We study the task of learning state representations from potentially high-dimensional observations, with the goal of controlling an unknown partially observable system. We pursue a direct latent model learning approach, where a dynamic model in some latent state space is learned by predicting quantities directly related to planning (e.g., costs) without reconstructing the observations. In particular, we focus on an intuitive cost-driven state representation learning method for solving Linear Quadratic Gaussian (LQG) control, one of the most fundamental partially observable control problems. As our main results, we establish finite-sample guarantees of finding a near-optimal state representation function and a near-optimal controller using the directly learned latent model. To the best of our knowledge, despite various empirical successes, prior to this work it was unclear if such a cost-driven latent model learner enjoys finite-sample guarantees. Our work underscores the value of predicting multi-step costs, an idea that is key to our theory, and notably also an idea that is known to be empirically valuable for learning state representations.

这项教程调查概述了统计学习理论中最新的非征血性进步与控制和系统识别相关。尽管在所有控制领域都取得了重大进展，但在线性系统的识别和学习线性二次调节器时，该理论是最发达的，这是本手稿的重点。从理论的角度来看，这些进步的大部分劳动都在适应现代高维统计和学习理论的工具。虽然与控制对机器学习的工具感兴趣的理论家高度相关，但基础材料并不总是容易访问。为了解决这个问题，我们提供了相关材料的独立介绍，概述了基于最新结果的所有关键思想和技术机械。我们还提出了许多开放问题和未来的方向。

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.

学习如何有效地控制未知的动态系统对于智能自治系统至关重要。当潜在的动态随着时间的推移时，这项任务成为一个重大挑战。本文认为这一挑战，本文考虑了控制未知马尔可夫跳跃线性系统（MJS）的问题，以优化二次目标。通过采用基于模型的透视图，我们考虑对MJSS的识别自适应控制。我们首先为MJS提供系统识别算法，用于从系统状态，输入和模式的单个轨迹，从模式开关的演进中的底层中学习MJS的系统识别算法。通过混合时间参数，该算法的样本复杂性显示为$ \ mathcal {o}（1 / \ sqrt {t}）$。然后，我们提出了一种自适应控制方案，其与确定性等效控制一起执行系统识别，以使控制器以焦化方式调整。 Combining our sample complexity results with recent perturbation results for certainty equivalent control, we prove that when the episode lengths are appropriately chosen, the proposed adaptive control scheme achieves $\mathcal{O}(\sqrt{T})$ regret, which can be改进了$ \ mathcal {o}（polylog（t））$与系统的部分了解。我们的证据策略介绍了在MJSS中处理马尔可维亚跳跃的创新和较弱的稳定概念。我们的分析提供了影响学习准确性和控制性能的系统理论量的见解。提出了数值模拟，以进一步加强这些见解。

控制理论中的一个基本概念是可控性，可以通过适当的控制输入选择来达到任何系统状态。确实，大量的古典和现代方法是为可控的线性动力系统设计的。但是，在实践中，我们经常遇到系统，其中大量状态变量与控制输入无关。这样的系统仅是部分控制的。这项工作的重点是大量部分可控制的线性动力学系统，该系统由潜在的稀疏模式指定。我们的主要结果建立了结构性条件和有限样本保证，以学习控制此类系统。特别是，我们的结构结果是那些与最佳控制无关的状态变量的特征，该分析偏离了经典的控制技术。我们的算法结果适应了高维统计数据（尤其是软阈值和半参数最小二乘方形），以利用潜在的稀疏模式，以获得有限样本的保证，从而显着改善了基于一定程度等值的有限样本。我们还通过模拟研究证实了这些理论改进，而不是确定性等效控制。

我们研究使用功能近似的部分可观察到的动力学系统的增强学习。我们提出了一个新的\ textit {部分可观察到的双线性actor-Critic-Critic框架}，它足以包括可观察到的图表部分可观察到的Markov决策过程（POMDPS），可观察到的线性Quadratic-Quadratic-Gaussian（LQG）（LQG），预测状态表示（POMDPS）（ PSRS），以及新引入的模型Hilbert空间嵌入POMDPS和可观察到的POMDP，具有潜在的低级过渡。在此框架下，我们提出了一种能够执行不可知论政策学习的参与者批评算法。给定一个由基于内存的策略组成的策略类别（查看最近观察的固定长度窗口），以及一个值得将内存和未来观察作为输入的功能组成的值函数类别，我们的算法学会了与最佳的最佳竞争在给定策略类中基于内存的策略。对于某些示例，例如可观察到的表格pomdps，可观察到的LQG和可观察到的具有潜在低级过渡的可观察到的POMDP，通过隐式利用其特殊特性，我们的算法甚至能够与全球最佳策略竞争，而无需支付对高度依赖的依赖，以竞争全球最佳的策略。它的样本复杂性。

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）。

深度加强学习（RL）由Q函数的神经网络近似，具有巨大的经验成功。虽然RL的理论传统上专注于线性函数近似（或雕刻尺寸）方法，但是关于非线性RL的近似已知Q功能的神经网络近似。这是这项工作的重点，在那里我们研究了与双层神经网络的函数逼近（考虑到Relu和多项式激活功能）。我们的第一个结果是在两层神经网络的完整性下的生成模型设置中的计算上和统计学高效的算法。我们的第二个结果考虑了这个设置，而是通过神经网络函数类的可实现性。这里，假设确定性动态，样本复杂度在代数维度中线性缩放。在所有情况下，我们的结果显着改善了线性（或雕刻尺寸）方法可以获得的。

汤普森采样（TS）是在不确定性下进行决策的有效方法，其中从精心规定的分布中采样了动作，该分布根据观察到的数据进行更新。在这项工作中，我们研究了使用TS的可稳定线性季度调节剂（LQR）自适应控制的问题，其中系统动力学是未知的。先前的作品已经确定，$ \ tilde o（\ sqrt {t}）$频繁的遗憾对于LQR的自适应控制是最佳的。但是，现有方法要么仅在限制性设置中起作用，需要先验已知的稳定控制器，要么使用计算上棘手的方法。我们提出了一种有效的TS算法，用于对LQR的自适应控制，TS基于TS的自适应控制，TSAC，该算法达到了$ \ tilde o（\ sqrt {t}）$遗憾，即使对于多维系统和Lazaric（2018）。 TSAC不需要先验已知的稳定控制器，并通过在早期阶段有效探索环境来实现基础系统的快速稳定。我们的结果取决于开发新颖的下限TS提供乐观样本的概率。通过仔细规定早期的探索策略和政策更新规则，我们表明TS在适应性控制多维可稳定性LQR方面实现了最佳的遗憾。我们从经验上证明了TSAC在几个自适应控制任务中的性能和效率。

本文介绍了局部最低限度的遗憾，用于自适应控制线性 - 四爵士（LQG）系统的下限。我们考虑平滑参数化实例，并在对数遗憾时提供了对实例的特定和灵活性，以考虑到问题结构。这种理解依赖于两个关键概念：局部无规格的概念;当最佳策略没有提供足够的激励以确定最佳政策，并产生退化的Fisher信息矩阵;以及信息遗憾的界限，当政策依赖信息矩阵的小特征值在该政策的遗憾方面是无限的。结合减少贝叶斯估计和范树的应用，这两个条件足以证明遗憾的界限为时间$ \ sqrt {t} $ \ sqrt {t} $ of the the theaign，$ t $。该方法产生低界，其具有与控制理论问题常数自然的紧密依赖性和规模。例如，我们能够证明在边缘稳定性附近运行的系统从根本上难以学习控制。我们进一步表明，大类系统满足这些条件，其中任何具有$ a $的状态反馈系统 - 和$ b $ -matrices未知。最重要的是，我们还建立了一个非活动类别的部分可观察系统，基本上是那些过度启动的那些满足这些条件，从而提供$ \ SQRT {T} $下限对部分可观察系统也有效。最后，我们转到两个简单的例子，表明我们的下限捕获了经典控制 - 理论直觉：我们的下限用于在边际稳定性附近或大过滤器增益的近方行，这些系统可以任意难以努力（学习到）控制。

部分可观察性 - 代理只能观察有关系统真正潜在状态的部分信息 - 在增强学习（RL）的现实应用中无处不在。从理论上讲，在最坏情况下，由于指数样本的复杂性下限，在最坏情况下学习了近距离观察性的近乎最佳政策。最近的工作已经确定了几个可通过多项式样本学习的可学性亚类，例如部分可观察到的马尔可夫决策过程（POMDPS）具有某些可揭示或可分解性条件。但是，这一研究仍处于起步阶段，（1）缺乏统一的结构条件，从而缺乏样品效率学习； （2）现有的已知拖拉子类的样品复杂性远非锋利； （3）与完全可观察的RL相比，可用的样品效率算法更少。本文在预测状态表示（PSRS）的一般环境中，上面的所有三个方面都在部分可观察到的RL方向前进。首先，我们提出了一种称为\ emph {b稳定性}的自然和统一的结构条件。 B稳定的PSR包括绝大多数已知的可牵引子类，例如弱揭示的POMDP，低级别的未来pomdps，可解码的POMDP和常规PSR。接下来，我们证明可以在相关问题参数中使用多项式样本学习任何B稳定PSR。当在上述子类中实例化时，我们的样本复杂性比当前最好的复杂性大大改善。最后，我们的结果是通过三种算法同时实现的：乐观的最大似然估计，估计到决策和基于模型的乐观后验采样。后两种算法是用于POMDPS/PSR的样品有效学习的新算法。

We study representation learning for efficient imitation learning over linear systems. In particular, we consider a setting where learning is split into two phases: (a) a pre-training step where a shared $k$-dimensional representation is learned from $H$ source policies, and (b) a target policy fine-tuning step where the learned representation is used to parameterize the policy class. We find that the imitation gap over trajectories generated by the learned target policy is bounded by $\tilde{O}\left( \frac{k n_x}{HN_{\mathrm{shared}}} + \frac{k n_u}{N_{\mathrm{target}}}\right)$, where $n_x > k$ is the state dimension, $n_u$ is the input dimension, $N_{\mathrm{shared}}$ denotes the total amount of data collected for each policy during representation learning, and $N_{\mathrm{target}}$ is the amount of target task data. This result formalizes the intuition that aggregating data across related tasks to learn a representation can significantly improve the sample efficiency of learning a target task. The trends suggested by this bound are corroborated in simulation.

我们重新求解用于时变线性回归的模型，该模型假定根据线性动力系统演变的未知参数。违反直接来看，我们表明，当潜在的动态稳定时，可以通过组合两个普通的最小二乘估计来估计该模型的参数。我们提供了在我们方法的估计误差上提供了有限的样本保证，并讨论了它过度期望 - 最大化（EM）的某些优势，这是事先工作提出的主要方法。

多功能钢筋学习已成功应用于许多挑战性问题。尽管有这些经验成功，但对不同算法的理论理解缺乏，主要是由于状态 - 行动空间的指数增长与代理人数引起的维度诅咒。我们研究了多蛋白线性二次调节剂（LQR）的基本问题，在该刻度部分可互换的情况下。在此设置中，我们开发了一个分层演员 - 批评算法，其计算复杂性独立于代理总数，并证明了其全局线性融合到最佳政策。由于LQRS经常用于近似一般动态系统，本文提供了更好地理解一般分层平均场多功能增强学习的重要一步。

直接政策搜索作为现代强化学习（RL）的工作人员之一，其在连续控制任务中的应用最近引起了不断的关注。在这项工作中，我们研究了用于学习线性风险敏感和鲁棒控制器的政策梯度（PG）方法的收敛理论。特别地，我们开发PG方法，可以通过采样系统轨迹以无衍生方式实现，并建立全球收敛性和样本复杂性，这导致风险敏感和强大控制中的两个基本环境的解决方案：有限地平线线性指数二次高斯，以及有限地平线线性二次干扰衰减问题。作为副产品，我们的结果还为解决零和线性二次动态游戏的PG方法的全局融合提供了第一种样本复杂性，这是一种非透明的极限优化问题，该问题用作多功能钢筋中的基线设置学习（Marl）与连续空间。我们的算法的一个特征是在学习阶段，保留了一定程度的控制器的鲁棒性/风险敏感性，因此我们被称为隐式正则化属性，并且是安全关键控制系统的基本要求。

Autoencoders are a popular model in many branches of machine learning and lossy data compression. However, their fundamental limits, the performance of gradient methods and the features learnt during optimization remain poorly understood, even in the two-layer setting. In fact, earlier work has considered either linear autoencoders or specific training regimes (leading to vanishing or diverging compression rates). Our paper addresses this gap by focusing on non-linear two-layer autoencoders trained in the challenging proportional regime in which the input dimension scales linearly with the size of the representation. Our results characterize the minimizers of the population risk, and show that such minimizers are achieved by gradient methods; their structure is also unveiled, thus leading to a concise description of the features obtained via training. For the special case of a sign activation function, our analysis establishes the fundamental limits for the lossy compression of Gaussian sources via (shallow) autoencoders. Finally, while the results are proved for Gaussian data, numerical simulations on standard datasets display the universality of the theoretical predictions.

学习线性时间不变动态系统（LTID）的参数是当前兴趣的问题。在许多应用程序中，人们有兴趣联合学习多个相关LTID的参数，这仍然是未探究的日期。为此，我们开发一个联合估计器，用于学习共享常见基矩阵的LTID的过渡矩阵。此外，我们建立有限时间误差界限，取决于底层的样本大小，维度，任务数和转换矩阵的光谱属性。结果是在轻度规律假设下获得的，并在单独学习每个系统的比较中，展示从LTID的汇集信息汇总信息。我们还研究了错过过渡矩阵的联合结构的影响，并显示成立的结果在适度误操作的存在下是强大的。

本文介绍了一种简单的有效学习算法，用于一般顺序决策。该算法将探索的乐观与模型估计的最大似然估计相结合，因此被命名为OMLE。我们证明，Omle了解了多项式数量的样本中一系列非常丰富的顺序决策问题的近乎最佳策略。这个丰富的类别不仅包括大多数已知的基于模型的基于模型的强化学习（RL）问题（例如表格MDP，计算的MDP，低证人等级问题，表格弱弱/可观察到的POMDP和多步可解码的POMDP），但是同样，许多新的具有挑战性的RL问题，尤其是在可观察到的部分环境中，这些问题以前尚不清楚。值得注意的是，本文解决的新问题包括（1）具有连续观察和功能近似的可观察到的POMDP，在其中我们实现了完全独立于观察空间的第一个样品复杂性； （2）条件良好的低级顺序决策问题（也称为预测状态表示（PSRS）），其中包括并概括了所有已知的可牵引的POMDP示例，这些示例在更固有的表示下； （3）在帆条件下进行一般顺序决策问题，这统一了我们在完全可观察和部分可观察的设置中对基于模型的RL的现有理解。帆条件是由本文确定的，可以将其视为贝尔曼/证人等级的自然概括，以解决部分可观察性。

我们建议和分析一个强化学习原理，该原理仅在测试功能的用户定义空间沿使用它们的有效性来近似钟声方程。我们专注于使用功能近似的无模型离线RL应用程序，我们利用这一原理来得出置信区间以进行非政策评估，并在规定的策略类别中优化了对策略的优化。我们证明了关于我们的政策优化程序的甲骨文不平等，就任意比较策略的价值和不确定性之间的权衡而言。测试功能空间的不同选择使我们能够解决共同框架中的不同问题。我们表征了使用我们的程序从政策转移到政策数据的效率的丧失，并建立了与过去工作中研究的浓缩性系数的连接。我们深入研究了具有线性函数近似的方法的实施，即使贝尔曼关闭不结束，也可以通过多项式时间实现提供理论保证。

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。