我们考虑解决强大的马尔可夫决策过程（MDP）的问题，该过程涉及一组折扣，有限状态，有限的动作空间MDP，具有不确定的过渡核。计划的目的是找到一项强大的政策，以优化针对过渡不确定性的最坏情况值，从而将标准MDP计划作为特殊情况。对于$（\ Mathbf {s}，\ Mathbf {a}）$ - 矩形不确定性集，我们开发了一种基于策略的一阶方法，即稳健的策略镜像下降（RPMD），并建立$ \ Mathcal {o }（\ log（1/\ epsilon））$和$ \ Mathcal {o}（1/\ epsilon）$迭代复杂性，用于查找$ \ epsilon $ -optimal策略，并带有两个增加的步骤式方案。 RPMD的先前收敛适用于任何Bregman差异，前提是政策空间在以初始政策为中心时通过差异测量的半径限制了半径。此外，当布雷格曼的分歧对应于平方的欧几里得距离时，我们建立了一个$ \ mathcal {o}（\ max \ {1/\ epsilon，1/（\ eta \ eTa \ epsilon^2）\ epsilon^2）\任何常量的步进$ \ eta $。对于Bregman差异的一般类别，如果不确定性集满足相对强的凸度，则还为RPMD建立了类似的复杂性。当仅通过与名义环境的在线互动获得一阶信息时，我们进一步开发了一个名为SRPMD的随机变体。对于Bregman General Divergences，我们建立了一个$ \ MATHCAL {O}（1/\ Epsilon^2）$和$ \ Mathcal {O}（1/\ Epsilon^3）$样品复杂性，具有两个增加的静态方案。对于Euclidean Bregman Divergence，我们建立了一个$ \ MATHCAL {O}（1/\ Epsilon^3）$样本复杂性，并具有恒定的步骤。据我们所知，所有上述结果似乎是应用于强大的MDP问题的基于策略的一阶方法的新事物。

We propose a new policy gradient method, named homotopic policy mirror descent (HPMD), for solving discounted, infinite horizon MDPs with finite state and action spaces. HPMD performs a mirror descent type policy update with an additional diminishing regularization term, and possesses several computational properties that seem to be new in the literature. We first establish the global linear convergence of HPMD instantiated with Kullback-Leibler divergence, for both the optimality gap, and a weighted distance to the set of optimal policies. Then local superlinear convergence is obtained for both quantities without any assumption. With local acceleration and diminishing regularization, we establish the first result among policy gradient methods on certifying and characterizing the limiting policy, by showing, with a non-asymptotic characterization, that the last-iterate policy converges to the unique optimal policy with the maximal entropy. We then extend all the aforementioned results to HPMD instantiated with a broad class of decomposable Bregman divergences, demonstrating the generality of the these computational properties. As a by product, we discover the finite-time exact convergence for some commonly used Bregman divergences, implying the continuing convergence of HPMD to the limiting policy even if the current policy is already optimal. Finally, we develop a stochastic version of HPMD and establish similar convergence properties. By exploiting the local acceleration, we show that for small optimality gap, a better than $\tilde{\mathcal{O}}(\left|\mathcal{S}\right| \left|\mathcal{A}\right| / \epsilon^2)$ sample complexity holds with high probability, when assuming a generative model for policy evaluation.

在本文中，我们提出了一种新的策略梯度（PG）方法，即用于解决一类正规化加固学习（RL）问题的块策略镜下降（BPMD）方法（强烈） - convex正规化器。与带有批处理更新规则的传统PG方法（访问和更新每个状态的策略）相比，BPMD方法通过部分更新规则具有廉价的每卷计算，该规则在采样状态上执行策略更新。尽管问题的性质和部分更新规则具有非概念性质，但我们还是为多种采样方案提供了统一的分析，并表明BPMD可以实现快速的线性收敛到全局最优性。特别是，均匀的采样导致可比的最坏情况总计算复杂性与批处理PG方法。还确定了一种与上policy采样的必要条件。通过混合采样方案，我们进一步表明，BPMD具有潜在的实例依赖性加速度，从而改善了对状态空间的依赖性，因此优于批次PG方法。然后，我们通过利用从样品构建的随机一阶信息扩展到随机设置。使用生成模型，$ \ tilde {\ mathcal {o}}（\ left \ lvert \ lerver \ mathcal {s} \ right \ rvert \ rvert \ left \ lest \ lerver \ lovt \ mathcal {a} \ right \ right \ rvert \ rvert \ rvert /\ epsilon） $ \ tilde {\ mathcal {o}}（\ left \ lvert \ m athcal {s} \ right \ rvert \ rvert \ left \ lest \ lvert \ lerver \ mathcal {a} \ right \ right \ rvert /\ epsilon^2）强率强度（分别为非巧克力符号）正规化器，其中$ \ epsilon $表示目标准确性。据我们所知，这是第一次开发和分析了块坐标下降方法，以进行强化学习的策略优化，这为解决大规模RL问题提供了新的观点。

我们研究了平均奖励马尔可夫决策过程（AMDP）的问题，并开发了具有强大理论保证的新型一阶方法，以进行政策评估和优化。由于缺乏勘探，现有的彻底评估方法遭受了次优融合率以及处理不足的随机策略（例如确定性政策）的失败。为了解决这些问题，我们开发了一种新颖的差异时间差异（VRTD）方法，具有随机策略的线性函数近似以及最佳收敛保证，以及一种探索性方差降低的时间差（EVRTD）方法，用于不充分的随机策略，可相当的融合保证。我们进一步建立了政策评估偏见的线性收敛速率，这对于改善策略优化的总体样本复杂性至关重要。另一方面，与对MDP的政策梯度方法的有限样本分析相比，对AMDP的策略梯度方法的现有研究主要集中在基础马尔可夫流程的限制性假设下（例如，参见Abbasi-e， Yadkori等人，2019年），他们通常缺乏整体样本复杂性的保证。为此，我们开发了随机策略镜下降（SPMD）的平均奖励变体（LAN，2022）。我们建立了第一个$ \ widetilde {\ Mathcal {o}}（\ epsilon^{ - 2}）$样品复杂性，用于在生成模型（带有UNICHAIN假设）和Markovian Noise模型（使用Ergodicicic Modele（具有核能的模型）下，使用策略梯度方法求解AMDP假设）。该界限可以进一步改进到$ \ widetilde {\ Mathcal {o}}}（\ epsilon^{ - 1}）$用于求解正则化AMDPS。我们的理论优势通过数值实验来证实。

策略梯度方法适用于复杂的，不理解的，通过对参数化的策略进行随机梯度下降来控制问题。不幸的是，即使对于可以通过标准动态编程技术解决的简单控制问题，策略梯度算法也会面临非凸优化问题，并且被广泛理解为仅收敛到固定点。这项工作确定了结构属性 - 通过几个经典控制问题共享 - 确保策略梯度目标函数尽管是非凸面，但没有次优的固定点。当这些条件得到加强时，该目标满足了产生收敛速率的Polyak-lojasiewicz（梯度优势）条件。当其中一些条件放松时，我们还可以在任何固定点的最佳差距上提供界限。

本文分析了双模的彼此优化随机算法框架。 Bilevel优化是一类表现出两级结构的问题，其目标是使具有变量的外目标函数最小化，该变量被限制为对（内部）优化问题的最佳解决方案。我们考虑内部问题的情况是不受约束的并且强烈凸起的情况，而外部问题受到约束并具有平滑的目标函数。我们提出了一种用于解决如此偏纤维问题的两次时间尺度随机近似（TTSA）算法。在算法中，使用较大步长的随机梯度更新用于内部问题，而具有较小步长的投影随机梯度更新用于外部问题。我们在各种设置下分析了TTSA算法的收敛速率：当外部问题强烈凸起（RESP。〜弱凸）时，TTSA算法查找$ \ MATHCAL {O}（k ^ { - 2/3}）$ -Optimal（resp。〜$ \ mathcal {o}（k ^ {-2/5}）$ - 静止）解决方案，其中$ k $是总迭代号。作为一个应用程序，我们表明，两个时间尺度的自然演员 - 批评批评近端策略优化算法可以被视为我们的TTSA框架的特殊情况。重要的是，与全球最优政策相比，自然演员批评算法显示以预期折扣奖励的差距，以$ \ mathcal {o}（k ^ { - 1/4}）的速率收敛。

我们研究了线性函数近似的政策评估问题，并且目前具有强烈的最优性保证的高效实用算法。我们首先通过证明在这个问题中建立基线的下限来建立基线和随机错误。特别是，我们在与转换内核的静止分布相关联的实例相关规范中证明了Oracle复杂性下限，并使用本地渐近最低限度机械在随机误差中证明依赖于随机误差的实例相关的下限IID观察模型。现有算法未能匹配这些下限中的至少一个：为了说明，我们分析了时间差异学习的方差减少变体，特别是它未能实现Oracle复杂性下限。为了解决这个问题，我们开发了加速，方差减少的快速时间差算法（VRFTD），其同时匹配两个下限，并达到实例 - 最优性的强烈概念。最后，我们将VRFTD算法扩展到Markovian观察的设置，并提供与I.I.D中的实例相关的收敛结果。设置到与链条的混合时间成比例的乘法因子。我们的理论保证最佳的最佳保证是通过数值实验证实的。

本文涉及离线增强学习（RL）中模型鲁棒性和样本效率的核心问题，该问题旨在学习从没有主动探索的情况下从历史数据中执行决策。由于环境的不确定性和变异性，至关重要的是，学习强大的策略（尽可能少的样本），即使部署的环境偏离用于收集历史记录数据集的名义环境时，该策略也能很好地执行。我们考虑了离线RL的分布稳健公式，重点是标签非平稳的有限摩托稳健的马尔可夫决策过程，其不确定性设置为Kullback-Leibler Divergence。为了与样本稀缺作用，提出了一种基于模型的算法，该算法将分布强劲的价值迭代与面对不确定性时的悲观原理结合在一起，通过对稳健的价值估计值进行惩罚，以精心设计的数据驱动的惩罚项进行惩罚。在对历史数据集的轻度和量身定制的假设下，该数据集测量分布变化而不需要完全覆盖州行动空间，我们建立了所提出算法的有限样本复杂性，进一步表明，鉴于几乎无法改善的情况，匹配信息理论下限至地平线长度的多项式因素。据我们所知，这提供了第一个在模型不确定性和部分覆盖范围内学习的近乎最佳的稳健离线RL算法。

Reinforcement learning (RL) problems over general state and action spaces are notoriously challenging. In contrast to the tableau setting, one can not enumerate all the states and then iteratively update the policies for each state. This prevents the application of many well-studied RL methods especially those with provable convergence guarantees. In this paper, we first present a substantial generalization of the recently developed policy mirror descent method to deal with general state and action spaces. We introduce new approaches to incorporate function approximation into this method, so that we do not need to use explicit policy parameterization at all. Moreover, we present a novel policy dual averaging method for which possibly simpler function approximation techniques can be applied. We establish linear convergence rate to global optimality or sublinear convergence to stationarity for these methods applied to solve different classes of RL problems under exact policy evaluation. We then define proper notions of the approximation errors for policy evaluation and investigate their impact on the convergence of these methods applied to general-state RL problems with either finite-action or continuous-action spaces. To the best of our knowledge, the development of these algorithmic frameworks as well as their convergence analysis appear to be new in the literature.

Robust Markov decision processes (RMDPs) are promising models that provide reliable policies under ambiguities in model parameters. As opposed to nominal Markov decision processes (MDPs), however, the state-of-the-art solution methods for RMDPs are limited to value-based methods, such as value iteration and policy iteration. This paper proposes Double-Loop Robust Policy Gradient (DRPG), the first generic policy gradient method for RMDPs with a global convergence guarantee in tabular problems. Unlike value-based methods, DRPG does not rely on dynamic programming techniques. In particular, the inner-loop robust policy evaluation problem is solved via projected gradient descent. Finally, our experimental results demonstrate the performance of our algorithm and verify our theoretical guarantees.

We study the problem of estimating the fixed point of a contractive operator defined on a separable Banach space. Focusing on a stochastic query model that provides noisy evaluations of the operator, we analyze a variance-reduced stochastic approximation scheme, and establish non-asymptotic bounds for both the operator defect and the estimation error, measured in an arbitrary semi-norm. In contrast to worst-case guarantees, our bounds are instance-dependent, and achieve the local asymptotic minimax risk non-asymptotically. For linear operators, contractivity can be relaxed to multi-step contractivity, so that the theory can be applied to problems like average reward policy evaluation problem in reinforcement learning. We illustrate the theory via applications to stochastic shortest path problems, two-player zero-sum Markov games, as well as policy evaluation and $Q$-learning for tabular Markov decision processes.

Mean-field games have been used as a theoretical tool to obtain an approximate Nash equilibrium for symmetric and anonymous $N$-player games in literature. However, limiting applicability, existing theoretical results assume variations of a "population generative model", which allows arbitrary modifications of the population distribution by the learning algorithm. Instead, we show that $N$ agents running policy mirror ascent converge to the Nash equilibrium of the regularized game within $\tilde{\mathcal{O}}(\varepsilon^{-2})$ samples from a single sample trajectory without a population generative model, up to a standard $\mathcal{O}(\frac{1}{\sqrt{N}})$ error due to the mean field. Taking a divergent approach from literature, instead of working with the best-response map we first show that a policy mirror ascent map can be used to construct a contractive operator having the Nash equilibrium as its fixed point. Next, we prove that conditional TD-learning in $N$-agent games can learn value functions within $\tilde{\mathcal{O}}(\varepsilon^{-2})$ time steps. These results allow proving sample complexity guarantees in the oracle-free setting by only relying on a sample path from the $N$ agent simulator. Furthermore, we demonstrate that our methodology allows for independent learning by $N$ agents with finite sample guarantees.

在这项工作中，我们研究了解决强化学习问题的基于政策的方法，其中采用了非政策性采样和线性函数近似进行政策评估，以及包括自然政策梯度（NPG）在内的各种政策更新规则，用于政策更新。为了在致命三合会的存在下解决政策评估子问题，我们提出了一个通用算法的多步型TD学习框架，具有广义的重要性抽样比率，其中包括两个特定的算法：$ \ lambda $ Q Q $ Q Q $ - 跟踪和双面$ Q $ - 跟踪。通用算法是单个时间尺度，具有可证明的有限样本保证，并克服了非政策学习中的高方差问题。至于策略更新，我们仅使用Bellman操作员的收缩属性和单调性属性提供通用分析，以在各种策略更新规则下建立几何融合。重要的是，通过将NPG视为实施政策迭代的近似方法，我们在不引入正则化的情况下建立了NPG的几何融合，并且不使用现有文献中的镜像下降类型的分析类型。将策略更新的几何融合与策略评估的有限样本分析相结合，我们首次建立了整​​体$ \ Mathcal {o}（\ Epsilon^{ - 2}）$样本复杂性以找到最佳策略（最多达到函数近似误差）使用基于策略的方法和线性函数近似下的基于策略的方法。

政策优化，通过大规模优化技术最大化价值函数来学习兴趣的政策，位于现代强化学习（RL）的核心。除了价值最大化之外，其他实际考虑因素也出现，包括令人鼓舞的探索，以及确保由于安全，资源和运营限制而确保学习政策的某些结构性。这些考虑通常可以通过诉诸正规化的RL来占据，这增加了目标值函数，并通过结构促进正则化术语。专注于无限范围打折马尔可夫决策过程，本文提出了一种用于解决正规化的RL的广义策略镜血压（GPMD）算法。作为策略镜血压LAN的概括（2021），所提出的算法可以容纳一般类凸常规的常规阶级，以及在使用中的规则器的认识到的广泛的Bregman分歧。我们展示了我们的算法在整个学习速率范围内，以无维的方式在全球解决方案的整个学习速率范围内融合到全球解决方案，即使常规器缺乏强大的凸起和平滑度。此外，在不精确的策略评估和不完美的政策更新方面，该线性收敛特征是可透明的。提供数值实验以证实GPMD的适用性和吸引力性能。

我们研究马尔可夫决策过程（MDP）框架中的离线数据驱动的顺序决策问题。为了提高学习政策的概括性和适应性，我们建议通过一套关于在政策诱导的固定分配所在的分发的一套平均奖励来评估每项政策。给定由某些行为策略生成的多个轨迹的预收集数据集，我们的目标是在预先指定的策略类中学习一个强大的策略，可以最大化此集的最小值。利用半参数统计的理论，我们开发了一种统计上有效的策略学习方法，用于估算DE NED强大的最佳政策。在数据集中的总决策点方面建立了达到对数因子的速率最佳遗憾。

Q学习长期以来一直是最受欢迎的强化学习算法之一，几十年来，Q学习的理论分析一直是一个活跃的研究主题。尽管对Q-学习的渐近收敛分析的研究具有悠久的传统，但非肿瘤收敛性直到最近才受到积极研究。本文的主要目的是通过控制系统的观点研究马尔可夫观察模型下异步Q学习的新有限时间分析。特别是，我们引入了Q学习的离散时间变化的开关系统模型，并减少了分析的步骤尺寸，这显着改善了使用恒定步骤尺寸的开关系统分析的最新开发，并导致\（\（\）（\） Mathcal {o} \ left（\ sqrt {\ frac {\ log k} {k}}} \ right）\）\）\）\）\）\）\）\）与大多数艺术状态相当或更好。同时，新应用了使用类似转换的技术，以避免通过减小的步骤尺寸提出的分析中的难度。提出的分析带来了其他见解，涵盖了不同的方案，并提供了新的简化模板，以通过其独特的连接与离散时间切换系统的独特联系来加深我们对Q学习的理解。

作为安全加强学习的重要框架，在最近的文献中已经广泛研究了受约束的马尔可夫决策过程（CMDP）。然而，尽管在各种式学习设置下取得了丰富的结果，但就算法设计和信息理论样本复杂性下限而言，仍然缺乏对离线CMDP问题的基本理解。在本文中，我们专注于仅在脱机数据可用的情况下解决CMDP问题。通过采用单极浓缩系数$ c^*$的概念，我们建立了一个$ \ omega \ left（\ frac {\ min \ left \ left \ weft \ {| \ mathcal {s} || \ mathcal {a} a} |，， | \ Mathcal {s} |+i \ right \} c^*} {（1- \ gamma）^3 \ epsilon^2} \ right）$ sample Complacy度在离线cmdp问题上，其中$ i $架对于约束数量。通过引入一种简单但新颖的偏差控制机制，我们提出了一种称为DPDL的近乎最佳的原始二重学习算法。该算法证明，除了$ \ tilde {\ Mathcal {o}}}}（（（1- \ gamma）^{ - 1}）$外，该算法可确保零约束违规及其样本复杂性匹配上下界。还包括有关如何处理未知常数$ c^*$以及离线数据集中潜在的异步结构的全面讨论。

鲁棒马尔可夫决策过程（RMDP）框架侧重于设计对参数不确定因素而稳健的控制策略，这是由于模拟器模型和真实世界的不匹配。 RMDP问题通常被制定为MAX-MIN问题，其中目标是找到最大化最坏可能模型的值函数的策略，该策略在于围绕标称模型设置的不确定性。标准强大的动态编程方法需要了解标称模型来计算最佳的强大策略。在这项工作中，我们提出了一种基于模型的强化学习（RL）算法，用于学习$ \ epsilon $ - 当标称模型未知时的高新策略。我们考虑了三种不同形式的不确定集，其特征在于总变化距离，Chi-Square发散和kL发散。对于这些不确定性集中的每一个，我们提供了所提出算法的样本复杂性的精确表征。除了样本复杂性结果之外，我们还提供了一个正式的分析论证，就使用强大的政策的益处。最后，我们展示了我们对两个基准问题的算法的性能。

我们研究了随机近似程序，以便基于观察来自ergodic Markov链的长度$ n $的轨迹来求近求解$ d -dimension的线性固定点方程。我们首先表现出$ t _ {\ mathrm {mix}} \ tfrac {n}} \ tfrac {n}} \ tfrac {d}} \ tfrac {d} {n} $的非渐近性界限。$ t _ {\ mathrm {mix $是混合时间。然后，我们证明了一种在适当平均迭代序列上的非渐近实例依赖性，具有匹配局部渐近最小的限制的领先术语，包括对参数$的敏锐依赖（d，t _ {\ mathrm {mix}}） $以高阶术语。我们将这些上限与非渐近Minimax的下限补充，该下限是建立平均SA估计器的实例 - 最优性。我们通过Markov噪声的政策评估导出了这些结果的推导 - 覆盖了所有$ \ lambda \中的TD（$ \ lambda $）算法，以便[0,1）$ - 和线性自回归模型。我们的实例依赖性表征为HyperParameter调整的细粒度模型选择程序的设计开放了门（例如，在运行TD（$ \ Lambda $）算法时选择$ \ lambda $的值）。

In robust Markov decision processes (MDPs), the uncertainty in the transition kernel is addressed by finding a policy that optimizes the worst-case performance over an uncertainty set of MDPs. While much of the literature has focused on discounted MDPs, robust average-reward MDPs remain largely unexplored. In this paper, we focus on robust average-reward MDPs, where the goal is to find a policy that optimizes the worst-case average reward over an uncertainty set. We first take an approach that approximates average-reward MDPs using discounted MDPs. We prove that the robust discounted value function converges to the robust average-reward as the discount factor $\gamma$ goes to $1$, and moreover, when $\gamma$ is large, any optimal policy of the robust discounted MDP is also an optimal policy of the robust average-reward. We further design a robust dynamic programming approach, and theoretically characterize its convergence to the optimum. Then, we investigate robust average-reward MDPs directly without using discounted MDPs as an intermediate step. We derive the robust Bellman equation for robust average-reward MDPs, prove that the optimal policy can be derived from its solution, and further design a robust relative value iteration algorithm that provably finds its solution, or equivalently, the optimal robust policy.