We incorporate statistical confidence intervals in both the multi-armed bandit and the reinforcement learning problems. In the bandit problem we show that given n arms, it suffices to pull the arms a total of O (n/ε 2 ) log(1/δ) times to find an ε-optimal arm with probability of at least 1 − δ. This bound matches the lower bound of Mannor and Tsitsiklis (2004) up to constants. We also devise action elimination procedures in reinforcement learning algorithms. We describe a framework that is based on learning the confidence interval around the value function or the Q-function and eliminating actions that are not optimal (with high probability). We provide a model-based and a model-free variants of the elimination method. We further derive stopping conditions guaranteeing that the learned policy is approximately optimal with high probability. Simulations demonstrate a considerable speedup and added robustness over ε-greedy Q-learning. * . Preliminary and partial results from this work appeared as extended abstracts in COLT 2002 and ICML 2003.

在线强化学习（RL）中的挑战之一是代理人需要促进对环境的探索和对样品的利用来优化其行为。无论我们是否优化遗憾，采样复杂性，状态空间覆盖范围或模型估计，我们都需要攻击不同的勘探开发权衡。在本文中，我们建议在分离方法组成的探索 - 剥削问题：1）“客观特定”算法（自适应）规定哪些样本以收集到哪些状态，似乎它可以访问a生成模型（即环境的模拟器）; 2）负责尽可能快地生成规定样品的“客观无关的”样品收集勘探策略。建立最近在随机最短路径问题中进行探索的方法，我们首先提供一种算法，它给出了每个状态动作对所需的样本$ B（S，a）$的样本数量，需要$ \ tilde {o} （bd + d ^ {3/2} s ^ 2 a）收集$ b = \ sum_ {s，a} b（s，a）$所需样本的$时间步骤，以$ s $各国，$ a $行动和直径$ d $。然后我们展示了这种通用探索算法如何与“客观特定的”策略配对，这些策略规定了解决各种设置的样本要求 - 例如，模型估计，稀疏奖励发现，无需无成本勘探沟通MDP - 我们获得改进或新颖的样本复杂性保证。

强化学习理论集中在两个基本问题上：实现低遗憾，并确定$ \ epsilon $ - 最佳政策。虽然简单的减少允许人们应用低温算法来获得$ \ epsilon $ - 最佳政策并达到最坏的最佳速率，但尚不清楚低regret算法是否可以获得实例 - 最佳率的策略识别率。我们表明这是不可能的 - 在遗憾和确定$ \ epsilon $ - 最佳政策之间以最佳的利率确定了基本的权衡。由于我们的负面发现，我们提出了针对PAC表格增强学习实例依赖性样本复杂性的新量度，该方法明确说明了基础MDP中可达到的国家访问分布。然后，我们提出和分析一种基于计划的新型算法，该算法达到了这种样本的复杂性 - 产生的复杂性会随着次要差距和状态的“可达到性”而缩放。我们显示我们的算法几乎是最小的最佳选择，并且在一些示例中，我们实例依赖性样品复杂性比最差案例界限可显着改善。

We study learning contextual MDPs using a function approximation for both the rewards and the dynamics. We consider both the case that the dynamics dependent or independent of the context. For both models we derive polynomial sample and time complexity (assuming an efficient ERM oracle). Our methodology gives a general reduction from learning contextual MDP to supervised learning.

Model-free reinforcement learning (RL) algorithms, such as Q-learning, directly parameterize and update value functions or policies without explicitly modeling the environment. They are typically simpler, more flexible to use, and thus more prevalent in modern deep RL than model-based approaches. However, empirical work has suggested that model-free algorithms may require more samples to learn [7,22]. The theoretical question of "whether model-free algorithms can be made sample efficient" is one of the most fundamental questions in RL, and remains unsolved even in the basic scenario with finitely many states and actions.We prove that, in an episodic MDP setting, Q-learning with UCB exploration achieves regret Õ( √ H 3 SAT ), where S and A are the numbers of states and actions, H is the number of steps per episode, and T is the total number of steps. This sample efficiency matches the optimal regret that can be achieved by any model-based approach, up to a single √ H factor. To the best of our knowledge, this is the first analysis in the model-free setting that establishes √ T regret without requiring access to a "simulator." * The first two authors contributed equally.

最近有兴趣了解地平线依赖于加固学习（RL）的样本复杂性。值得注意的是，对于具有Horizo​​ n长度$ H $的RL环境，之前的工作表明，使用$ \ mathrm {polylog}（h）有可能学习$ o（1）$ - 最佳策略的可能大致正确（pac）算法$当州和行动的数量固定时的环境交互剧集。它尚不清楚$ \ mathrm {polylog}（h）$依赖性是必要的。在这项工作中，我们通过开发一种算法来解决这个问题，该算法在仅使用ONTO（1）美元的环境交互的同时实现相同的PAC保证，完全解决RL中样本复杂性的地平线依赖性。我们通过（i）在贴现和有限地平线马尔可夫决策过程（MDP）和（ii）在MDP中的新型扰动分析中建立价值函数之间的联系。我们相信我们的新技术具有独立兴趣，可在RL中应用相关问题。

在表格设置下，我们研究了折扣马尔可夫决策过程（MDP）的强化学习问题。我们提出了一种名为UCBVI - $ \ Gamma $的基于模型的算法，该算法基于\ emph {面对不确定原理}和伯尔斯坦型奖金的乐观。我们展示了UCBVI - $ \ Gamma $实现了一个$ \ tilde {o} \ big（{\ sqrt {sat}} / {（1- \ gamma）^ {1.5}} \ big）$后悔，在哪里$ s $是州的数量，$ a $是行动的数量，$ \ gamma $是折扣因子，$ t $是步数。此外，我们构建了一类硬MDP并表明对于任何算法，预期的遗憾是至少$ \ tilde {\ omega} \ big（{\ sqrt {sat}} / {（1- \ gamma）^ {1.5}} \大）$。我们的上限与对数因子的最低限度相匹配，这表明UCBVI - $ \ Gamma $几乎最小的贴现MDP。

我们在生成模型下研究了固定置信度设置中的折扣线性马尔可夫决策过程中最佳政策识别的问题。我们首先在实例特定的下限上获得了识别$ \ varepsilon $ - 最佳策略所需的预期数量，并具有概率$ 1- \ delta $。下边界将最佳采样规则表征为复杂的非凸优化程序的解决方案，但可以用作设计简单而近乎最佳的采样规则和算法的起点。我们设计了这样的算法。其中之一展示了样本复杂性上限，由$ {\ cal o}（{\ frac {d} {（\ varepsilon+\ delta）^2}}}}（\ log（\ frac {1} {\ delta} {\ delta}）+d d d}} ））$，其中$ \ delta $表示次优的动作的最小奖励差距和$ d $是功能空间的尺寸。该上限处于中等信心状态（即，对于所有$ \ delta $），并与现有的minimax和Gap依赖的下限匹配。我们将算法扩展到情节线性MDP。

在大约正确的（PAC）强化学习（RL）中，需要代理来识别具有$ 1- \ delta $的$ \ epsilon $最佳政策。尽管此问题存在最小值最佳算法，但其实例依赖性复杂性在情节马尔可夫决策过程（MDPS）中仍然难以捉摸。在本文中，我们提出了具有有限状态和动作空间的确定性情节MDP中PAC RL样品复杂性的第一个（几乎）匹配的上限和下限。特别是，我们的界限为国家行动对的新概念构成了我们称为确定性返回差距的新概念。尽管我们的依赖实例的下限是作为线性程序编写的，但我们的算法非常简单，并且在学习过程中不需要解决这样的优化问题。他们的设计和分析采用了新颖的想法，包括图理论概念，例如最小流量和最大削减，我们认为这为这个问题提供了新的启示。

我们使用访问离线最小二乘回归甲骨文的访问权限，在最低可及性假设下为随机上下文MDP提供了遗憾的最小化算法。我们分析了三个不同的设置：在该动力学的位置，动力学是未知的，但独立于上下文和最具挑战性的设置，而动力学是未知和上下文依赖性的。对于后者，我们的算法获得$ \ tilde {o} \ left（\ max \ {h，{1}/{p_ {min}}} \} \} t \ log（\ max \ {| \ mathcal {f} |，| \ mathcal {p} | \}/\ delta）} \ right）$ hearse bunder bund bund bund bund bund bund bund bunging bund bunger，probinality $ 1- \ delta $，其中$ \ mathcal { P} $和$ \ Mathcal {f} $是用于分别近似动态和奖励的有限且可实现的函数类，$ p_ {min} $是最小可及性参数，$ s $是一组状态，$ a $ a $一组动作，$ h $ the Horizo​​n和$ t $情节数。据我们所知，我们的方法是使用一般函数近似的上下文MDP的第一种乐观方法（即，在没有其他有关功能类别的知识的情况下，例如线性等）。此外，我们还提供$ \ omega的下限即使在已知的动态情况下，也会产生预期的遗憾。

我们研究了基于模型的无奖励加强学习，具有ePiSodic Markov决策过程的线性函数近似（MDP）。在此设置中，代理在两个阶段工作。在勘探阶段，代理商与环境相互作用并在没有奖励的情况下收集样品。在规划阶段，代理商给出了特定的奖励功能，并使用从勘探阶段收集的样品来学习良好的政策。我们提出了一种新的可直接有效的算法，称为UCRL-RFE在线性混合MDP假设，其中MDP的转换概率内核可以通过线性函数参数化，在状态，动作和下一个状态的三联体上定义的某些特征映射上参数化。我们展示了获得$ \ epsilon $-Optimal策略进行任意奖励函数，Ucrl-RFE需要以大多数$ \ tilde {\ mathcal {o}}来进行采样（h ^ 5d ^ 2 \ epsilon ^ { - 2}）勘探阶段期间的$派对。在这里，$ H $是集的长度，$ d $是特征映射的尺寸。我们还使用Bernstein型奖金提出了一种UCRL-RFE的变种，并表明它需要在大多数$ \ TINDE {\ MATHCAL {o}}（H ^ 4D（H + D）\ epsilon ^ { - 2}）进行样本$达到$ \ epsilon $ -optimal政策。通过构建特殊类的线性混合MDPS，我们还证明了对于任何无奖励算法，它需要至少为$ \ TINDE \ OMEGA（H ^ 2d \ epsilon ^ { - 2}）$剧集来获取$ \ epsilon $ -optimal政策。我们的上限与依赖于$ \ epsilon $的依赖性和$ d $ if $ h \ ge d $。

从最小值和实例依赖性视图中，已经对乐观算法进行了广泛的研究，以在情节表格MDP中进行遗憾的最小化。但是，对于PAC RL问题，目标是确定具有很高可能性的近乎最佳策略，对它们的实例依赖性样本复杂性知之甚少。 Wagenmaker等人的负面结果。 （2021）表明，乐观的抽样规则不能用于达到（仍然难以捉摸的）最佳实例依赖性样本复杂性。在正面，我们为PAC RL的乐观算法提供了第一个依赖于实例依赖性的结合，BPI-UCRL仅可用的最小值保证（Kaufmann等，2021）。尽管我们的界限具有一些最小的访问概率，但与先前工作中出现的价值差距相比，它的次要差距的精致概念。此外，在具有确定性过渡的MDP中，我们表明BPI-UCRL实际上是近乎最佳的。从技术方面来说，由于独立兴趣的新“目标技巧”，我们的分析非常简单。我们用新颖的硬度结果补充了这些发现，解释了为什么与Minimax政权不同，为什么PAC RL的实例依赖性复杂性与遗憾最小化的复杂性不易与遗憾最小化相关。

我们介绍了一种普遍的策略，可实现有效的多目标勘探。它依赖于adagoal，一种基于简单约束优化问题的新的目标选择方案，其自适应地针对目标状态，这既不是太困难也不是根据代理目前的知识达到的。我们展示了Adagoal如何用于解决学习$ \ epsilon $ -optimal的目标条件的政策，以便在$ L $ S_0 $ S_0 $奖励中获得的每一个目标状态，以便在$ S_0 $中获取。免费马尔可夫决策过程。在标准的表格外壳中，我们的算法需要$ \ tilde {o}（l ^ 3 s a \ epsilon ^ { - 2}）$探索步骤，这几乎很少最佳。我们还容易在线性混合Markov决策过程中实例化Adagoal，其产生具有线性函数近似的第一目标导向的PAC保证。除了强大的理论保证之外，迈克纳队以现有方法的高级别算法结构为锚定，为目标条件的深度加固学习。

强化学习算法的实用性由于相对于问题大小的规模差而受到限制，因为学习$ \ epsilon $ -optimal策略的样本复杂性为$ \ tilde {\ omega} \ left（| s | s || a || a || a || a | h^3 / \ eps^2 \ right）$在MDP的最坏情况下，带有状态空间$ S $，ACTION SPACE $ A $和HORIZON $ H $。我们考虑一类显示出低级结构的MDP，其中潜在特征未知。我们认为，价值迭代和低级别矩阵估计的自然组合导致估计误差在地平线上呈指数增长。然后，我们提供了一种新算法以及统计保证，即有效利用了对生成模型的访问，实现了$ \ tilde {o} \ left的样本复杂度（d^5（d^5（| s |+| a |）\），我们有效利用低级结构。对于等级$ d $设置的Mathrm {Poly}（h）/\ EPS^2 \ right）$，相对于$ | s |，| a | $和$ \ eps $的缩放，这是最小值的最佳。与线性和低级别MDP的文献相反，我们不需要已知的功能映射，我们的算法在计算上很简单，并且我们的结果长期存在。我们的结果提供了有关MDP对过渡内核与最佳动作值函数所需的最小低级结构假设的见解。

This paper studies systematic exploration for reinforcement learning with rich observations and function approximation. We introduce a new model called contextual decision processes, that unifies and generalizes most prior settings. Our first contribution is a complexity measure, the Bellman rank , that we show enables tractable learning of near-optimal behavior in these processes and is naturally small for many well-studied reinforcement learning settings. Our second contribution is a new reinforcement learning algorithm that engages in systematic exploration to learn contextual decision processes with low Bellman rank. Our algorithm provably learns near-optimal behavior with a number of samples that is polynomial in all relevant parameters but independent of the number of unique observations. The approach uses Bellman error minimization with optimistic exploration and provides new insights into efficient exploration for reinforcement learning with function approximation.

本文研究了马尔可夫决策过程（MDPS）中用于政策评估的数据收集问题。在政策评估中，我们获得了目标政策，并要求估计它将在正式作为MDP的环境中获得的预期累积奖励。我们通过首先得出了使用奖励分布方差知识的Oracle数据收集策略来开发在树结构MDPS中的最佳数据收集理论。然后，我们介绍了减少的方差采样（射击）算法，即当奖励方差未知并与Oracle策略相比，奖励方差未知并绑定其亚典型性时，它近似于Oracle策略。最后，我们从经验上验证了射手会导致与甲骨文策略相当的均衡误差进行政策评估，并且比仅仅运行目标策略要低得多。

无奖励强化学习（RL）考虑了代理在探索过程中无法访问奖励功能的设置，但必须提出仅在探索后才揭示的任意奖励功能的近乎最佳的政策。在表格环境中，众所周知，这是一个比奖励意识（PAC）RL（代理在探索过程中访问奖励功能）更困难的问题$ | \ Mathcal {s} | $，状态空间的大小。我们表明，在线性MDP的设置中，这种分离不存在。我们首先在$ d $二维线性MDP中开发了一种计算高效算法，其样品复杂度比例为$ \ widetilde {\ Mathcal {o}}（d^2 H^5/\ epsilon^2）$ 。然后，我们显示出$ \ omega（d^2 h^2/\ epsilon^2）$的匹配尺寸依赖性的下限，该限制为奖励感知的RL设置。据我们所知，我们的方法是第一个在线性MDP中实现最佳$ d $依赖性的计算有效算法，即使在单次奖励PAC设置中也是如此。我们的算法取决于一种新的程序，该过程有效地穿越了线性MDP，在任何给定的``特征方向''中收集样品，并在最大状态访问概率（线性MDP等效）中享受最佳缩放样品复杂性。我们表明，该探索过程也可以应用于解决线性MDP中````良好条件''''协变量的问题。

Epsilon-Greedy，SoftMax或Gaussian噪声等近视探索政策在某些强化学习任务中无法有效探索，但是在许多其他方面，它们的表现都很好。实际上，实际上，由于简单性，它们通常被选为最佳选择。但是，对于哪些任务执行此类政策成功？我们可以为他们的有利表现提供理论保证吗？尽管这些政策具有显着的实际重要性，但这些关键问题几乎没有得到研究。本文介绍了对此类政策的理论分析，并为通过近视探索提供了对增强学习的首次遗憾和样本复杂性。我们的结果适用于具有有限的Bellman Eluder维度的情节MDP中的基于价值功能的算法。我们提出了一种新的复杂度度量，称为近视探索差距，用Alpha表示，该差距捕获了MDP的结构属性，勘探策略和给定的值函数类别。我们表明，近视探索的样品复杂性与该数量的倒数1 / alpha^2二次地量表。我们通过具体的例子进一步证明，由于相应的动态和奖励结构，在近视探索成功的几项任务中，近视探索差距确实是有利的。

我们研究了具有线性函数近似增强学习中的随机最短路径（SSP）问题，其中过渡内核表示为未知模型的线性混合物。我们将此类别的SSP问题称为线性混合物SSP。我们提出了一种具有Hoeffding-type置信度的新型算法，用于学习线性混合物SSP，可以获得$ \ tilde {\ Mathcal {o}}}}（d B _ {\ star}^{1.5} \ sqrt {k/c_ {k/c_ {k/c_ {k/c_ { \ min}}）$遗憾。这里$ k $是情节的数量，$ d $是混合模型中功能映射的维度，$ b _ {\ star} $限制了最佳策略的预期累积成本，$ c _ {\ min}>> 0 $是成本函数的下限。当$ c _ {\ min} = 0 $和$ \ tilde {\ mathcal {o}}}（k^{2/3}）$遗憾时，我们的算法也适用于情况。据我们所知，这是第一个具有sublrinear遗憾保证线性混合物SSP的算法。此外，我们设计了精致的伯恩斯坦型信心集并提出了改进的算法，该算法可实现$ \ tilde {\ Mathcal {o}}}（d b _ {\ star} \ sqrt {k/c/c/c {k/c _ {\ min}}） $遗憾。为了补充遗憾的上限，我们还证明了$ \ omega（db _ {\ star} \ sqrt {k}）$的下限。因此，我们的改进算法将下限匹配到$ 1/\ sqrt {c _ {\ min}} $ factor和poly-logarithmic因素，从而实现了近乎最佳的遗憾保证。

我们研究了线性函数近似的强化学习（RL）。此问题的现有算法仅具有高概率遗憾和/或可能大致正确（PAC）样本复杂性保证，这不能保证对最佳政策的趋同。在本文中，为了克服现有算法的限制，我们提出了一种新的算法，称为长笛，它享有统一-PAC收敛到具有高概率的最佳政策。统一-PAC保证是文献中强化学习的最强烈保证，它可以直接意味着PAC和高概率遗憾，使我们的算法优于具有线性函数近似的所有现有算法。在我们的算法的核心，是一种新颖的最小值函数估计器和多级别分区方案，以从历史观察中选择训练样本。这两种技术都是新的和独立的兴趣。