具有多个耦合序列的随机近似（SA）在机器学习中发现了广泛的应用，例如双光线学习和增强学习（RL）。在本文中，我们研究了具有多个耦合序列的非线性SA的有限时间收敛。与现有的多时间分析不同，我们寻求方案，在这些方案中，细粒度分析可以为多序列单次尺度SA（STSA）提供严格的性能保证。我们分析的核心是在许多应用中具有多序列SA中固定点的平滑度。当所有序列都具有强烈的单调增量时，我们就建立了$ \ Mathcal {o}（\ epsilon^{ - 1}）$的迭代复杂性，以实现$ \ epsilon $ -Accuracy，从而改善了现有的$ \ Mathcal {O} {O}（O}（O}）（O}（O}（O}）） \ epsilon^{ - 1.5}）$对于两个耦合序列的复杂性。当除了主序列外具有强烈单调增量时，我们建立了$ \ Mathcal {o}（\ epsilon^{ - 2}）$的迭代复杂性。我们的结果的优点在于，将它们应用于随机的二聚体和组成优化问题，以及RL问题会导致对其现有性能保证的放松假设或改进。

本文分析了双模的彼此优化随机算法框架。 Bilevel优化是一类表现出两级结构的问题，其目标是使具有变量的外目标函数最小化，该变量被限制为对（内部）优化问题的最佳解决方案。我们考虑内部问题的情况是不受约束的并且强烈凸起的情况，而外部问题受到约束并具有平滑的目标函数。我们提出了一种用于解决如此偏纤维问题的两次时间尺度随机近似（TTSA）算法。在算法中，使用较大步长的随机梯度更新用于内部问题，而具有较小步长的投影随机梯度更新用于外部问题。我们在各种设置下分析了TTSA算法的收敛速率：当外部问题强烈凸起（RESP。〜弱凸）时，TTSA算法查找$ \ MATHCAL {O}（k ^ { - 2/3}）$ -Optimal（resp。〜$ \ mathcal {o}（k ^ {-2/5}）$ - 静止）解决方案，其中$ k $是总迭代号。作为一个应用程序，我们表明，两个时间尺度的自然演员 - 批评批评近端策略优化算法可以被视为我们的TTSA框架的特殊情况。重要的是，与全球最优政策相比，自然演员批评算法显示以预期折扣奖励的差距，以$ \ mathcal {o}（k ^ { - 1/4}）的速率收敛。

在本文中，我们在表格设置中建立了违法演员批评算法的全球最优性和收敛速度，而不使用密度比来校正行为政策的状态分布与目标政策之间的差异。我们的工作超出了现有的工作原理，最佳的策略梯度方法中的现有工作中使用确切的策略渐变来更新策略参数时，我们使用近似和随机更新步骤。我们的更新步骤不是渐变更新，因为我们不使用密度比以纠正状态分布，这与从业者做得好。我们的更新是近似的，因为我们使用学习的评论家而不是真正的价值函数。我们的更新是随机的，因为在每个步骤中，更新仅为当前状态操作对完成。此外，我们在分析中删除了现有作品的几个限制性假设。我们的工作中的核心是基于其均匀收缩性能的时源性Markov链中的通用随机近似算法的有限样本分析。

参与者 - 批评（AC）增强学习算法一直是许多具有挑战性的应用背后的强大力量。然而，它的收敛性一般都是脆弱的。为了研究其不稳定性，现有作品主要考虑具有有限状态和动作空间的罕见的双环变体或基本模型。我们研究了更实用的单样本两次尺度AC，用于解决规范线性二次调节器（LQR）问题，其中演员和评论家在每个迭代中仅在无界的连续状态和动作空间中使用单个迭代中的单个样本更新一次。现有的分析无法得出这样一个具有挑战性的情况的融合。我们开发了一个新的分析框架，该框架允许建立全局收敛到$ \ epsilon $ -optimal解决方案，最多最多是$ \ tilde {\ Mathcal {o}}}（\ epsilon^{ - 2.5}）$样本复杂性。据我们所知，这是单个样本两次尺度AC的第一个有限时间收敛分析，用于以全球最优性求解LQR。样本复杂性通过订单改善了其他变体的复杂性，从而阐明了单个样品算法的实际智慧。我们还通过全面的模拟比较进一步验证了理论发现。

在这项工作中，我们研究了解决强化学习问题的基于政策的方法，其中采用了非政策性采样和线性函数近似进行政策评估，以及包括自然政策梯度（NPG）在内的各种政策更新规则，用于政策更新。为了在致命三合会的存在下解决政策评估子问题，我们提出了一个通用算法的多步型TD学习框架，具有广义的重要性抽样比率，其中包括两个特定的算法：$ \ lambda $ Q Q $ Q Q $ - 跟踪和双面$ Q $ - 跟踪。通用算法是单个时间尺度，具有可证明的有限样本保证，并克服了非政策学习中的高方差问题。至于策略更新，我们仅使用Bellman操作员的收缩属性和单调性属性提供通用分析，以在各种策略更新规则下建立几何融合。重要的是，通过将NPG视为实施政策迭代的近似方法，我们在不引入正则化的情况下建立了NPG的几何融合，并且不使用现有文献中的镜像下降类型的分析类型。将策略更新的几何融合与策略评估的有限样本分析相结合，我们首次建立了整​​体$ \ Mathcal {o}（\ Epsilon^{ - 2}）$样本复杂性以找到最佳策略（最多达到函数近似误差）使用基于策略的方法和线性函数近似下的基于策略的方法。

分散的参与者 - 批评（AC）算法已被广泛用于多机构增强学习（MARL），并取得了杰出的成功。除了其经验成功之外，分散的AC算法的理论收敛性在很大程度上没有探索。现有的有限时间收敛结果是基于双环更新或两次尺度的步骤规则得出的，这在实际实施中不经常采用。在这项工作中，我们介绍了一种完全分散的AC算法，演员，评论家和全球奖励估算器以交替的方式更新，阶跃尺寸的顺序相同，即，我们采用\ emph {single-emph {single-timesscale}更新。从理论上讲，使用线性近似进行价值和奖励估计，我们表明我们的算法具有$ \ tilde {\ Mathcal {o}}}（\ epsilon^{ - 2}）$的样本复杂性，在马尔可夫式采样下与最佳复杂性相匹配双环实现（在此，$ \ tilde {\ Mathcal {o}} $隐藏了日志项）。样本复杂性可以提高到$ {\ Mathcal {o}}（\ epsilon^{ - 2}）$下的I.I.D.采样方案。建立我们的复杂性结果的核心是\ emph {我们揭示的最佳评论家变量的隐藏平滑度}。我们还提供了算法及其分析的本地动作隐私版本。最后，我们进行实验，以显示我们算法优于现有的分散AC算法的优势。

我们研究了平均奖励马尔可夫决策过程（AMDP）的问题，并开发了具有强大理论保证的新型一阶方法，以进行政策评估和优化。由于缺乏勘探，现有的彻底评估方法遭受了次优融合率以及处理不足的随机策略（例如确定性政策）的失败。为了解决这些问题，我们开发了一种新颖的差异时间差异（VRTD）方法，具有随机策略的线性函数近似以及最佳收敛保证，以及一种探索性方差降低的时间差（EVRTD）方法，用于不充分的随机策略，可相当的融合保证。我们进一步建立了政策评估偏见的线性收敛速率，这对于改善策略优化的总体样本复杂性至关重要。另一方面，与对MDP的政策梯度方法的有限样本分析相比，对AMDP的策略梯度方法的现有研究主要集中在基础马尔可夫流程的限制性假设下（例如，参见Abbasi-e， Yadkori等人，2019年），他们通常缺乏整体样本复杂性的保证。为此，我们开发了随机策略镜下降（SPMD）的平均奖励变体（LAN，2022）。我们建立了第一个$ \ widetilde {\ Mathcal {o}}（\ epsilon^{ - 2}）$样品复杂性，用于在生成模型（带有UNICHAIN假设）和Markovian Noise模型（使用Ergodicicic Modele（具有核能的模型）下，使用策略梯度方法求解AMDP假设）。该界限可以进一步改进到$ \ widetilde {\ Mathcal {o}}}（\ epsilon^{ - 1}）$用于求解正则化AMDPS。我们的理论优势通过数值实验来证实。

我们研究了随机近似程序，以便基于观察来自ergodic Markov链的长度$ n $的轨迹来求近求解$ d -dimension的线性固定点方程。我们首先表现出$ t _ {\ mathrm {mix}} \ tfrac {n}} \ tfrac {n}} \ tfrac {d}} \ tfrac {d} {n} $的非渐近性界限。$ t _ {\ mathrm {mix $是混合时间。然后，我们证明了一种在适当平均迭代序列上的非渐近实例依赖性，具有匹配局部渐近最小的限制的领先术语，包括对参数$的敏锐依赖（d，t _ {\ mathrm {mix}}） $以高阶术语。我们将这些上限与非渐近Minimax的下限补充，该下限是建立平均SA估计器的实例 - 最优性。我们通过Markov噪声的政策评估导出了这些结果的推导 - 覆盖了所有$ \ lambda \中的TD（$ \ lambda $）算法，以便[0,1）$ - 和线性自回归模型。我们的实例依赖性表征为HyperParameter调整的细粒度模型选择程序的设计开放了门（例如，在运行TD（$ \ Lambda $）算法时选择$ \ lambda $的值）。

We study the problem of estimating the fixed point of a contractive operator defined on a separable Banach space. Focusing on a stochastic query model that provides noisy evaluations of the operator, we analyze a variance-reduced stochastic approximation scheme, and establish non-asymptotic bounds for both the operator defect and the estimation error, measured in an arbitrary semi-norm. In contrast to worst-case guarantees, our bounds are instance-dependent, and achieve the local asymptotic minimax risk non-asymptotically. For linear operators, contractivity can be relaxed to multi-step contractivity, so that the theory can be applied to problems like average reward policy evaluation problem in reinforcement learning. We illustrate the theory via applications to stochastic shortest path problems, two-player zero-sum Markov games, as well as policy evaluation and $Q$-learning for tabular Markov decision processes.

In many sequential decision-making problems one is interested in minimizing an expected cumulative cost while taking into account risk, i.e., increased awareness of events of small probability and high consequences. Accordingly, the objective of this paper is to present efficient reinforcement learning algorithms for risk-constrained Markov decision processes (MDPs), where risk is represented via a chance constraint or a constraint on the conditional value-at-risk (CVaR) of the cumulative cost. We collectively refer to such problems as percentile risk-constrained MDPs. Specifically, we first derive a formula for computing the gradient of the Lagrangian function for percentile riskconstrained MDPs. Then, we devise policy gradient and actor-critic algorithms that (1) estimate such gradient, (2) update the policy in the descent direction, and (3) update the Lagrange multiplier in the ascent direction. For these algorithms we prove convergence to locally optimal policies. Finally, we demonstrate the effectiveness of our algorithms in an optimal stopping problem and an online marketing application.

我们在$ \ Gamma $ -diScounted MDP中使用Polyak-Ruppert平均（A.K.A.，平均Q-Leaning）进行同步Q学习。我们为平均迭代$ \ bar {\ boldsymbol {q}}建立渐近常态。此外，我们展示$ \ bar {\ boldsymbol {q}} _ t $实际上是一个常规的渐近线性（RAL）估计值，用于最佳q-value函数$ \ boldsymbol {q} ^ * $与最有效的影响功能。它意味着平均Q学习迭代在所有RAL估算器之间具有最小的渐近方差。此外，我们为$ \ ell _ {\ infty} $错误$ \ mathbb {e} \ | \ | \ bar {\ boldsymbol {q}} _ t- \ boldsymbol {q} ^ *} ^ *} _ {\ idty} $，显示它与实例相关的下限以及最佳最低限度复杂性下限。作为一个副产品，我们发现Bellman噪音具有var-gaussian坐标，具有方差$ \ mathcal {o}（（1- \ gamma）^ {-1}）$而不是现行$ \ mathcal {o}（（1- \ Gamma）^ { - 2}）$根据标准界限奖励假设。子高斯结果有可能提高许多R1算法的样本复杂性。简而言之，我们的理论分析显示平均Q倾斜在统计上有效。

在本文中，我们考虑基于移动普通（SEMA）的广泛使用但不完全了解随机估计器，其仅需要{\ bf是一般无偏的随机oracle}。我们展示了Sema在一系列随机非凸优化问题上的力量。特别是，我们分析了基于SEMA的SEMA的{\ BF差异递归性能的各种随机方法（现有或新提出），即三个非凸优化，即标准随机非凸起最小化，随机非凸强烈凹入最小最大优化，随机均方优化。我们的贡献包括：（i）对于标准随机非凸起最小化，我们向亚当风格方法（包括ADAM，AMSGRAD，Adabound等）提供了一个简单而直观的融合证明，随着越来越大的“势头” “一阶时刻的参数，它给出了一种替代但更自然的方式来保证亚当融合; （ii）对于随机非凸强度凹入的最小值优化，我们介绍了一种基于移动平均估计器的单环原始 - 双随机动量和自适应方法，并确定其Oracle复杂性$ O（1 / \ epsilon ^ 4）$不使用大型批量大小，解决文献中的差距; （iii）对于随机双脚优化，我们介绍了一种基于移动平均估计器的单环随机方法，并确定其Oracle复杂性$ \ widetilde o（1 / \ epsilon ^ 4）$，而无需计算Hessian矩阵的SVD，改善最先进的结果。对于所有这些问题，我们还建立了使用随机梯度估计器的差异递减结果。

我们改进了用于分析非凸优化随机梯度下降（SGD）的最新工具，以获得香草政策梯度（PG） - 加强和GPOMDP的收敛保证和样本复杂性。我们唯一的假设是预期回报是平滑的w.r.t.策略参数以及其渐变的第二个时刻满足某种\ EMPH {ABC假设}。 ABC的假设允许梯度的第二时刻绑定为\ geq 0 $次的子项优差距，$ b \ geq 0 $乘以完整批量梯度的标准和添加剂常数$ c \ geq 0 $或上述任何组合。我们表明ABC的假设比策略空间上的常用假设更为一般，以证明收敛到静止点。我们在ABC的假设下提供单个融合定理，并表明，尽管ABC假设的一般性，我们恢复了$ \ widetilde {\ mathcal {o}}（\ epsilon ^ {-4}）$样本复杂性pg 。我们的融合定理还可在选择超参数等方面提供更大的灵活性，例如步长和批量尺寸的限制$ M $。即使是单个轨迹案例（即，$ M = 1 $）适合我们的分析。我们认为，ABC假设的一般性可以为PG提供理论担保，以至于以前未考虑的更广泛的问题。

我们研究了具有有限和结构的平滑非凸化优化问题的随机重新洗脱（RR）方法。虽然该方法在诸如神经网络的训练之类的实践中广泛利用，但其会聚行为仅在几个有限的环境中被理解。在本文中，在众所周知的Kurdyka-LojasiewiCz（KL）不等式下，我们建立了具有适当递减步长尺寸的RR的强极限点收敛结果，即，RR产生的整个迭代序列是会聚并会聚到单个静止点几乎肯定的感觉。 In addition, we derive the corresponding rate of convergence, depending on the KL exponent and the suitably selected diminishing step sizes.当KL指数在$ [0，\ FRAC12] $以$ [0，\ FRAC12] $时，收敛率以$ \ mathcal {o}（t ^ { - 1}）$的速率计算，以$ t $ counting迭代号。当KL指数属于$（\ FRAC12,1）$时，我们的派生收敛速率是FORM $ \ MATHCAL {O}（T ^ { - Q}）$，$ Q \ IN（0,1）$取决于在KL指数上。基于标准的KL不等式的收敛分析框架仅适用于具有某种阶段性的算法。我们对基于KL不等式的步长尺寸减少的非下降RR方法进行了新的收敛性分析，这概括了标准KL框架。我们总结了我们在非正式分析框架中的主要步骤和核心思想，这些框架是独立的兴趣。作为本框架的直接应用，我们还建立了类似的强极限点收敛结果，为重组的近端点法。

在标准数据分析框架中，首先收集数据（全部一次），然后进行数据分析。此外，通常认为数据生成过程是外源性的。当数据分析师对数据的生成方式没有影响时，这种方法是自然的。但是，数字技术的进步使公司促进了从数据中学习并同时做出决策。随着这些决定生成新数据，数据分析师（业务经理或算法）也成为数据生成器。这种相互作用会产生一种新型的偏见 - 增强偏见 - 加剧了静态数据分析中的内生性问题。因果推理技术应该被纳入加强学习中以解决此类问题。

具有线性函数近似的贪婪GQ，最初在\ cite {maei2010toward}中提出，是一种基于价值的基础外算法，用于增强增强学习中的最佳控制，并且具有非线性的两个时间尺度结构，具有非convex目标函数。本文开发其有限的时间误差范围。我们表明，贪婪的GQ算法在I.I.D. \ serat和$ \ Mathcal {O}下（{\ log t}（{\ log t}）下，贪婪的算法的收敛如$ \ Mathcal {O}（{1}/{{1}/{\ sqrt {t}}）$ /{\ sqrt {t}}）$在马尔可夫设置下。我们进一步设计了使用嵌套环方法的香草贪婪-GQ算法的变体，并证明其样品复杂性为$ \ Mathcal {o}（{\ log（1/\ epsilon）\ Epsilon^epsilon^{ - 2}}}}}} ）$，与香草贪婪的GQ之一相匹配。我们的有限时间误差界限与用于一般平滑非凸优化问题的随机梯度下降算法之一匹配。我们的有限样本分析提供了理论指南，以选择在实践中选择更快的融合的步骤尺寸，并建议在收敛速度和获得的政策质量之间进行权衡。本文我们的技术提供了一种通用方法，用于对非凸的两个基于时值的强化学习算法进行有限样本分析。

强化学习被广泛用于在与环境互动时需要执行顺序决策的应用中。当决策要求包括满足一些安全限制时，问题就变得更加具有挑战性。该问题在数学上是作为约束的马尔可夫决策过程（CMDP）提出的。在文献中，可以通过无模型的方式解决各种算法来解决CMDP问题，以实现$ \ epsilon $ - 最佳的累积奖励，并使用$ \ epsilon $可行的政策。 $ \ epsilon $可行的政策意味着它遭受了违规的限制。这里的一个重要问题是，我们是否可以实现$ \ epsilon $ - 最佳的累积奖励，并违反零约束。为此，我们主张使用随机原始偶对偶方法来解决CMDP问题，并提出保守的随机原始二重算法（CSPDA），该算法（CSPDA）显示出$ \ tilde {\ tilde {\ Mathcal {o}} \ left（1 /\ epsilon^2 \ right）$样本复杂性，以实现$ \ epsilon $ - 最佳累积奖励，违反零约束。在先前的工作中，$ \ epsilon $ - 最佳策略的最佳可用样本复杂性是零约束的策略是$ \ tilde {\ Mathcal {o}}} \ left（1/\ epsilon^5 \ right）$。因此，与最新技术相比，拟议的算法提供了重大改进。

Q学习长期以来一直是最受欢迎的强化学习算法之一，几十年来，Q学习的理论分析一直是一个活跃的研究主题。尽管对Q-学习的渐近收敛分析的研究具有悠久的传统，但非肿瘤收敛性直到最近才受到积极研究。本文的主要目的是通过控制系统的观点研究马尔可夫观察模型下异步Q学习的新有限时间分析。特别是，我们引入了Q学习的离散时间变化的开关系统模型，并减少了分析的步骤尺寸，这显着改善了使用恒定步骤尺寸的开关系统分析的最新开发，并导致\（\（\）（\） Mathcal {o} \ left（\ sqrt {\ frac {\ log k} {k}}} \ right）\）\）\）\）\）\）\）\）与大多数艺术状态相当或更好。同时，新应用了使用类似转换的技术，以避免通过减小的步骤尺寸提出的分析中的难度。提出的分析带来了其他见解，涵盖了不同的方案，并提供了新的简化模板，以通过其独特的连接与离散时间切换系统的独特联系来加深我们对Q学习的理解。

我们提出了一种新的多功能增强学习的新型政策梯度方法，其利用了两个不同的差异减少技术，并且不需要在迭代上进行大量批次。具体而言，我们提出了一种基于势头的分散策略梯度跟踪（MDPGT），其中使用新的基于动量的方差减少技术来接近具有重要性采样的本地策略梯度代理，并采用中间参数来跟踪两个连续的策略梯度代理。此外，MDPGT可证明$ \ mathcal {o}的最佳可用样本复杂性（n ^ { - 1} \ epsilon ^ {-3}）$，用于汇聚到全球平均值的$ \ epsilon $ -stationary点n $本地性能函数（可能是非旋转）。这优于在分散的无模型增强学习中的最先进的样本复杂性，并且当用单个轨迹初始化时，采样复杂性与现有的分散的政策梯度方法获得的样本复杂性匹配。我们进一步验证了高斯策略函数的理论索赔。当所需的误差容忍$ \ epsilon $足够小时，MDPGT导致线性加速，以前已经在分散的随机优化中建立，但不是为了加强学习。最后，我们在多智能体增强学习基准环境下提供了实证结果，以支持我们的理论发现。

我们研究了线性函数近似的政策评估问题，并且目前具有强烈的最优性保证的高效实用算法。我们首先通过证明在这个问题中建立基线的下限来建立基线和随机错误。特别是，我们在与转换内核的静止分布相关联的实例相关规范中证明了Oracle复杂性下限，并使用本地渐近最低限度机械在随机误差中证明依赖于随机误差的实例相关的下限IID观察模型。现有算法未能匹配这些下限中的至少一个：为了说明，我们分析了时间差异学习的方差减少变体，特别是它未能实现Oracle复杂性下限。为了解决这个问题，我们开发了加速，方差减少的快速时间差算法（VRFTD），其同时匹配两个下限，并达到实例 - 最优性的强烈概念。最后，我们将VRFTD算法扩展到Markovian观察的设置，并提供与I.I.D中的实例相关的收敛结果。设置到与链条的混合时间成比例的乘法因子。我们的理论保证最佳的最佳保证是通过数值实验证实的。