pi(s_t,a_t)=\mathbb{E}[U_t|s_t,a_t].\)這也是一次蒙特卡洛近似,

    這也是 Reinforce 演算法的關鍵,

  • 用神經網路-價值網路 \(v(s;w)\) 近似 \(V_\pi\)

所以最終近似出來的 策略梯度 是:

\[\frac{\partial \ V_\pi(s_t)}{\partial \ \theta}\approx g(a_t)\approx\frac{\partial ln \pi(a_t|s_t;\theta)}{\partial \theta}\cdot(u_t-v(s;w)) \]

當我們知道 策略網路\(\pi\)、折扣回報\(u_t\) 以及 價值網路\(v\),就可以計算這個策略梯度,

我們總計做了3次近似:

  1. 用一個抽樣動作 \(a_t\) 帶入 \(g(a_t)\) 來近似期望;

  2. 用回報 \(u_t\) 近似動作價值函式\(Q_\pi\)

    1、2都是蒙特卡洛近似;

  3. 用神經網路近似狀態價值函式\(V_\pi\)

    函式近似,

b. 演算法程序

我們需要建立一個策略網路和一個價值網路,后者輔助訓練前者,

  • 策略網路:

image

  • 價值網路:

image

  • 引數共享:

image

用 Reinforce 演算法訓練策略網路,用回歸方法訓練價值網路,

  • 在一次訓練中 agent 獲得軌跡:\(s_1,a_1,r_1,s_2,a_2,r_2,...\)

  • 計算 \(u_t=\sum_{i=t}^n\gamma^{i-t}r^i\)

  • 更新策略網路

    1. 得到策略梯度:\(\frac{\partial \ V_\pi(s_t)}{\partial \ \theta}\approx\frac{\partial ln \pi(a_t|s_t;\theta)}{\partial \theta}\cdot(u_t-v(s;w))\)

    2. 梯度上升,更新引數:\(\theta\leftarrow \theta + \beta\cdot\frac{\partial\ln\pi(a_t|s_t;\theta)}{\partial\theta}\cdot(u_t-v(s_t;w))\)

      \(u_t-v(s_t;w)\)\(-\delta_t\)

      \(\theta\leftarrow \theta - \beta\cdot\frac{\partial\ln\pi(a_t|s_t;\theta)}{\partial\theta}\cdot \delta_t\)

  • 更新價值網路

    回顧一下價值網路的目標:\(V_\pi\)\(U_t\) 的期望,訓練價值網路是讓v接近期望 \(V_\pi\)

    1. 用觀測到的 \(u_t\) 擬合 v,兩者之間的誤差記為

      prediction error:\(\delta_t=v(s_t;w)-u_t\)

    2. 求導得策略梯度: \(\frac{\partial \delta^2/2}{\partial w}=\delta_t\cdot \frac{\partial v(s_t;w)}{\partial w}\)

    3. 梯度下降更新引數:\(w\leftarrow w-\alpha\cdot\delta_t\cdot\frac{\partial v(s_t;w)}{\partial w}\)

  • 如果軌跡的長度為n,可以對神經網路進行n次更新

14.5 A2C演算法

a.基本概念

Advantage Actor Critic. 把 baseline 用于 Actor-Critic 上,

所以需要一個策略網路 actor 和一個價值網路 critic,但與 第四篇筆記AC演算法有所不同,

  • 策略網路還是 \(\pi(a|s;\theta)\),而價值網路是 \(v(s;w)\),是對\(V_\pi\) 的近似,而不是第四篇筆記中的 \(Q_\pi\)

    因為 V 不依賴于動作,而 Q 依賴動作和狀態,故 近似V 的方法可以引入 baseline,

  • A2C 網路結構:

image

14.4 中的結構相同,區別在于訓練方法不同,

b. 訓練程序

  1. 觀察到一個 transition(\(s_t,a_t,r_t,s_{t+1}\))

  2. 計算 TD target:\(y_t=r_t+\gamma\cdot v(s_{t+1};w)\)

  3. 計算 TD error:\(\delta_t=v(s_t;w)-y_t\)

  4. 用策略網路梯度更新策略網路θ:\(\theta\leftarrow \theta-\beta\cdot\delta_t\cdot\frac{\partial\ln\pi(a_t|s_t;\theta)}{\partial \theta}\)

    注意!這里的 \(\delta_t\)? 是前文中的 \(u_t-v(s_t;w)\)\(-\delta_t\)

  5. 用TD更新價值網路:\(w\leftarrow w-\alpha\cdot\delta_t\cdot\frac{\partial v(s_t;w)}{\partial w}\)

c. 數學推導

A2C的基本程序就在上面,很簡潔,下面進行數學推導,

1.價值函式的性質
  • \(Q_\pi\)

    • TD演算法推導時用到過這個式子:\(Q_\pi(s_t,a_t)=\mathbb{E}_{S_{t+1},A_{t+1}}[R_t+\gamma\cdot Q_\pi(S_{t+1},A_{t+1})]\)

    • 隨機性來自 \(S_{t+1},A_{t+1}\),而對之求期望正好消掉了隨機性,可以把對 \(A_{t+1}\) 的期望放入括號內,\(R_t\)\(A_{t+1}\) 無關,則有 定理一

      \(Q_\pi(s_t,a_t)= \mathbb{E}_{S_{t+1}}[R_t+\gamma\cdot \mathbb{E}_{A_{t+1}}[Q_\pi(S_{t+1},A_{t+1})]\\=\mathbb{E}_{S_{t+1}}[R_t+\gamma\cdot V_\pi(s_{t+1})]\)

    • 即:\(Q_\pi(s_t,a_t)=\mathbb{E}_{S_{t+1}}[R_t+\gamma\cdot V_\pi(s_{t+1})]\)

  • \(V_\pi\)

    • 根據定義: \(V_\pi(s_t)=\mathbb{E}[Q_\pi(s_t,A_t)]\)

    • 將 Q 用 定理一 替換掉:

      \[V_\pi(s_t)=\mathbb{E}_{A_t}\mathbb{E}_{S_{t+1}}[R_t+\gamma\cdot V_\pi(S_{t+1})]\\=\mathbb{E}_{A_t,S_{t+1}}[R_t+\gamma\cdot V_\pi(S_{t+1})] \]

    • 這就是 定理二\(V_\pi(s_t)=\mathbb{E}_{A_t,S_{t+1}}[R_t+\gamma\cdot V_\pi(S_{t+1})]\)

這樣就將 Q 和 V 表示為期望的形式,A2C會用到這兩個期望,期望不好求,我們是用蒙特卡洛來近似求期望

  • 觀測到 transition(\(s_t,a_t,r_t,s_{t+1}\))

  • \(Q_\pi\)

    • \(Q_\pi(s_t,a_t)\approx r_t+\gamma\cdot V_\pi(s_{t+1})\)
    • 訓練策略網路;
  • \(V_\pi\)

    • \(V_\pi(s_t)\approx r_t+\gamma\cdot V_\pi(s_{t+1})\)
    • 訓練價值網路,這也是TD target 的來源;
2. 更新策略網路

即使用 baseline 的策略梯度演算法,

  • \(g(a_t)=[\frac{\partial ln \pi(a_t|s_t;\theta)}{\partial \theta}\cdot(Q_\pi(s_t,a_t)-V_\pi(s_t))]\)策略梯度的蒙特卡洛近似,

  • 前面Dueling Network提到過,\(Q_\pi-V_\pi\)是優勢函式 Advantage Function.

    這也是 A2C 的名字來源,

  • Q 和 V 都還不知道,需要做近似,14.5.c.1 中介紹了:

    • \(Q_\pi(s_t,a_t)\approx r_t+\gamma\cdot V_\pi(s_{t+1})\)
    • 所以是:\(g(a_t)\approx\frac{\partial ln \pi(a_t|s_t;\theta)}{\partial \theta}\cdot[(r_t+\gamma\cdot V_\pi(s_{t+1}))-V_\pi(s_t)]\)
    • \(V_\pi\) 進行函式近似 \(v(s;w)\)
    • 則得最終:\(g(a_t)\approx\frac{\partial ln \pi(a_t|s_t;\theta)}{\partial \theta}\cdot[(r_t+\gamma\cdot v(s_{t+1;w}))-v(s_{t;w})]\)

    用上式更新策略網路,

  • \(r_t+\gamma\cdot v(s_{t+1;w})\) 正是 TD target \(y_t\)

  • 梯度上升更新引數:\(\theta\leftarrow \theta-\beta\cdot\frac{\partial\ln\pi(a_t|s_t;\theta)}{\partial \theta}\cdot (y_t-v(s_t;w))\)

    這樣的梯度上升更好,

因為以上式子中都有 V,所以需要近似計算 V:

\(g(a_t)\approx\frac{\partial ln \pi(a_t|s_t;\theta)}{\partial \theta}\cdot\underbrace{[(r_t+\gamma\cdot V_\pi(s_{t+1}))-V_\pi(s_t)]}_{evaluation \ made \ by \ the \ critic}\)

3. 更新價值網路

采用 TD 演算法 更新價值網路,根據 14.5.b 有如下式子:

  • \(V_\pi(s_t)\approx r_t+\gamma\cdot V_\pi(s_{t+1})\)
  • 對上式得 \(V_\pi\) 做函式近似, 替換為 \(v(s_t;w),v(s_{t+1;w})\)
  • \(v(s_t;w)\approx \underbrace{r_t+\gamma\cdot v(s_{t+1};w)}_{TD \ target \ y_t}\)
  • 訓練價值網路就是要讓 \(v(s;w)\) 接近 \(y_t\)
    • TD error: \(\delta_t=v(s_t;w)-y_t\)
    • 梯度: \(\frac{\partial\delta^2_t/2}{\partial w}=\delta_t\cdot\frac{\partial v(s_t;w)}{\partial w}\)
    • 更新:\(w\leftarrow w-\alpha\cdot\delta_t\cdot\frac{\partial v(s_t;w)}{\partial w}\)
4. 有關的策略梯度

在A2C 演算法中的策略梯度:\(g(a_t)\approx\frac{\partial ln \pi(a_t|s_t;\theta)}{\partial \theta}\cdot[(r_t+\gamma\cdot v(s_{t+1;w}))-v(s_{t;w})]\)

會有這么一個問題,后面這一項是由價值網路給出對策略網路選出的動作進行打分,那么為什么這一項中沒有動作呢,沒有動作怎么給動作打分呢?

  • 注意這兩項:
  • \((r_t+\gamma\cdot v(s_{t+1;w}))\) 是執行完 \(a_t\) 后作出的預測
  • \(v(s_t;w)\) 是未執行 \(a_t\) 時作出的預測;
  • 兩者之差意味著動作 \(a_t\) 對于 V 的影響程度
  • 而在AC演算法中,價值網路給策略網路的是 q,而在A2C演算法中, 價值網路給策略網路的就是上兩式之差 advantage.

image

14.6 RwB 與A2C 的對比

  • 兩者的神經網路結構完全一樣

image

  • 不同的是價值網路

    • RwB 的價值網路只作為 baseline,不評價策略網路,用于降低隨機梯度造成的方差;
    • A2C 的價值網路時critic,評價策略網路;
  • RwB 是 A2C 的特殊形式,這一點下面 14.7 后會講,

14.7 A2C with m-step

單步 A2C 就是上面所講的內容,具體請見 14.5.b

而多步A2C就是使用 m 個連續 transition

  • \(y_t=\sum_{i=0}^{m-1}\gamma^i\cdot r_{t+1}+\gamma^m\cdot v(s_{t+m};w)\)
  • 具體參見m-step
  • 剩下的步驟沒有任何改變,只是 TD target 改變了,

下面解釋 RwB 和 A2C with m-step 的關系:

  • A2C with m-step 的TD target:\(y_t=\sum_{i=0}^{m-1}\gamma^i\cdot r_{t+1}+\gamma^m\cdot v(s_{t+m};w)\)
  • 如果使用所有的獎勵,上面兩項中的第二項(估計)就不存在,而第一項變成了
    • \(y_t=u_t=\sum_{i=t}^n \gamma^{i-t}\cdot r_i\)
    • 這就是 Reinforce with baseline.

x. 參考教程

  • 視頻課程:深度強化學習(全)_嗶哩嗶哩_bilibili
  • 視頻原地址:https://www.youtube.com/user/wsszju
  • 課件地址:https://github.com/wangshusen/DeepLearning

轉載請註明出處,本文鏈接:https://www.uj5u.com/qita/498754.html

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    Metamask錢包是一種基于區塊鏈技術的數字貨幣錢包,它允許用戶在安全、便捷的環境下管理自己的加密資產。Metamask錢包是以太坊生態系統中最流行的錢包之一,它具有易于使用、安全性高和功能強大等優點。 本文將詳細介紹Metamask錢包的功能和使用方法。 一、 Metamask錢包的功能 數字資 ......

    uj5u.com 2023-04-20 08:47:46 more
  • vulnhub_Earth

    前言 靶機地址->>>vulnhub_Earth 攻擊機ip:192.168.20.121 靶機ip:192.168.20.122 參考文章 https://www.cnblogs.com/Jing-X/archive/2022/04/03/16097695.html https://www.cnb ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:46:20 more
  • 從4k到42k,軟體測驗工程師的漲薪史,給我看哭了

    清明節一過,盲猜大家已經無心上班,在數著日子準備過五一,但一想到銀行卡里的余額……瞬間心情就不美麗了。最近,2023年高校畢業生就業調查顯示,本科畢業月平均起薪為5825元。調查一出,便有很多同學表示自己又被平均了。看著這一資料,不免讓人想到前不久中國青年報的一項調查:近六成大學生認為畢業10年內會 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:44:00 more
  • 最新版本 Stable Diffusion 開源 AI 繪畫工具之中文自動提詞篇

    🎈 標簽生成器 由于輸入正向提示詞 prompt 和反向提示詞 negative prompt 都是使用英文,所以對學習母語的我們非常不友好 使用網址:https://tinygeeker.github.io/p/ai-prompt-generator 這個網址是為了讓大家在使用 AI 繪畫的時候 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:43:36 more
  • 漫談前端自動化測驗演進之路及測驗工具分析

    隨著前端技術的不斷發展和應用程式的日益復雜,前端自動化測驗也在不斷演進。隨著 Web 應用程式變得越來越復雜,自動化測驗的需求也越來越高。如今,自動化測驗已經成為 Web 應用程式開發程序中不可或缺的一部分,它們可以幫助開發人員更快地發現和修復錯誤,提高應用程式的性能和可靠性。 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:43:16 more
  • CANN開發實踐:4個DVPP記憶體問題的典型案例解讀

    摘要:由于DVPP媒體資料處理功能對存放輸入、輸出資料的記憶體有更高的要求(例如,記憶體首地址128位元組對齊),因此需呼叫專用的記憶體申請介面,那么本期就分享幾個關于DVPP記憶體問題的典型案例,并給出原因分析及解決方法。 本文分享自華為云社區《FAQ_DVPP記憶體問題案例》,作者:昇騰CANN。 DVPP ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:43:03 more
  • msf學習

    msf學習 以kali自帶的msf為例 一、msf核心模塊與功能 msf模塊都放在/usr/share/metasploit-framework/modules目錄下 1、auxiliary 輔助模塊,輔助滲透(埠掃描、登錄密碼爆破、漏洞驗證等) 2、encoders 編碼器模塊,主要包含各種編碼 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:42:59 more
  • Halcon軟體安裝與界面簡介

    1. 下載Halcon17版本到到本地 2. 雙擊安裝包后 3. 步驟如下 1.2 Halcon軟體安裝 界面分為四大塊 1. Halcon的五個助手 1) 影像采集助手:與相機連接,設定相機引數,采集影像 2) 標定助手:九點標定或是其它的標定,生成標定檔案及內參外參,可以將像素單位轉換為長度單位 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:42:17 more
  • 在MacOS下使用Unity3D開發游戲

    第一次發博客,先發一下我的游戲開發環境吧。 去年2月份買了一臺MacBookPro2021 M1pro(以下簡稱mbp),這一年來一直在用mbp開發游戲。我大致分享一下我的開發工具以及使用體驗。 1、Unity 官網鏈接: https://unity.cn/releases 我一般使用的Apple ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:40:19 more