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.

我们研究联合的上下文线性匪徒，其中$ m $代理相互合作，在中央服务器的帮助下解决全球上下文线性匪徒问题。我们考虑了异步设置，所有代理商都独立工作，一个代理和服务器之间的通信不会触发其他代理的通信。我们提出了一种基于乐观原理的简单算法\ texttt {fedlinucb}。我们证明\ texttt {fedlinucb}的遗憾是由$ \ tilde {o}（d \ sqrt {\ sum_ {m = 1}^m t_m}）$界定的，通信复杂性是$ \ tilde {o}（o}（o}（o}（o}（o））dm^2）$，其中$ d $是上下文向量的尺寸，$ t_m $是与环境的交互总数，$ m $ -th代理。据我们所知，这是第一种可证明有效的算法，它允许联合上下文线性匪徒完全异步通信，同时获得与单一代理设置相同的遗憾保证。

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。

We consider distributed linear bandits where $M$ agents learn collaboratively to minimize the overall cumulative regret incurred by all agents. Information exchange is facilitated by a central server, and both the uplink and downlink communications are carried over channels with fixed capacity, which limits the amount of information that can be transmitted in each use of the channels. We investigate the regret-communication trade-off by (i) establishing information-theoretic lower bounds on the required communications (in terms of bits) for achieving a sublinear regret order; (ii) developing an efficient algorithm that achieves the minimum sublinear regret order offered by centralized learning using the minimum order of communications dictated by the information-theoretic lower bounds. For sparse linear bandits, we show a variant of the proposed algorithm offers better regret-communication trade-off by leveraging the sparsity of the problem.

合作匪徒问题越来越多地成为其在大规模决策中的应用。然而，对此问题的大多数研究专注于具有完美通信的环境，而在大多数现实世界分布式设置中，通信通常是随机网络，具有任意损坏和延迟。在本文中，我们在三个典型的真实沟通场景下研究了合作匪徒学习，即（a）通过随机时变网络的消息传递，（b）通过随机延迟的网络瞬时奖励共享（c ）通过对冲损坏的奖励来传递消息，包括拜占庭式沟通。对于每个环境中的每一个，我们提出了实现竞争性能的分散算法，以及在发生的群体后悔的近乎最佳保证。此外，在具有完美通信的环境中，我们提出了一种改进的延迟更新算法，其优于各种网络拓扑的现有最先进的算法。最后，我们在集团后悔呈现紧密的网络依赖性最低限度。我们所提出的算法很简单，以实现和获得竞争性的经验性能。

我们研究了带有未知上下文的分布式随机多臂上下文匪徒的问题，其中M代理商在中央服务器的协调下合作选择最佳动作，以最大程度地减少遗憾。在我们的模型中，对手选择在可能的上下文集上的分布，而代理只观察到上下文分布，而确切的上下文是代理人未知的。例如，当上下文本身是嘈杂的测量或基于天气预报或股票市场预测中的预测机制时，就会出现这种情况。我们的目标是开发一种分布式算法，该算法选择一系列最佳动作序列以最大程度地提高累积奖励。通过执行功能向量转换并利用UCB算法，我们提出了一种具有上下文分布的随机匪徒的UCB算法，并证明我们的算法实现了$ O（D \ sqrt {mt} log^2t log^2t）$ o的遗憾和通信范围对于线性参数化的奖励函数，分别为$ o（m^{1.5} d^3）$。我们还考虑了一种情况，代理在选择动作后会观察实际情况。对于此设置，我们提出了一种修改后的算法，该算法利用其他信息来实现更严格的遗憾。最后，我们验证了算法的性能，并使用有关合成数据和现实世界Movielens数据集的大量模拟将其与其他基线方法进行了比较。

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.

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。

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。

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}）$。

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。

本文研究了多功能网络网络中分散的多武装强盗问题。当他们面对一套常见的M武器并分享每个ARM奖励的相同均值，问题是由N代理同时解决的。每个代理可以从其邻居接收信息，其中代理之间的邻居关系由其顶点代表代理的定向图描述，并且其定向边缘描绘了邻居关系。针对每个试剂提出了一种完全分散的多武装强盗算法，其曲折了经典共识算法和上置信算法（UCB）算法。结果表明，该算法保证了每个代理，以实现比邻居图强烈连接的经典UCB更好的对数渐近遗憾。如果邻居图无向，则可以进一步提高遗憾。

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，我们在稀疏的随机上下文线性土匪中重新审视了遗憾的最小化问题，其中特征向量可能具有很大的尺寸$ d $，但是奖励功能取决于一些，例如$ s_0 \ ll d $，其中这些功能的这些功能只要。我们提出了阈值拉索匪徒，该算法（i）估算了定义奖励功能及其稀疏支持的向量，即显着特征元素，使用带有阈值的Lasso框架，以及（ii）根据此处选择手臂估计预测其支持。该算法不需要对稀疏索引$ s_0 $的先验知识，并且可以在某些对称假设下不含参数。对于这种简单的算法，我们将非偶然的遗憾上限建立为$ \ mathcal {o}（\ log d + d + \ sqrt {t}）$一般，为$ \ mathcal {o} log t）$在所谓的边缘条件下（手臂奖励分离的概率条件）。以前的算法的遗憾将其缩放为$ \ Mathcal {o}（\ log D + \ \ sqrt {t \ log（d t）}）$和$ \ mathcal {o}（\ log log t \ log t \ log t \ log t \ log d）$设置分别。通过数值实验，我们确认我们的算法优于现有方法。

We consider the nonstochastic multi-agent multi-armed bandit problem with agents collaborating via a communication network with delays. We show a lower bound for individual regret of all agents. We show that with suitable regularizers and communication protocols, a collaborative multi-agent \emph{follow-the-regularized-leader} (FTRL) algorithm has an individual regret upper bound that matches the lower bound up to a constant factor when the number of arms is large enough relative to degrees of agents in the communication graph. We also show that an FTRL algorithm with a suitable regularizer is regret optimal with respect to the scaling with the edge-delay parameter. We present numerical experiments validating our theoretical results and demonstrate cases when our algorithms outperform previously proposed algorithms.

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。

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。

在本文中，我们仅使用部分分布式反馈来研究全球奖励最大化的问题。这个问题是由几个现实世界应用程序（例如蜂窝网络配置，动态定价和政策选择）激发的，其中中央实体采取的行动会影响有助于全球奖励的大量人群。但是，从整个人群那里收集此类奖励反馈不仅会产生高昂的成本，而且经常导致隐私问题。为了解决此问题，我们考虑了差异的私有分布式线性土匪，其中只选择了来自人群的一部分用户（称为客户）来参与学习过程，并且中央服务器通过迭代地汇总这些部分从这种部分反馈中学习了全局模型客户的本地反馈以差异化的方式。然后，我们提出了一个统一的算法学习框架，称为差异性分布式分布式消除（DP-DPE），该框架可以与流行的差异隐私（DP）模型（包括中央DP，Local DP，Local DP和Shuffle DP）自然集成。此外，我们证明DP-DPE既可以达到统一的遗憾，又实现了额定性沟通成本。有趣的是，DP-DPE也可以“免费”获得隐私保护，这是因为由于隐私保证是一个较低的加法术语。此外，作为我们技术的副产品，对于标准的差异私有线性匪徒，也可以实现“自由”隐私的相同结果。最后，我们进行模拟以证实我们的理论结果并证明DP-DPE的有效性。

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。