科学和工程学的一个主要挑战是设计实验，以了解一些未知数的兴趣。经典的实验设计最佳地分配了实验预算，以最大程度地提高实用性概念（例如，降低对未知数量的不确定性）。我们考虑一个丰富的设置，其中实验与{\ em Markov链}中的状态相关联，我们只能通过选择控制状态转换的{\ em策略}来选择它们。该问题从勘探学习中的探索到空间监视任务，从而捕获了重要的应用。我们提出了一种算法 - \ textsc {markov-design} - 有效地选择了其测量分配\ emph {可证明收敛到最佳One}的策略。该算法在本质上是顺序的，可以调整其过去测量所告知的策略（实验）的选择。除了我们的理论分析外，我们还展示了我们在生态监测和药理学中应用的框架。

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。

政策梯度（PG）算法是备受期待的强化学习对现实世界控制任务（例如机器人技术）的最佳候选人之一。但是，每当必须在物理系统上执行学习过程本身或涉及任何形式的人类计算机相互作用时，这些方法的反复试验性质就会提出安全问题。在本文中，我们解决了一种特定的安全公式，其中目标和危险都以标量奖励信号进行编码，并且学习代理被限制为从不恶化其性能，以衡量为预期的奖励总和。通过从随机优化的角度研究仅行为者的政策梯度，我们为广泛的参数政策建立了改进保证，从而将现有结果推广到高斯政策上。这与策略梯度估计器的差异的新型上限一起，使我们能够识别出具有很高概率的单调改进的元参数计划。两个关键的元参数是参数更新的步长和梯度估计的批处理大小。通过对这些元参数的联合自适应选择，我们获得了具有单调改进保证的政策梯度算法。

策略梯度方法适用于复杂的，不理解的，通过对参数化的策略进行随机梯度下降来控制问题。不幸的是，即使对于可以通过标准动态编程技术解决的简单控制问题，策略梯度算法也会面临非凸优化问题，并且被广泛理解为仅收敛到固定点。这项工作确定了结构属性 - 通过几个经典控制问题共享 - 确保策略梯度目标函数尽管是非凸面，但没有次优的固定点。当这些条件得到加强时，该目标满足了产生收敛速率的Polyak-lojasiewicz（梯度优势）条件。当其中一些条件放松时，我们还可以在任何固定点的最佳差距上提供界限。

我们认为在情节环境中的强化学习（RL）中的遗憾最小化问题。在许多实际的RL环境中，状态和动作空间是连续的或非常大的。现有方法通过随机过渡模型的低维表示或$ q $ functions的近似值来确定遗憾的保证。但是，对国家价值函数的函数近似方案的理解基本上仍然缺失。在本文中，我们提出了一种基于在线模型的RL算法，即CME-RL，该算法将过渡分布的表示形式学习为嵌入在复制的内核希尔伯特领域中的嵌入，同时仔细平衡了利用探索 - 探索权衡取舍。我们通过证明频繁的（最糟糕的）遗憾结束了$ \ tilde {o} \ big（h \ gamma_n \ sqrt {n} \ big）$ \ footnote {$ footnote {$ tilde {$ o}（\ cdot）$仅隐藏绝对常数和poly-logarithmic因素。}，其中$ h $是情节长度，$ n $是时间步长的总数，$ \ gamma_n $是信息理论数量国家行动特征空间的有效维度。我们的方法绕过了估计过渡概率的需求，并适用于可以定义内核的任何域。它还为内核方法的一般理论带来了新的见解，以进行近似推断和RL遗憾的最小化。

尽管在理解增强学习的最小样本复杂性（RL）（在“最坏情况”的实例上学习的复杂性）方面已经取得了很多进展，但这种复杂性的衡量标准通常不会捕捉到真正的学习困难。在实践中，在“简单”的情况下，我们可能希望获得比最糟糕的实例可以实现的要好得多。在这项工作中，我们试图理解在具有线性函数近似的RL设置中学习近乎最佳策略（PAC RL）的“实例依赖性”复杂性。我们提出了一种算法，\ textsc {pedel}，该算法实现了依赖于实例的复杂性的量度，这是RL中的第一个具有功能近似设置，从而捕获了每个特定问题实例的学习难度。通过一个明确的示例，我们表明\ textsc {pedel}可以在低重晶，最小值 - 最佳算法上获得可证明的收益，并且这种算法无法达到实例 - 最佳速率。我们的方法取决于基于设计的新型实验程序，该程序将勘探预算重点放在与学习近乎最佳政策最相关的“方向”上，并且可能具有独立的兴趣。

In this paper we develop a theoretical analysis of the performance of sampling-based fitted value iteration (FVI) to solve infinite state-space, discounted-reward Markovian decision processes (MDPs) under the assumption that a generative model of the environment is available. Our main results come in the form of finite-time bounds on the performance of two versions of sampling-based FVI. The convergence rate results obtained allow us to show that both versions of FVI are well behaving in the sense that by using a sufficiently large number of samples for a large class of MDPs, arbitrary good performance can be achieved with high probability. An important feature of our proof technique is that it permits the study of weighted L p -norm performance bounds. As a result, our technique applies to a large class of function-approximation methods (e.g., neural networks, adaptive regression trees, kernel machines, locally weighted learning), and our bounds scale well with the effective horizon of the MDP. The bounds show a dependence on the stochastic stability properties of the MDP: they scale with the discounted-average concentrability of the future-state distributions. They also depend on a new measure of the approximation power of the function space, the inherent Bellman residual, which reflects how well the function space is "aligned" with the dynamics and rewards of the MDP. The conditions of the main result, as well as the concepts introduced in the analysis, are extensively discussed and compared to previous theoretical results. Numerical experiments are used to substantiate the theoretical findings.

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。

代表学习呈现在深入学习的经验成功的核心，以处理维度的诅咒。然而，由于i），表现力（RL）的钢筋学习（RL）尚未充分利用卓越的能力，表现力和易疏忽之间的权衡;二世），探索与代表学习之间的耦合。在本文中，我们首先揭示了在随机控制模型中的一些噪声假设下，我们可以免费获得其相应的马尔可夫过渡操作员的线性谱特征。基于该观察，我们提出了嵌入（Spede）的谱动力学嵌入（SPEDE），这将通过利用噪声结构来完成对代表学习的乐观探索。我们提供对Speded的严格理论分析，并展示了几种基准上现有最先进的实证算法的实际卓越性能。

我们提出了一种乐观的基于模型的算法，Dubbed SMRL，用于通过指数族分布指定的转换模型，以D $参数指定，奖励是有界和已知的。SMRL使用得分匹配，一种无通量的密度估计技术，可以通过RIDGE回归有效地估计模型参数。在标准规律性假设下，SMRL实现$ \ tilde o（d \ sqrt {h ^ 3t}）$在线遗憾，其中$ h $是每一集的长度，$ t $是互动的总数（忽略多项式依赖结构尺度参数）。

We study time-inhomogeneous episodic reinforcement learning (RL) under general function approximation and sparse rewards. We design a new algorithm, Variance-weighted Optimistic $Q$-Learning (VO$Q$L), based on $Q$-learning and bound its regret assuming completeness and bounded Eluder dimension for the regression function class. As a special case, VO$Q$L achieves $\tilde{O}(d\sqrt{HT}+d^6H^{5})$ regret over $T$ episodes for a horizon $H$ MDP under ($d$-dimensional) linear function approximation, which is asymptotically optimal. Our algorithm incorporates weighted regression-based upper and lower bounds on the optimal value function to obtain this improved regret. The algorithm is computationally efficient given a regression oracle over the function class, making this the first computationally tractable and statistically optimal approach for linear MDPs.

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。

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。

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。

我们在非静止线性（AKA低级别）马尔可夫决策过程（MDP）中研究了集中加强学习，即奖励和转换内核都是关于给定特征映射的线性，并且被允许缓慢或突然演变时间。对于此问题设置，我们提出了一种基于加权最小二乘值的乐观模型算法的Opt-WLSVI，其使用指数权重来平滑地忘记过去远远的数据。我们表明我们的算法在每次竞争最佳政策时，实现了由$ \ widetilde {\ mathcal {o}}的上部界限的遗憾（d ^ {5/4} h ^ 2 \ delta ^ {1 / 4} k ^ {3/4}）$何地在$ d $是特征空间的尺寸，$ h $是规划地平线，$ k $是剧集的数量和$ \ delta $是一个合适的衡量标准MDP的非固定性。此外，我们指出了在忘记以前作品的非静止线性匪徒环境中忘记策略的技术差距，并提出了修复其遗憾分析。

我们研究了情节块MDP中模型估计和无奖励学习的问题。在这些MDP中，决策者可以访问少数潜在状态产生的丰富观察或上下文。我们首先对基于固定行为策略生成的数据估算潜在状态解码功能（从观测到潜在状态的映射）感兴趣。我们在估计此功能的错误率上得出了信息理论的下限，并提出了接近此基本限制的算法。反过来，我们的算法还提供了MDP的所有组件的估计值。然后，我们研究在无奖励框架中学习近乎最佳政策的问题。根据我们有效的模型估计算法，我们表明我们可以以最佳的速度推断出策略（随着收集样品的数量增长大）的最佳策略。有趣的是，我们的分析提供了必要和充分的条件，在这些条件下，利用块结构可以改善样本复杂性，以识别近乎最佳的策略。当满足这些条件时，Minimax无奖励设置中的样本复杂性将通过乘法因子$ n $提高，其中$ n $是可能的上下文数量。

我们研究马尔可夫决策过程（MDP）框架中的离线数据驱动的顺序决策问题。为了提高学习政策的概括性和适应性，我们建议通过一套关于在政策诱导的固定分配所在的分发的一套平均奖励来评估每项政策。给定由某些行为策略生成的多个轨迹的预收集数据集，我们的目标是在预先指定的策略类中学习一个强大的策略，可以最大化此集的最小值。利用半参数统计的理论，我们开发了一种统计上有效的策略学习方法，用于估算DE NED强大的最佳政策。在数据集中的总决策点方面建立了达到对数因子的速率最佳遗憾。

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。