信息指导的采样（IDS）最近证明了其作为数据效率增强学习算法的潜力。但是，目前尚不清楚当可用上下文信息时，要优化的信息比的正确形式是什么。我们通过两个上下文强盗问题研究IDS设计：具有图形反馈和稀疏线性上下文匪徒的上下文强盗。我们证明了上下文ID比条件ID的优势，并强调考虑上下文分布的重要性。主要信息是，智能代理人应该在有条件的ID可能是近视的情况下对未来看不见的环境有益的行动进行更多的投资。我们进一步提出了基于Actor-Critic的上下文ID的计算效率版本，并在神经网络上下文的强盗上进行经验评估。

信息指导的采样（IDS）揭示了其作为增强学习（RL）的数据效率算法的潜力。但是，对马尔可夫决策过程（MDP）的ID的理论理解仍然有限。我们开发了新颖的信息理论工具，以限制有关学习目标的信息比和累积信息获得。我们的理论结果阐明了选择学习目标的重要性，以便从业者可以平衡计算和后悔的界限。结果，我们为香草IDS提供了先前的贝叶斯遗憾界限，该范围在表格有限的摩尼子MDP下学习了整个环境。此外，我们提出了一种计算效率的正规化ID，该ID可以最大化添加剂形式而不是比率形式，并表明它具有与香草-IDS相同的遗憾。借助利率延伸理论，我们通过学习一个代孕，信息不足的环境来改善遗憾。此外，我们将分析扩展到线性MDP，并证明了汤普森采样作为副产品的类似遗憾界限。

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.

在本文中，我们研究了汤普森采样（TS）方法的应用到随机组合多臂匪徒（CMAB）框架中。当所有基本臂的结果分布都是独立的，并获得$ o（m \ log k _ {\ max} \ log t / \ delta_时，我们首先分析一般CMAB模型的标准TS算法。 {\ min}）$，其中$ m $是基本武器的数量，$ k _ {\ max} $是最大的超级臂的大小，$ t $是时间范围，而$ \ delta _ {\ min} $是最佳解决方案的预期奖励与任何非最佳解决方案之间的最小差距。这种遗憾的上限比$ o（m（\ log k _ {\ max}）^2 \ log t / \ delta _ {\ min}）$更好。此外，我们的新颖分析技术可以帮助收紧其他基于UCB的政策（例如ESC）的遗憾界限，因为我们改善了计算累积遗憾的方法。然后，我们考虑Matroid Bandit设置（CMAB模型的特殊类别），在这里我们可以删除跨武器的独立性假设，并实现与下限匹配的遗憾上限。除了遗憾的上限外，我们还指出，一个人不能直接替换确切的离线甲骨文（将离线问题实例的参数作为输入，并在此实例下输出确切的最佳操作），用TS算法中的近似oracle替换了ts算法的近似值。甚至经典的mAb问题。最后，我们使用一些实验来显示TS遗憾与其他现有算法之间的比较，实验结果表明TS优于现有基准。

我们考虑激励探索：一种多臂匪徒的版本，其中武器的选择由自私者控制，而算法只能发布建议。该算法控制信息流，信息不对称可以激励代理探索。先前的工作达到了最佳的遗憾率，直到乘法因素，这些因素根据贝叶斯先验而变得很大，并在武器数量上成倍规模扩展。采样每只手臂的一个更基本的问题一旦遇到了类似的因素。我们专注于激励措施的价格：出于激励兼容的目的，绩效的损失，广泛解释为。我们证明，如果用足够多的数据点初始化，则标准的匪徒汤普森采样是激励兼容的。因此，当收集这些数据点时，由于激励措施的绩效损失仅限于初始回合。这个问题主要降低到样本复杂性的问题：需要多少个回合？我们解决了这个问题，提供了匹配的上限和下限，并在各种推论中实例化。通常，最佳样品复杂性在“信念强度”中的武器数量和指数中是多项式。

我们通过反馈图来重新审视随机在线学习的问题，目的是设计最佳的算法，直至常数，无论是渐近还是有限的时间。我们表明，令人惊讶的是，在这种情况下，最佳有限时间遗憾的概念并不是一个唯一的定义属性，总的来说，它与渐近率是与渐近率分离的。我们讨论了替代选择，并提出了有限时间最优性的概念，我们认为是\ emph {有意义的}。对于这个概念，我们给出了一种算法，在有限的时间和渐近上都承认了准最佳的遗憾。

汤普森抽样（TS）吸引了对强盗区域的兴趣。它在20世纪30年代介绍，但近年来尚未经过理论上证明。其在组合多武装强盗（CMAB）设置中的所有分析都需要精确的Oracle来提供任何输入的最佳解决方案。然而，这种Oracle通常是不可行的，因为许多组合优化问题是NP - 硬，并且只有近似oracles可用。一个例子（王和陈，2018）已经表明TS的失败来学习近似Oracle。但是，此Oracle罕见，仅用于特定问题实例。它仍然是一个开放的问题，无论TS的收敛分析是否可以扩展到CMAB中的精确oracle。在本文中，我们在贪婪的Oracle下研究了这个问题，这是一个常见的（近似）Oracle，具有理论上的保证来解决许多（离线）组合优化问题。我们提供了一个问题依赖性遗憾的遗憾下限为$ \ omega（\ log t / delta ^ 2）$，以量化Ts的硬度来解决贪婪的甲骨文的CMAB问题，其中$ T $是时间范围和$ Delta $是一些奖励差距。我们还提供几乎匹配的遗憾上限。这些是TS解决CMAB与常见近似甲骨文的第一个理论结果，并打破TS无法使用近似神谕的误解。

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。

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。

在[Mannor和Shamir，Neurips 2011]中提出的图表反馈的强盗问题由指向图$ G =（v，e）$，其中$ v $是强盗臂的集合，并且一旦触发臂一旦触发，所有入射武器都被观察到。基本问题是图形的结构如何影响Min-Max后悔。我们提出了分数分别捕捉上限和下限的美元弱统治号码$ \ delta ^ * $和$ k $ -packing独立号码的概念。我们表明，两种概念通过将它们与弱主导集合的线性程序和其双分数顶点包装组对齐，通过对齐它们通过对齐它们是固有的连接。基于这一联系，我们利用了强大的二元定理来证明一般遗憾的上限$ o \ left（\ left（\ delta ^ * \ log | v | \右）^ {\ frac {1} {3}} t ^ {\ frac {2} {3}} \右）$和一个下限$ \ oomega \ left（\ left（\ delta ^ * / \ alpha \ over）^ {\ frac {1} {3}} t ^ {\ frac {2} {3}}右）$ where $ \ alpha $是双线性程序的完整性差距。因此，我们的界限紧紧达到一个$ \左（\ log | v | \ over）^ {\ frac {1} {3}} $ thace，其中顶点包装问题包括树和图表有限度。此外，我们表明，对于几个特殊的图形，我们可以摆脱$ \左（\ log | v | \右）^ {\ frac {1} {3}} $ factor并建立最佳遗憾。

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。

在随机上下文的强盗设置中，对遗憾最小化算法进行了广泛的研究，但是他们的实例最少的最佳武器识别对应物仍然很少研究。在这项工作中，我们将重点关注$（\ epsilon，\ delta）$ - $ \ textit {pac} $设置：给定策略类$ \ pi $，学习者的目标是返回策略的目标， $ \ pi \ in \ pi $的预期奖励在最佳政策的$ \ epsilon $之内，概率大于$ 1- \ delta $。我们表征了第一个$ \ textit {实例依赖性} $ PAC样品通过数量$ \ rho _ {\ pi} $的上下文匪徒的复杂性，并根据$ \ rho _ {\ pi} $提供匹配的上和下限不可知论和线性上下文最佳武器标识设置。我们表明，对于遗憾的最小化和实例依赖性PAC而言，无法同时最小化算法。我们的主要结果是一种新的实例 - 最佳和计算有效算法，该算法依赖于多项式呼叫对Argmax Oracle的调用。

我们为随机线性匪徒问题提出了一种新的基于自举的在线算法。关键的想法是采用残留的自举勘探，在该探索中，代理商通过重新采样平均奖励估算的残差来估算下一步奖励。我们的算法，随机线性匪徒（\ texttt {linreboot}）的残留bootstrap探索，从其重新采样分布中估算了线性奖励，并以最高的奖励估计拉动了手臂。特别是，我们为理论框架做出了一个理论框架，以使基于自举的探索机制在随机线性匪徒问题中脱颖而出。关键见解是，Bootstrap探索的强度基于在线学习模型和残差的重新采样分布之间的乐观情绪。这样的观察使我们能够证明所提出的\ texttt {linreboot}确保了高概率$ \ tilde {o}（d \ sqrt {n}）$ sub-linear在温和条件下的遗憾。我们的实验支持\ texttt {重新启动}原理在线性匪徒问题的各种公式中的简易概括性，并显示了\ texttt {linreboot}的显着计算效率。

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。

We study distributed contextual linear bandits with stochastic contexts, where $N$ agents act cooperatively to solve a linear bandit-optimization problem with $d$-dimensional features over the course of $T$ rounds. For this problem, we derive the first ever information-theoretic lower bound $\Omega(dN)$ on the communication cost of any algorithm that performs optimally in a regret minimization setup. We then propose a distributed batch elimination version of the LinUCB algorithm, DisBE-LUCB, where the agents share information among each other through a central server. We prove that the communication cost of DisBE-LUCB matches our lower bound up to logarithmic factors. In particular, for scenarios with known context distribution, the communication cost of DisBE-LUCB is only $\tilde{\mathcal{O}}(dN)$ and its regret is ${\tilde{\mathcal{O}}}(\sqrt{dNT})$, which is of the same order as that incurred by an optimal single-agent algorithm for $NT$ rounds. We also provide similar bounds for practical settings where the context distribution can only be estimated. Therefore, our proposed algorithm is nearly minimax optimal in terms of \emph{both regret and communication cost}. Finally, we propose DecBE-LUCB, a fully decentralized version of DisBE-LUCB, which operates without a central server, where agents share information with their \emph{immediate neighbors} through a carefully designed consensus procedure.

我们研究了在高维稀疏线性上下文匪徒中动态批处理学习的问题，在给定的最大批量约束下，决策者在每个批次结束时只能观察奖励，可以动态地决定如何进行奖励。许多人将包括在下一批中（在当前批次结束时）以及每批采用哪些个性化行动选择方案。在各种实际情况下，这种批处理的限制无处不在，包括在临床试验中的营销和医疗选择中的个性化产品。我们通过后悔的下限表征了此问题中的基本学习限制，并提供了匹配的上限（直至日志因素），从而为此问题开了最佳方案。据我们所知，我们的工作为在高维稀疏线性上下文匪徒中对动态批处理学习的理论理解提供了第一个侵入。值得注意的是，即使我们的结果的一种特殊情况 - 当不存在批处理约束时 - 都会产生简单的无探索算法使用Lasso估算器，已经达到了在高维线性匪板中为标准在线学习的最小值最佳遗憾（对于No-Cargin情况），在高维上下文Bandits的新兴文献中似乎未知。

通过图形反馈的在线学习问题已经在文献中进行了广泛的研究，因为它的一般性和对各种学习任务进行建模的潜力。现有作品主要研究对抗和随机反馈。如果对反馈机制的先验知识是不可用的或错误的，那么这种专门设计的算法可能会遭受巨大的损失。为了避免此问题，\ citet {ererez2021towards}尝试针对两个环境进行优化。但是，他们认为反馈图是无方向性的，每个顶点都有一个自循环，这会损害框架的通用性，并且在应用程序中可能无法满足。有了一般的反馈图，在拉动该手臂时可能无法观察到手臂，这使得探索更加昂贵，并且在两种环境中最佳性能的算法更具挑战性。在这项工作中，我们通过新的权衡机制克服了这一困难，并精心设计的探索和剥削比例。我们证明了所提出的算法同时实现$ \ mathrm {poly} \ log t $在随机设置中的遗憾，而在$ versarial设置中，$ \ tilde {o} $ \ tilde {o}的最小值遗憾t $是地平线，$ \ tilde {o} $隐藏参数独立于$ t $以及对数项。据我们所知，这是通用反馈图的第一个最佳世界结果。

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。

In this paper, we study a sequential decision-making problem, called Adaptive Sampling for Discovery (ASD). Starting with a large unlabeled dataset, algorithms for ASD adaptively label the points with the goal to maximize the sum of responses. This problem has wide applications to real-world discovery problems, for example drug discovery with the help of machine learning models. ASD algorithms face the well-known exploration-exploitation dilemma. The algorithm needs to choose points that yield information to improve model estimates but it also needs to exploit the model. We rigorously formulate the problem and propose a general information-directed sampling (IDS) algorithm. We provide theoretical guarantees for the performance of IDS in linear, graph and low-rank models. The benefits of IDS are shown in both simulation experiments and real-data experiments for discovering chemical reaction conditions.

我们研究了具有线性函数近似增强学习中的随机最短路径（SSP）问题，其中过渡内核表示为未知模型的线性混合物。我们将此类别的SSP问题称为线性混合物SSP。我们提出了一种具有Hoeffding-type置信度的新型算法，用于学习线性混合物SSP，可以获得$ \ tilde {\ Mathcal {o}}}}（d B _ {\ star}^{1.5} \ sqrt {k/c_ {k/c_ {k/c_ {k/c_ { \ min}}）$遗憾。这里$ k $是情节的数量，$ d $是混合模型中功能映射的维度，$ b _ {\ star} $限制了最佳策略的预期累积成本，$ c _ {\ min}>> 0 $是成本函数的下限。当$ c _ {\ min} = 0 $和$ \ tilde {\ mathcal {o}}}（k^{2/3}）$遗憾时，我们的算法也适用于情况。据我们所知，这是第一个具有sublrinear遗憾保证线性混合物SSP的算法。此外，我们设计了精致的伯恩斯坦型信心集并提出了改进的算法，该算法可实现$ \ tilde {\ Mathcal {o}}}（d b _ {\ star} \ sqrt {k/c/c/c {k/c _ {\ min}}） $遗憾。为了补充遗憾的上限，我们还证明了$ \ omega（db _ {\ star} \ sqrt {k}）$的下限。因此，我们的改进算法将下限匹配到$ 1/\ sqrt {c _ {\ min}} $ factor和poly-logarithmic因素，从而实现了近乎最佳的遗憾保证。