我们研究了通过功能近似的强化学习，以部分可观察到的马尔可夫决策过程（POMDP），其中状态空间和观察空间很大甚至连续。特别是，我们考虑了POMDP的Hilbert空间嵌入，其中潜在状态的特征和观察的特征允许观测发射过程的有条件的希尔伯特空间嵌入，而潜在状态过渡是确定性的。在函数近似设置下，最佳潜在状态行动$ q $函数在状态功能中是线性的，而最佳$ q $ - 功能具有差距，我们提供了\ emph {计算和统计上有效} algorithm查找\ emph {确切的最佳}策略。我们在观察空间上的算法和特征的固有维度上，在多项式上显示了算法的计算和统计复杂性。此外，我们显示了确定性的潜在过渡和差距假设对于避免统计复杂性指数在地平线或维度中是必要的。由于我们的保证对状态和观察空间的大小没有明确的依赖性，因此我们的算法可证明对大规模POMDPS。

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。

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。

在本文中，我们研究了部分可观察到的动态系统的在线增强学习（RL）。我们专注于预测状态表示（PSRS）模型，该模型是捕获其他知名模型（例如可观察到的马尔可夫决策过程（POMDP））的表达模型。 PSR使用一组未来观察结果的预测表示状态，并完全使用可观察的数量来定义。我们为PSRS开发了一种新型的基于模型的算法，该算法可以在样本复杂性中学习相对于系统的所有相关参数的多项式缩放的近乎最佳策略。我们的算法自然可以与功能近似合作，以扩展到具有较大状态和观察空间的系统。我们表明，给定一个可实现的模型类别，学习近乎最佳策略的样本复杂性仅相对于模型类的统计复杂性，而没有任何明确的多项式依赖性对状态和观察空间的大小依赖。值得注意的是，我们的工作是表明多项式样本复杂性与PSR中全球最佳政策竞争的第一项工作。最后，我们演示了如何直接使用我们的一般定理来得出特殊模型的样本复杂性界限，包括$ m $ $ step弱揭示和$ m $ $ $ - 可解码的表格pomdps，具有低率潜在过渡的POMDP和具有线性pomdps的POMDP排放和潜在过渡。

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.

大部分强化学习理论都建立在计算上难以实施的甲板上。专门用于在部分可观察到的马尔可夫决策过程（POMDP）中学习近乎最佳的政策，现有算法要么需要对模型动态（例如确定性过渡）做出强有力的假设，要么假设访问甲骨文作为解决艰难的计划或估算问题的访问子例程。在这项工作中，我们在合理的假设下开发了第一个用于POMDP的无Oracle学习算法。具体而言，我们给出了一种用于在“可观察” pomdps中学习的准化性时间端到端算法，其中可观察性是一个假设，即对国家而言，分离良好的分布诱导了分离良好的分布分布而不是观察。我们的技术规定了在不确定性下使用乐观原则来促进探索的更传统的方法，而是在构建策略涵盖的情况下提供了一种新颖的barycentric跨度应用。

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。

Modern Reinforcement Learning (RL) is commonly applied to practical problems with an enormous number of states, where function approximation must be deployed to approximate either the value function or the policy. The introduction of function approximation raises a fundamental set of challenges involving computational and statistical efficiency, especially given the need to manage the exploration/exploitation tradeoff. As a result, a core RL question remains open: how can we design provably efficient RL algorithms that incorporate function approximation? This question persists even in a basic setting with linear dynamics and linear rewards, for which only linear function approximation is needed.This paper presents the first provable RL algorithm with both polynomial runtime and polynomial sample complexity in this linear setting, without requiring a "simulator" or additional assumptions. Concretely, we prove that an optimistic modification of Least-Squares Value Iteration (LSVI)-a classical algorithm frequently studied in the linear setting-achieves O( √ d 3 H 3 T ) regret, where d is the ambient dimension of feature space, H is the length of each episode, and T is the total number of steps. Importantly, such regret is independent of the number of states and actions.

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 $。

当前的论文研究在仅假定最佳值函数可线化的设置中，在设置中样本效率增强学习（RL）。最近已经理解，即使在这种看似强大的假设和对生成模型的访问下，最坏情况的样本复杂性也可能是庞大的（即指数）。我们研究了学习者还可以从专家政策中访问交互式演示的设置，并提出一种统计和计算上有效的算法（DELPHI），用于将探索与专家查询融合。特别是，Delphi需要$ \ tilde {\ Mathcal {o}}（d）$专家查询和$ \ texttt {poly} {poly}（d，h，h，| \ mathcal {a} |，1/\ varepsilon）$探索性样本可证明恢复$ \ varepsilon $ -suboptimal策略。与纯RL方法相比，这对应于样品复杂性的指数改善，而专家输入令人惊讶。与先前的模仿学习（IL）方法相比，我们所需的专家演示数量独立于$ h $和$ 1/\ varepsilon $的对数，而所有先前的工作至少需要两者的线性因素，除了对$ $ $ $的依赖性外， D $。为了确定所需的专家查询数量最少，我们表明，在同一环境中，任何其勘探预算是多项式限制的学习者（在$ d，h，$和$ | \ | \ MATHCAL {a} | $方面，需要至少$ \ tilde \ omega（\ sqrt {d}）$ oracle调用以恢复与专家的价值函数竞争的策略。在较弱的假设中，专家的政策是线性的，我们表明下限将增加到$ \ tilde \ omega（d）$。

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。

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。

我们研究了具有无限观察和状态空间的部分观察到的马尔可夫决策过程（POMDP）的强化学习，理论上仍然不太研究。为此，我们首次尝试弥合具有线性结构的一类POMDP的部分可观察性和功能近似。详细说明，我们建议在$ O（1/\ Epsilon^2）$情节中获得$ \ epsilon $ - 最佳策略的增强学习算法（通过对抗积分方程或操作装置的乐观探索）。特别是，样品复杂性在线性结构的固有维度上缩放，并且独立于观测和状态空间的大小。 Op-Tenet的样品效率由一系列成分启用：（i）具有有限内存的钟形操作员，该操作员以递归方式表示值函数，（ii）通过对抗性积分对此类操作员的识别和估计方程式具有针对线性结构量身定制的平滑歧视器，以及（iii）通过乐观探索观察和状态空间，该探索基于量化对抗性积分方程的不确定性。

我们研究了具有一般函数近似的部分可观察的MDP（POMDP）的外部评估（OPE）。现有的方法，例如顺序重要性采样估计器和拟合-Q评估，受POMDP中的地平线的诅咒。为了解决这个问题，我们通过引入将未来代理作为输入的未来依赖性值函数来开发一种新颖的无模型OPE方法。未来依赖性的价值函数在完全可观察的MDP中起着与经典价值函数相似的角色。我们为未来依赖性价值作为条件矩方程提供了一个新的Bellman方程，将历史记录代理用作仪器变量。我们进一步提出了一种最小值学习方法，以使用新的Bellman方程来学习未来依赖的价值函数。我们获得PAC结果，这意味着我们的OPE估计器是一致的，只要期货和历史包含有关潜在状态和Bellman完整性的足够信息。最后，我们将方法扩展到学习动力学，并在POMDP中建立我们的方法与众所周知的光谱学习方法之间的联系。

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。

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。

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。

这项工作研究了RL中的代表性学习问题：我们如何学习紧凑的低维表示，使得在代表之上，我们可以以示例有效的方式执行诸如勘探和开发的RL程序。我们专注于低级马尔可夫决策过程（MDP），其中转换动态对应于低秩转换矩阵。与假设表示的事先作品（例如，线性MDP）不同，这里我们需要学习低秩MDP的表示。我们研究在线RL和离线RL设置。对于在线设置，在Flambe（Agarwal et.al）中使用相同的计算oracells操作，用于在低级MDP中学习表示的最先进的算法，我们提出了一种算法Rep-UCB上部置信束缚的驱动表示学习对于RL），这显着提高了$ \ widetilde {o}的样本复杂性（a ^ 9 d ^ 7 /（\ epsilon ^ {10}（1- \ gamma）^ {22}），因为flambe到$ \ widetilde {o}（a ^ 4 d ^ 4 /（\ epsilon ^ 2（1- \ gamma）^ {3}）$ d $是转换矩阵的等级（或地面真相表示的维度） ，$ a $是行动次数，而$ \ gamma $是折扣因素。值得注意的是，rep-ucb比flambe更简单，因为它直接余额余额表示学习，探索和剥削之间的相互作用，而Flambe是一种探索的探索式风格方法，并且必须逐步执行无奖励探索及时。对于离线RL设置，我们开发了一种利用悲观主义在部分覆盖条件下学习的算法：我们的算法能够与脱机分布所涵盖的策略进行竞争。

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。

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。