In this paper, we address the stochastic contextual linear bandit problem, where a decision maker is provided a context (a random set of actions drawn from a distribution). The expected reward of each action is specified by the inner product of the action and an unknown parameter. The goal is to design an algorithm that learns to play as close as possible to the unknown optimal policy after a number of action plays. This problem is considered more challenging than the linear bandit problem, which can be viewed as a contextual bandit problem with a \emph{fixed} context. Surprisingly, in this paper, we show that the stochastic contextual problem can be solved as if it is a linear bandit problem. In particular, we establish a novel reduction framework that converts every stochastic contextual linear bandit instance to a linear bandit instance, when the context distribution is known. When the context distribution is unknown, we establish an algorithm that reduces the stochastic contextual instance to a sequence of linear bandit instances with small misspecifications and achieves nearly the same worst-case regret bound as the algorithm that solves the misspecified linear bandit instances. As a consequence, our results imply a $O(d\sqrt{T\log T})$ high-probability regret bound for contextual linear bandits, making progress in resolving an open problem in (Li et al., 2019), (Li et al., 2021). Our reduction framework opens up a new way to approach stochastic contextual linear bandit problems, and enables improved regret bounds in a number of instances including the batch setting, contextual bandits with misspecifications, contextual bandits with sparse unknown parameters, and contextual bandits with adversarial corruption.

We study bandit model selection in stochastic environments. Our approach relies on a meta-algorithm that selects between candidate base algorithms. We develop a meta-algorithm-base algorithm abstraction that can work with general classes of base algorithms and different type of adversarial meta-algorithms. Our methods rely on a novel and generic smoothing transformation for bandit algorithms that permits us to obtain optimal $O(\sqrt{T})$ model selection guarantees for stochastic contextual bandit problems as long as the optimal base algorithm satisfies a high probability regret guarantee. We show through a lower bound that even when one of the base algorithms has $O(\log T)$ regret, in general it is impossible to get better than $\Omega(\sqrt{T})$ regret in model selection, even asymptotically. Using our techniques, we address model selection in a variety of problems such as misspecified linear contextual bandits, linear bandit with unknown dimension and reinforcement learning with unknown feature maps. Our algorithm requires the knowledge of the optimal base regret to adjust the meta-algorithm learning rate. We show that without such prior knowledge any meta-algorithm can suffer a regret larger than the optimal base regret.

在本文中，我们提出了针对中央，局部和洗牌模型中随机线性匪徒问题的差异私有算法。在中心模型中，我们获得了与最佳非私有算法的遗憾，这意味着我们可以免费获得隐私。特别是，我们感到遗憾的是$ \ tilde {o}（\ sqrt {t}+\ frac {1} {\ epsilon}）$匹配已知的私有线性匪徒的较低限制，而最佳以前已知的算法实现了$ \ tilde {o}（\ frac {1} {\ epsilon} \ sqrt {t}）$。在当地情况下，我们感到遗憾的是$ \ tilde {o}（\ frac {1} {\ epsilon} {\ sqrt {t}} $，与常数$ \ epsilon $相匹配的非私人遗憾，但是当$ \ epsilon $很小时，会受到遗憾的处罚。在洗牌模型中，我们还遗憾地对$ \ tilde {o}（\ sqrt {t}+\ frac {1} {\ epsilon} {\ epsilon}）$％$ \ epsilon $，如中心案例，而最佳情况是以前已知的算法对$ \ tilde {o}（\ frac {1} {\ epsilon} {t^{3/5}}）$感到遗憾。我们的数值评估验证了我们的理论结果。

我们在嵌套政策类别的存在下研究匪徒场景中的模型选择问题，目的是获得同时的对抗和随机性（“两全其美”）高概率的遗憾保证。我们的方法要求每个基础学习者都有一个候选人的遗憾约束，可能会或可能不会举行，而我们的元算法按照一定时间表来扮演每个基础学习者，该时间表使基础学习者的候选人后悔的界限保持平衡，直到被发现违反他们的保证为止。我们开发了专门设计的仔细的错误指定测试，以将上述模型选择标准与利用环境的（潜在良性）性质的能力相结合。我们在对抗环境中恢复畜栏算法的模型选择保证，但是在实现高概率后悔界限的附加益处，特别是在嵌套对抗性线性斑块的情况下。更重要的是，我们的模型选择结果也同时在差距假设​​下的随机环境中同时保持。这些是在（线性）匪徒场景中执行模型选择时，可以达到世界上最好的（随机和对抗性）保证的第一个理论结果。

上下文线性土匪是具有许多实际应用的丰富且理论上重要的模型。最近，这种设置对无线的应用程序引起了很多兴趣，在无线上，通信限制可能是性能瓶颈，尤其是当上下文来自大型$ d $维空间时。在本文中，我们考虑了一个分布式的无记忆上下文线性匪徒学习问题，在该问题中，观察上下文并采取行动的代理人在地理上与学习中的学习者而在看不到上下文的同时分离。我们假设上下文是从分布中生成的，并提出了一种方法，该方法对于未知上下文分布的情况使用$ \ \ 5D $位，如果已知上下文分布，则每上下文$ 0 $ bits $ 0 $位，同时实现了几乎相同的遗憾。好像可以直接观察到上下文。前者的界限通过$ \ log（t）$因素在现有界限上进行了改进，其中$ t $是地平线的长度，而后者则达到了信息理论的紧密度。

我们在存在对抗性腐败的情况下研究线性上下文的强盗问题，在场，每回合的奖励都被对手损坏，腐败级别（即，地平线上的腐败总数）为$ c \ geq 0 $。在这种情况下，最著名的算法受到限制，因为它们要么在计算效率低下，要么需要对腐败做出强烈的假设，或者他们的遗憾至少比没有腐败的遗憾差的$ C $倍。在本文中，为了克服这些局限性，我们提出了一种基于不确定性的乐观原则的新算法。我们算法的核心是加权山脊回归，每个选择动作的重量都取决于其置信度，直到一定的阈值。 We show that for both known $C$ and unknown $C$ cases, our algorithm with proper choice of hyperparameter achieves a regret that nearly matches the lower bounds.因此，我们的算法几乎是两种情况的对数因素的最佳选择。值得注意的是，我们的算法同时对腐败和未腐败的案件（$ c = 0 $）实现了近乎最理想的遗憾。

我们通过审查反馈重复进行一定的第一价格拍卖来研究在线学习，在每次拍卖结束时，出价者只观察获胜的出价，学会了适应性地出价，以最大程度地提高她的累积回报。为了实现这一目标，投标人面临着一个具有挑战性的困境：如果她赢得了竞标 - 获得正收益的唯一方法 - 然后她无法观察其他竞标者的最高竞标，我们认为我们认为这是从中汲取的。一个未知的分布。尽管这一困境让人联想到上下文强盗中的探索探索折衷权，但现有的UCB或汤普森采样算法无法直接解决。在本文中，通过利用第一价格拍卖的结构属性，我们开发了第一个实现$ o（\ sqrt {t} \ log^{2.5} t）$ hearry bund的第一个学习算法（\ sqrt {t} \ log^{2.5} t），这是最小值的最低$ $ \ log $因素，当投标人的私人价值随机生成时。我们这样做是通过在一系列问题上提供算法，称为部分有序的上下文匪徒，该算法将图形反馈跨动作，跨环境跨上下文进行结合，以及在上下文中的部分顺序。我们通过表现出一个奇怪的分离来确定该框架的优势和劣势，即在随机环境下几乎可以独立于动作/背景规模的遗憾，但是在对抗性环境下是不可能的。尽管这一通用框架有限制，但我们进一步利用了第一价格拍卖的结构，并开发了一种学习算法，该算法在存在对手生成的私有价值的情况下，在存在的情况下可以有效地运行样本（并有效地计算）。我们建立了一个$ o（\ sqrt {t} \ log^3 t）$遗憾，以此为此算法，因此提供了对第一价格拍卖的最佳学习保证的完整表征。

多武装强盗（MAB）问题是一个主动学习框架，其旨在通过顺序观察奖励来选择一组动作中最好的选择。最近，它已经在无线网络上的许多应用程序流行，其中通信约束可以形成瓶颈。现有的作品通常无法解决此问题，并且可以在某些应用中变得不可行。在本文中，我们通过优化分布式代理收集的奖励的通信来解决沟通问题。通过提供近乎匹配的上限和下限，我们紧紧地表征了学习者每次奖励所需的比特数，以便在不遭受额外遗憾的情况下准确学习。特别是，我们建立了一个通用奖励量化算法，可以应用于任何（无遗憾）MAB算法的顶部，以形成新的通信有效的对应物，这只需要几个（低至3）位每次迭代时会发送，同时保留相同的遗憾。我们的下限是通过构建来自SubGaussian分布的硬实例来建立。我们的理论在数值实验中进一步证实。

我们研究了一个顺序决策问题，其中学习者面临$ k $武装的随机匪徒任务的顺序。对手可能会设计任务，但是对手受到限制，以在$ m $ and的较小（但未知）子集中选择每个任务的最佳组。任务边界可能是已知的（强盗元学习设置）或未知（非平稳的强盗设置）。我们设计了一种基于Burnit subsodular最大化的减少的算法，并表明，在大量任务和少数最佳武器的制度中，它在两种情况下的遗憾都比$ \ tilde {o}的简单基线要小。 \ sqrt {knt}）$可以通过使用为非平稳匪徒问题设计的标准算法获得。对于固定任务长度$ \ tau $的强盗元学习问题，我们证明该算法的遗憾被限制为$ \ tilde {o}（nm \ sqrt {m \ tau}+n^{2/3} m \ tau）$。在每个任务中最佳武器的可识别性的其他假设下，我们显示了一个带有改进的$ \ tilde {o}（n \ sqrt {m \ tau}+n^{1/2} {1/2} \ sqrt的强盗元学习算法{m k \ tau}）$遗憾。

在古典语境匪徒问题中，在每轮$ t $，学习者观察一些上下文$ c $，选择一些动作$ i $执行，并收到一些奖励$ r_ {i，t}（c）$。我们考虑此问题的变体除了接收奖励$ r_ {i，t}（c）$之外，学习者还要学习其他一些上下文$的$ r_ {i，t}（c'）$的值C'$ in设置$ \ mathcal {o} _i（c）$;即，通过在不同的上下文下执行该行动来实现的奖励\ mathcal {o} _i（c）$。这种变体出现在若干战略设置中，例如学习如何在非真实的重复拍卖中出价，最热衷于随着许多平台转换为运行的第一价格拍卖。我们将此问题称为交叉学习的上下文匪徒问题。古典上下围匪徒问题的最佳算法达到$ \ tilde {o}（\ sqrt {ckt}）$遗憾针对所有固定策略，其中$ c $是上下文的数量，$ k $的行动数量和$ $次数。我们设计并分析了交叉学习的上下文匪徒问题的新算法，并表明他们的遗憾更好地依赖上下文的数量。在选择动作时学习所有上下文的奖励的完整交叉学习下，即设置$ \ mathcal {o} _i（c）$包含所有上下文，我们显示我们的算法实现后悔$ \ tilde {o}（ \ sqrt {kt}）$，删除$ c $的依赖。对于任何其他情况，即在部分交叉学习下，$ | \ mathcal {o} _i（c）| <c $ for $（i，c）$，遗憾界限取决于如何设置$ \ mathcal o_i（c）$影响上下文之间的交叉学习的程度。我们从Ad Exchange运行一流拍卖的广告交换中模拟了我们的真实拍卖数据的算法，并表明了它们优于传统的上下文强盗算法。

We consider the stochastic linear contextual bandit problem with high-dimensional features. We analyze the Thompson sampling (TS) algorithm, using special classes of sparsity-inducing priors (e.g. spike-and-slab) to model the unknown parameter, and provide a nearly optimal upper bound on the expected cumulative regret. To the best of our knowledge, this is the first work that provides theoretical guarantees of Thompson sampling in high dimensional and sparse contextual bandits. For faster computation, we use spike-and-slab prior to model the unknown parameter and variational inference instead of MCMC to approximate the posterior distribution. Extensive simulations demonstrate improved performance of our proposed algorithm over existing ones.

我们研究了批量线性上下文匪徒的最佳批量遗憾权衡。对于任何批次数$ M $，操作次数$ k $，时间范围$ t $和维度$ d $，我们提供了一种算法，并证明了其遗憾的保证，这是由于技术原因，具有两阶段表达作为时间的时间$ t $ grose。我们还证明了一个令人奇迹的定理，令人惊讶地显示了在问题参数的“问题参数”中的两相遗憾（最高〜对数因子）的最优性，因此建立了确切的批量后悔权衡。与最近的工作\ citep {ruan2020linear}相比，这表明$ m = o（\ log \ log t）$批次实现无需批处理限制的渐近最佳遗憾的渐近最佳遗憾，我们的算法更简单，更易于实际实现。此外，我们的算法实现了所有$ t \ geq d $的最佳遗憾，而\ citep {ruan2020linear}要求$ t $大于$ d $的不切实际的大多项式。沿着我们的分析，我们还证明了一种新的矩阵集中不平等，依赖于他们的动态上限，这是我们的知识，这是其文学中的第一个和独立兴趣。

富达匪徒问题是$ k $的武器问题的变体，其中每个臂的奖励通过提供额外收益的富达奖励来增强，这取决于播放器如何对该臂进行“忠诚”在过去。我们提出了两种忠诚的模型。在忠诚点模型中，额外奖励的数量取决于手臂之前播放的次数。在订阅模型中，额外的奖励取决于手臂的连续绘制的当前数量。我们考虑随机和对抗问题。由于单臂策略在随机问题中并不总是最佳，因此对抗性环境中遗憾的概念需要仔细调整。我们介绍了三个可能的遗憾和调查，这可以是偏执的偏执。我们详细介绍了增加，减少和优惠券的特殊情况（玩家在手臂的每辆M $播放后获得额外的奖励）保真奖励。对于不一定享受载体遗憾的模型，我们提供了最糟糕的下限。对于那些展示Sublinear遗憾的模型，我们提供算法并绑定他们的遗憾。

在线学习算法广泛用于网络上的搜索和内容优化，必须平衡探索和开发，可能牺牲当前用户的经验，以获得将来会导致未来更好决策的信息。虽然在最坏的情况下，与贪婪算法相比，显式探索具有许多缺点，其通过选择当前看起来最佳的动作始终“利用”。我们在数据中固有的多样性的情况下提出了明确的探索不必要。我们在最近的一系列工作中进行了线性上下围匪盗模型中贪婪算法的平滑分析。我们提高了先前的结果，表明，只要多样性条件保持，贪婪的方法几乎符合任何其他算法的最佳可能性贝叶斯遗憾率，并且这种遗憾是最多的$ \ tilde o（t ^ {1/ 3}）$。

我们为线性上下文匪徒提出了一种新颖的算法（\ sqrt {dt \ log t}）$遗憾，其中$ d $是上下文的尺寸，$ t $是时间范围。我们提出的算法配备了一种新型估计量，其中探索通过显式随机化嵌入。根据随机化的不同，我们提出的估计器从所有武器的上下文或选定的上下文中都取得了贡献。我们为我们的估计器建立了一个自称的绑定，这使累积遗憾的新颖分解为依赖添加剂的术语而不是乘法术语。在我们的问题设置下，我们还证明了$ \ omega（\ sqrt {dt}）$的新颖下限。因此，我们提出的算法的遗憾与对数因素的下限相匹配。数值实验支持理论保证，并表明我们所提出的方法的表现优于现有的线性匪徒算法。

当动作集具有良好的曲率时，我们在任何线性匪徒算法产生的设计矩阵的特征矩阵上介绍了一个非呈现的下限。具体而言，我们表明，每当算法的预期累积后悔为$ o（\ sqrt {n}）$时，预期设计矩阵的最低特征值将随着$ \ omega（\ sqrt {n}）$的增长而生长为$ n $是学习范围，动作空间在最佳臂周围具有恒定的Hessian。这表明，这种作用空间在离散（即分离良好的）动作空间中迫使多项式下限而不是对数下限，如\ cite {lattimore2017end}所示。此外，虽然先前的结果仅在渐近方案（如$ n \ to \ infty $）中保留，但我们对这些``本地富裕的''动作空间的结果随时都在。此外，在温和的技术假设下，我们以高概率获得了对最小本本特征值的相似下限。我们将结果应用于两个实用的方案 - \ emph {model selection}和\ emph {clustering}在线性匪徒中。对于模型选择，我们表明了一个基于时期的线性匪徒算法适应了真实模型的复杂性，以时代数量的速率指数，借助我们的新频谱结合。对于聚类，我们考虑了一个多代理框架，我们通过利用光谱结果，该框架来证明该框架，该框架，该框架，该框架通过光谱结果，该频谱结果，该框架的结果，该频谱结果，该框架的结果，该频谱结果该框架，该框架的结果不需要强制探索 - 代理商可以运行线性匪徒算法并立即估算其基本参数，从而产生低遗憾。

我们介绍了一个多臂强盗模型，其中奖励是多个随机变量的总和，每个动作只会改变其中的分布。每次动作之后，代理都会观察所有变量的实现。该模型是由营销活动和推荐系统激励的，在该系统中，变量代表单个客户的结果，例如点击。我们提出了UCB风格的算法，以估计基线上的动作的提升。我们研究了问题的多种变体，包括何时未知基线和受影响的变量，并证明所有这些变量均具有sublrinear后悔界限。我们还提供了较低的界限，以证明我们的建模假设的必要性是合理的。关于合成和现实世界数据集的实验显示了估计不使用这种结构的策略的振奋方法的好处。

我们研究对线性随机匪徒的对抗攻击：通过操纵奖励，对手旨在控制匪徒的行为。也许令人惊讶的是，我们首先表明某些攻击目标永远无法实现。这与无上下文的随机匪徒形成了鲜明的对比，并且本质上是由于线性随机陆上的臂之间的相关性。在这一发现的激励下，本文研究了$ k $武装的线性匪徒环境的攻击性。我们首先根据武器上下文向量的几何形状提供了攻击性的完全必要性和充分性表征。然后，我们提出了针对Linucb和鲁棒相消除的两阶段攻击方法。该方法首先断言给定环境是否可攻击；而且，如果是的话，它会付出巨大的奖励，以强迫算法仅使用sublinear成本来拉动目标臂线性时间。数值实验进一步验证了拟议攻击方法的有效性和成本效益。

我们考虑基于嘈杂的强盗反馈优化黑盒功能的问题。内核强盗算法为此问题显示了强大的实证和理论表现。然而，它们严重依赖于模型所指定的模型，并且没有它可能会失败。相反，我们介绍了一个\ emph {isspecified}内塞的强盗设置，其中未知函数可以是$ \ epsilon $ - 在一些再现内核希尔伯特空间（RKHS）中具有界限范数的函数均匀近似。我们设计高效实用的算法，其性能在模型误操作的存在下最微小地降低。具体而言，我们提出了一种基于高斯过程（GP）方法的两种算法：一种乐观的EC-GP-UCB算法，需要了解误操作误差，并相断的GP不确定性采样，消除型算法，可以适应未知模型拼盘。我们在$ \ epsilon $，时间范围和底层内核方面提供累积遗憾的上限，我们表明我们的算法达到了$ \ epsilon $的最佳依赖性，而没有明确的误解知识。此外，在一个随机的上下文设置中，我们表明EC-GP-UCB可以有效地与遗憾的平衡策略有效地结合，尽管不知道$ \ epsilon $尽管不知道，但仍然可以获得类似的遗憾范围。

We improve the theoretical analysis and empirical performance of algorithms for the stochastic multi-armed bandit problem and the linear stochastic multi-armed bandit problem. In particular, we show that a simple modification of Auer's UCB algorithm achieves with high probability constant regret. More importantly, we modify and, consequently, improve the analysis of the algorithm for the for linear stochastic bandit problem studied by Auer ( 2002), Dani et al. (2008), Rusmevichientong and Tsitsiklis (2010), Li et al. (2010). Our modification improves the regret bound by a logarithmic factor, though experiments show a vast improvement. In both cases, the improvement stems from the construction of smaller confidence sets. For their construction we use a novel tail inequality for vector-valued martingales.