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.

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。

我们在一般的非线性函数近似下研究无奖励增强学习（RL），并在各种标准结构假设下建立样品效率和硬度结果。从积极的一面来看，我们提出了在最小的结构假设下进行样品有效奖励探索的Rfolive（无奖励橄榄）算法，该假设涵盖了先前研究的线性MDPS的设置（Jin等，2020b），线性完整性（线性完整性）（ Zanette等人，2020b）和低级MDP，具有未知的表示（Modi等，2021）。我们的分析表明，以前针对后两个设置的易学性或可及性假设在统计上对于无奖励探索而言并不是必需的。在负面方面，我们为在线性完整性假设下的无奖励和奖励意识探索提供统计硬度结果时，当基础特征未知时，显示了低级别和线性完整性设置之间的指数分离。

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。

低级MDP已成为研究强化学习中的表示和探索的重要模型。有了已知的代表，存在几种无模型的探索策略。相反，未知表示设置的所有算法都是基于模型的，因此需要对完整动力学进行建模。在这项工作中，我们介绍了低级MDP的第一个无模型表示学习算法。关键的算法贡献是一个新的Minimax表示学习目标，我们为其提供具有不同权衡的变体，其统计和计算属性不同。我们将这一表示的学习步骤与探索策略交织在一起，以无奖励的方式覆盖状态空间。所得算法可证明样品有效，并且可以适应一般函数近似以扩展到复杂的环境。

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。

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.

Value-function approximation methods that operate in batch mode have foundational importance to reinforcement learning (RL). Finite sample guarantees for these methods often crucially rely on two types of assumptions: (1) mild distribution shift, and (2) representation conditions that are stronger than realizability. However, the necessity ("why do we need them?") and the naturalness ("when do they hold?") of such assumptions have largely eluded the literature. In this paper, we revisit these assumptions and provide theoretical results towards answering the above questions, and make steps towards a deeper understanding of value-function approximation.

在现实世界的强化学习应用中，学习者的观察空间无处不在，有关手头任务的相关信息和无关紧要。从高维观察中学习一直是监督学习和统计数据（例如，通过稀疏性）进行广泛研究的主题，但是即使在有限的状态/行动（表格）领域，也不能很好地理解强化学习中的类似问题。我们引入了一个新的问题设置，用于增强学习，即马尔可夫决策过程（EXOMDP），其中状态空间将（未知）分解成一个小的（或内源性）组件，并且很大的无关（或外源）组件;外源成分独立于学习者的行为，但以任意的，时间相关的方式演变。我们提供了一种新的算法Exorl，该算法学习了一种近乎最佳的政策，其样品复杂性在内源性组件的大小中多项式，几乎独立于外源成分的大小，从而提供了一个双重指数的改进算法。我们的结果首次突出了在存在外源信息的情况下首次可以进行样品高效的增强学习，并为未来的调查提供了简单，用户友好的基准。

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.

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。

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。

We study sample efficient reinforcement learning (RL) under the general framework of interactive decision making, which includes Markov decision process (MDP), partially observable Markov decision process (POMDP), and predictive state representation (PSR) as special cases. Toward finding the minimum assumption that empowers sample efficient learning, we propose a novel complexity measure, generalized eluder coefficient (GEC), which characterizes the fundamental tradeoff between exploration and exploitation in online interactive decision making. In specific, GEC captures the hardness of exploration by comparing the error of predicting the performance of the updated policy with the in-sample training error evaluated on the historical data. We show that RL problems with low GEC form a remarkably rich class, which subsumes low Bellman eluder dimension problems, bilinear class, low witness rank problems, PO-bilinear class, and generalized regular PSR, where generalized regular PSR, a new tractable PSR class identified by us, includes nearly all known tractable POMDPs. Furthermore, in terms of algorithm design, we propose a generic posterior sampling algorithm, which can be implemented in both model-free and model-based fashion, under both fully observable and partially observable settings. The proposed algorithm modifies the standard posterior sampling algorithm in two aspects: (i) we use an optimistic prior distribution that biases towards hypotheses with higher values and (ii) a loglikelihood function is set to be the empirical loss evaluated on the historical data, where the choice of loss function supports both model-free and model-based learning. We prove that the proposed algorithm is sample efficient by establishing a sublinear regret upper bound in terms of GEC. In summary, we provide a new and unified understanding of both fully observable and partially observable RL.

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。

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。

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）$。