We study the convergence of several natural policy gradient (NPG) methods in infinite-horizon discounted Markov decision processes with regular policy parametrizations. For a variety of NPGs and reward functions we show that the trajectories in state-action space are solutions of gradient flows with respect to Hessian geometries, based on which we obtain global convergence guarantees and convergence rates. In particular, we show linear convergence for unregularized and regularized NPG flows with the metrics proposed by Kakade and Morimura and co-authors by observing that these arise from the Hessian geometries of conditional entropy and entropy respectively. Further, we obtain sublinear convergence rates for Hessian geometries arising from other convex functions like log-barriers. Finally, we interpret the discrete-time NPG methods with regularized rewards as inexact Newton methods if the NPG is defined with respect to the Hessian geometry of the regularizer. This yields local quadratic convergence rates of these methods for step size equal to the penalization strength.

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。

我们重新审视了最简单的设置之一中的政策梯度方法的有限时间分析：有限状态和动作MDP，具有由所有随机策略组成的策略类和精确的渐变评估。有一些最近的工作将此设置视为平滑的非线性优化问题的实例，并显示具有小阶梯大小的子线性收敛速率。在这里，我们根据与政策迭代的连接采取不同的透视，并显示政策梯度方法的许多变体成功，阶梯大小大，并达到了线性收敛速率。

我们研究具有多个奖励价值函数的马尔可夫决策过程（MDP）的政策优化，应根据给定的标准共同优化，例如比例公平（平滑凹面标量），硬约束（约束MDP）和Max-Min Trade-离开。我们提出了一个改变锚定的正规自然政策梯度（ARNPG）框架，该框架可以系统地将良好表现的一阶方法中的思想纳入多目标MDP问题的策略优化算法的设计。从理论上讲，基于ARNPG框架的设计算法实现了$ \ tilde {o}（1/t）$全局收敛，并具有精确的梯度。从经验上讲，与某些现有的基于策略梯度的方法相比，ARNPG引导的算法在精确梯度和基于样本的场景中也表现出卓越的性能。

政策梯度（PG）算法是备受期待的强化学习对现实世界控制任务（例如机器人技术）的最佳候选人之一。但是，每当必须在物理系统上执行学习过程本身或涉及任何形式的人类计算机相互作用时，这些方法的反复试验性质就会提出安全问题。在本文中，我们解决了一种特定的安全公式，其中目标和危险都以标量奖励信号进行编码，并且学习代理被限制为从不恶化其性能，以衡量为预期的奖励总和。通过从随机优化的角度研究仅行为者的政策梯度，我们为广泛的参数政策建立了改进保证，从而将现有结果推广到高斯政策上。这与策略梯度估计器的差异的新型上限一起，使我们能够识别出具有很高概率的单调改进的元参数计划。两个关键的元参数是参数更新的步长和梯度估计的批处理大小。通过对这些元参数的联合自适应选择，我们获得了具有单调改进保证的政策梯度算法。

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。

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。

Reinforcement learning is a framework for interactive decision-making with incentives sequentially revealed across time without a system dynamics model. Due to its scaling to continuous spaces, we focus on policy search where one iteratively improves a parameterized policy with stochastic policy gradient (PG) updates. In tabular Markov Decision Problems (MDPs), under persistent exploration and suitable parameterization, global optimality may be obtained. By contrast, in continuous space, the non-convexity poses a pathological challenge as evidenced by existing convergence results being mostly limited to stationarity or arbitrary local extrema. To close this gap, we step towards persistent exploration in continuous space through policy parameterizations defined by distributions of heavier tails defined by tail-index parameter alpha, which increases the likelihood of jumping in state space. Doing so invalidates smoothness conditions of the score function common to PG. Thus, we establish how the convergence rate to stationarity depends on the policy's tail index alpha, a Holder continuity parameter, integrability conditions, and an exploration tolerance parameter introduced here for the first time. Further, we characterize the dependence of the set of local maxima on the tail index through an exit and transition time analysis of a suitably defined Markov chain, identifying that policies associated with Levy Processes of a heavier tail converge to wider peaks. This phenomenon yields improved stability to perturbations in supervised learning, which we corroborate also manifests in improved performance of policy search, especially when myopic and farsighted incentives are misaligned.

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。

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。

量子哈密顿学习和量子吉布斯采样的双重任务与物理和化学中的许多重要问题有关。在低温方案中，这些任务的算法通常会遭受施状能力，例如因样本或时间复杂性差而遭受。为了解决此类韧性，我们将量子自然梯度下降的概括引入了参数化的混合状态，并提供了稳健的一阶近似算法，即量子 - 固定镜下降。我们使用信息几何学和量子计量学的工具证明了双重任务的数据样本效率，因此首次将经典Fisher效率的开创性结果推广到变异量子算法。我们的方法扩展了以前样品有效的技术，以允许模型选择的灵活性，包括基于量子汉密尔顿的量子模型，包括基于量子的模型，这些模型可能会规避棘手的时间复杂性。我们的一阶算法是使用经典镜下降二元性的新型量子概括得出的。两种结果都需要特殊的度量选择，即Bogoliubov-Kubo-Mori度量。为了从数值上测试我们提出的算法，我们将它们的性能与现有基准进行了关于横向场ISING模型的量子Gibbs采样任务的现有基准。最后，我们提出了一种初始化策略，利用几何局部性来建模状态的序列（例如量子 - 故事过程）的序列。我们从经验上证明了它在实际和想象的时间演化的经验上，同时定义了更广泛的潜在应用。

强化学习被广泛用于在与环境互动时需要执行顺序决策的应用中。当决策要求包括满足一些安全限制时，问题就变得更加具有挑战性。该问题在数学上是作为约束的马尔可夫决策过程（CMDP）提出的。在文献中，可以通过无模型的方式解决各种算法来解决CMDP问题，以实现$ \ epsilon $ - 最佳的累积奖励，并使用$ \ epsilon $可行的政策。 $ \ epsilon $可行的政策意味着它遭受了违规的限制。这里的一个重要问题是，我们是否可以实现$ \ epsilon $ - 最佳的累积奖励，并违反零约束。为此，我们主张使用随机原始偶对偶方法来解决CMDP问题，并提出保守的随机原始二重算法（CSPDA），该算法（CSPDA）显示出$ \ tilde {\ tilde {\ Mathcal {o}} \ left（1 /\ epsilon^2 \ right）$样本复杂性，以实现$ \ epsilon $ - 最佳累积奖励，违反零约束。在先前的工作中，$ \ epsilon $ - 最佳策略的最佳可用样本复杂性是零约束的策略是$ \ tilde {\ Mathcal {o}}} \ left（1/\ epsilon^5 \ right）$。因此，与最新技术相比，拟议的算法提供了重大改进。

我们改进了用于分析非凸优化随机梯度下降（SGD）的最新工具，以获得香草政策梯度（PG） - 加强和GPOMDP的收敛保证和样本复杂性。我们唯一的假设是预期回报是平滑的w.r.t.策略参数以及其渐变的第二个时刻满足某种\ EMPH {ABC假设}。 ABC的假设允许梯度的第二时刻绑定为\ geq 0 $次的子项优差距，$ b \ geq 0 $乘以完整批量梯度的标准和添加剂常数$ c \ geq 0 $或上述任何组合。我们表明ABC的假设比策略空间上的常用假设更为一般，以证明收敛到静止点。我们在ABC的假设下提供单个融合定理，并表明，尽管ABC假设的一般性，我们恢复了$ \ widetilde {\ mathcal {o}}（\ epsilon ^ {-4}）$样本复杂性pg 。我们的融合定理还可在选择超参数等方面提供更大的灵活性，例如步长和批量尺寸的限制$ M $。即使是单个轨迹案例（即，$ M = 1 $）适合我们的分析。我们认为，ABC假设的一般性可以为PG提供理论担保，以至于以前未考虑的更广泛的问题。

We study a multi-agent reinforcement learning (MARL) problem where the agents interact over a given network. The goal of the agents is to cooperatively maximize the average of their entropy-regularized long-term rewards. To overcome the curse of dimensionality and to reduce communication, we propose a Localized Policy Iteration (LPI) algorithm that provably learns a near-globally-optimal policy using only local information. In particular, we show that, despite restricting each agent's attention to only its $\kappa$-hop neighborhood, the agents are able to learn a policy with an optimality gap that decays polynomially in $\kappa$. In addition, we show the finite-sample convergence of LPI to the global optimal policy, which explicitly captures the trade-off between optimality and computational complexity in choosing $\kappa$. Numerical simulations demonstrate the effectiveness of LPI.

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.

我们研究了无限 - 马，连续状态和行动空间的政策梯度的全球融合以及熵登记的马尔可夫决策过程（MDPS）。我们考虑了在平均场状态下具有（单隐层）神经网络近似（一层）神经网络近似的策略。添加了相关的平均场概率度量中的其他熵正则化，并在2-Wasserstein度量中研究了相应的梯度流。我们表明，目标函数正在沿梯度流量增加。此外，我们证明，如果按平均场测量的正则化足够，则梯度流将成倍收敛到唯一的固定溶液，这是正则化MDP物镜的独特最大化器。最后，我们研究了相对于正则参数和初始条件，沿梯度流的值函数的灵敏度。我们的结果依赖于对非线性Fokker-Planck-Kolmogorov方程的仔细分析，并扩展了Mei等人的开拓性工作。 2020和Agarwal等。 2020年，量化表格环境中熵调控MDP的策略梯度的全局收敛速率。

我们研究无限制的黎曼优化的免投影方法。特别是，我们提出了黎曼弗兰克 - 沃尔夫（RFW）方法。我们将RFW的非渐近收敛率分析为最佳（高音）凸起问题，以及非凸起目标的临界点。我们还提出了一种实用的设置，其中RFW可以获得线性收敛速度。作为一个具体的例子，我们将RFW专用于正定矩阵的歧管，并将其应用于两个任务：（i）计算矩阵几何平均值（riemannian质心）; （ii）计算Bures-Wasserstein重心。这两个任务都涉及大量凸间间隔约束，为此，我们表明RFW要求的Riemannian“线性”Oracle承认了闭合形式的解决方案;该结果可能是独立的兴趣。我们进一步专门从事RFW到特殊正交组，并表明这里也可以以封闭形式解决riemannian“线性”甲骨文。在这里，我们描述了数据矩阵同步的应用程序（促使问题）。我们补充了我们的理论结果，并对RFW对最先进的riemananian优化方法进行了实证比较，并观察到RFW竞争性地对计算黎曼心质的任务进行竞争性。

我们考虑一个不当的强化学习设置，在该设置中，为学习者提供了$ M $的基本控制器，以进行未知的马尔可夫决策过程，并希望最佳地结合它们，以生产一个可能胜过每个基本基础的控制器。这对于在不匹配或模拟环境中学习的跨控制器进行调整可能很有用，可以为给定的目标环境获得良好的控制器，而试验相对较少。在此方面，我们提出了两种算法：（1）一种基于政策梯度的方法； （2）可以根据可用信息在基于简单的参与者（AC）方案和天然参与者（NAC）方案之间切换的算法。两种算法都在给定控制器的一类不当混合物上运行。对于第一种情况，我们得出融合率保证，假设访问梯度甲骨文。对于基于AC的方法，我们提供了基本AC案例中的固定点的收敛速率保证，并在NAC情况下为全球最优值提供了保证。 （i）稳定卡特柱的标准控制理论基准的数值结果； （ii）一个受约束的排队任务表明，即使可以使用的基本策略不稳定，我们的不当政策优化算法也可以稳定系统。

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。