一些研究人员推测智能强化学习（RL）代理商将被激励寻求资源和追求目标的权力。其他研究人员指出，RL代理商不需要具有人类的寻求技能本能。为了澄清这一讨论，我们开展了最优政策统计趋势的第一个正式理论。在马尔可夫决策过程的背景下，我们证明某些环境对称是足以实现对环境寻求权力的最佳政策。这些对称存在于许多环境中，其中代理可以关闭或销毁。我们证明，在这些环境中，大多数奖励功能使其通过保持一系列可用的选项来寻求电力，并在最大限度地提高平均奖励时，通过导航到更大的潜在终端状态。

如果通常激励有能力的AI代理来寻求为我们指定的目标服务的权力，那么除了巨大的利益外，这些系统还将带来巨大的风险。在完全可观察到的环境中，大多数奖励功能都具有最佳的政策，该政策通过保持期权开放并保持活力来寻求权力。但是，现实世界既不是完全可观察到的，也不是代理人绝对最佳的。我们考虑了一系列的AI决策模型，从最佳，随机到通过学习和与环境互动所告知的选择。我们发现许多决策功能都是可以重新定位的，并且可重新定位的性足以引起寻求权力的趋势。我们的功能标准简单而广泛。我们表明，一系列定性决策程序激励代理寻求权力。我们通过在蒙特祖玛的报仇中推理了学到的政策激励措施来证明结果的灵活性。这些结果表明安全风险：最终，高度可重新定位的培训程序可能会训练寻求对人类权力的现实世界代理商。

AI目标通常很难正确指定。有些方法通过规范AI的副作用来解决此问题：代理必须用不完美的代理目标来权衡“他们造成了多少混乱”。我们通过援助游戏框架提出了一个正式的副作用正规化标准。在这些游戏中，代理解决了一个可观察到的马尔可夫决策过程（POMDP），代表了其对其应优化目标函数的不确定性。我们考虑在以后的时间步骤向代理揭示真正目标的设置。我们证明，通过将代理人奖励与代理商实现一系列未来任务的能力进行交易，可以解决此POMDP。我们通过在两个环境环境中的地面真相评估来证明问题形式化的合理性。

我们提供了奖励黑客的第一个正式定义，即优化不完美的代理奖励功能的现象，$ \ Mathcal {\ tilde {r}} $，根据真实的奖励功能，$ \ MATHCAL {R} $导致性能差。 。我们说，如果增加预期的代理回报率永远无法减少预期的真实回报，则代理是不可接受的。直觉上，可以通过从奖励功能（使其“较窄”）中留出一些术语或忽略大致等效的结果之间的细粒度区分来创建一个不可接受的代理，但是我们表明情况通常不是这样。一个关键的见解是，奖励的线性性（在州行动访问计数中）使得无法实现的状况非常强烈。特别是，对于所有随机策略的集合，只有在其中一个是恒定的，只有两个奖励函数才能是不可接受的。因此，我们将注意力转移到确定性的政策和有限的随机政策集中，在这些策略中，始终存在非平凡的不可动摇的对，并为简化的存在建立必要和充分的条件，这是一个重要的不被限制的特殊情况。我们的结果揭示了使用奖励函数指定狭窄任务和对齐人类价值的AI系统之间的紧张关系。

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。

我们在Isabelle定理箴言中展示了有限马尔可夫决定流程的正式化。我们专注于动态编程和使用加固学习代理所需的基础。特别是，我们从第一个原则（在标量和向量形式中）导出Bellman方程，导出产生任何策略P的预期值的向量计算，并继续证明存在一个普遍的最佳政策的存在折扣因子不到一个。最后，我们证明了价值迭代和策略迭代算法在有限的时间内工作，分别产生ePsilon - 最佳和完全最佳的政策。

在强化学习中，就其诱导的最佳政策而言，不同的奖励功能可以等效。一个特别众所周知的重要例子是潜在的塑造，可以将一类函数添加到任何奖励功能中，而无需更改任意过渡动态下设置的最佳策略。潜在的塑形在概念上类似于数学和物理学中的潜在，保守的矢量场和规范变换，但是以前尚未正式探索这种联系。我们在图表上开发了一种形式主义，用于抽象马尔可夫决策过程的图表，并显示如何将潜在塑造正式解释为本框架中的梯度。这使我们能够加强Ng等人的结果。 （1999）描述了潜在塑造是始终保留最佳政策的唯一添加奖励转换的条件。作为我们形式主义的附加应用，我们定义了从每个潜在塑造等效类中挑选单个唯一奖励功能的规则。

我们研究奖励设计策略，用于激励加强学习代理，从一系列可接受的政策中采用政策。奖励设计师的目标是经济高效地修改底层奖励功能，同时确保在新奖励功能下的任何大约最佳的确定性政策是可允许的，并且在原始奖励功能下执行良好。这个问题可以被视为最佳奖励中毒攻击问题的双重问题：而不是强制代理商采用特定的政策，而奖励设计师则激励一个代理人以避免采取某些州不可受理的行动。也许令人惊讶的是，与最佳奖励中毒攻击的问题相比，我们首先表明可允许的政策教学的奖励设计问题是在计算上具有挑战性的，并且难以找到近似最佳的奖励修改。然后，我们通过制定最佳解决方案的代理问题，其最佳解决方案近似于我们的环境中奖励设计问题的最佳解决方案，但更适用于优化技术和分析。对于此替代问题，我们呈现了在最佳解决方案的值上提供限制的表征结果。最后，我们设计了一个本地搜索算法来解决代理问题，并使用基于模拟的实验展示其实用程序。

奖励成型（RS）是克服稀疏或不信息奖励问题的强大方法（RL）。但是，RS通常依赖于手动设计的成型奖励功能，其构造耗时且容易出错。它还需要与自主学习目标相反的领域知识。我们介绍了增强学习优化塑造算法（ROSA）的增强型，这是一个自动化的RS框架，其中塑造奖励函数是在两个代理之间的新型马尔可夫游戏中构建的。奖励塑料代理（Shaper）使用切换控件来确定在其他代理（控制器）使用这些形状奖励的任务中学习任务的最佳策略，以确定要添加形状奖励及其最佳值的状态。我们证明，Rosa很容易采用现有的RL算法，学会了构建针对任务的塑造奖励功能，从而确保有效地收敛到高性能策略。我们在三个经过精心设计的实验中展示了罗莎（Rosa）在挑战稀疏奖励环境中对最先进的RS算法的优越性能。

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.

我们研究了设计AI代理商的问题，该代理可以学习有效地与潜在的次优伴侣有效合作，同时无法访问联合奖励功能。这个问题被建模为合作焦论双代理马尔可夫决策过程。我们假设仅在游戏的Stackelberg制定中的两个代理中的第一个控制，其中第二代理正在作用，以便在鉴于第一代理的政策给出预期的效用。第一个代理人应该如何尽快学习联合奖励功能，因此联合政策尽可能接近最佳？在本文中，我们分析了如何在这一交互式的两个代理方案中获得对奖励函数的知识。我们展示当学习代理的策略对转换函数有显着影响时，可以有效地学习奖励功能。

逆钢筋学习尝试在马尔可夫决策问题中重建奖励功能，使用代理操作的观察。正如Russell [1998]在Russell [1998]的那样，问题均为不良，即使在存在有关最佳行为的完美信息的情况下，奖励功能也无法识别。我们为熵正则化的问题提供了解决这种不可识别性的分辨率。对于给定的环境，我们完全表征了导致给定政策的奖励函数，并证明，在两个不同的折扣因子下或在足够的不同环境下给出了相同奖励的行动的示范，可以恢复不可观察的奖励。我们还向有限视野进行时间均匀奖励的一般性和充分条件，以及行动无关的奖励，概括Kim等人的最新结果。[2021]和Fu等人。[2018]。

安全限制和最优性很重要，但有时控制器有时相互冲突的标准。虽然这些标准通常与不同的工具单独解决以维持正式保障，但在惩罚失败时，加强学习的常见做法是惩罚，以惩罚为单纯的启发式。我们严格地检查了安全性和最优性与惩罚的关系，并对安全价值函数进行了足够的条件：对给定任务的最佳价值函数，并强制执行安全约束。我们通过强大的二元性证明，揭示这种关系的结构，表明始终存在一个有限的惩罚，引起安全值功能。这种惩罚并不是独特的，但大不束缚：更大的惩罚不会伤害最优性。虽然通常无法计算最低所需的惩罚，但我们揭示了清晰的惩罚，奖励，折扣因素和动态互动的结构。这种洞察力建议实用，理论引导的启发式设计奖励功能，用于控制安全性很重要的控制问题。

我们研究了随机游戏（SGS）的梯度播放算法的性能，其中每个代理商试图通过基于代理之间共享的当前状态信息来独立做出决策来最大限度地提高自己的总折扣奖励。通过在给定状态下选择某个动作的概率来直接参数化策略。我们展示了纳什均衡（NES）和一阶固定政策在此设置中等同，并在严格的NES周围给出局部收敛速度。此外，对于称为马尔可夫潜在游戏的SGS的子类（包括具有重要特殊情况的代理中具有相同奖励的协作设置），我们设计了一种基于样本的增强学习算法，并为两者提供非渐近全局收敛速度分析精确的梯度游戏和我们基于样本的学习算法。我们的结果表明，迭代的数量达到$ \ epsilon $ -Ne线性缩放，而不是指数级，而代理人数。还考虑了局部几何和局部稳定性，在那里我们证明严格的NE是总潜在功能的局部最大值，完全混合的NE是鞍点。

奖励是加强学习代理的动力。本文致力于了解奖励的表现，作为捕获我们希望代理人执行的任务的一种方式。我们在这项研究中涉及三个新的抽象概念“任务”，可能是可取的：（1）一组可接受的行为，（2）部分排序，或者（3）通过轨迹的部分排序。我们的主要结果证明，虽然奖励可以表达许多这些任务，但每个任务类型的实例都没有Markov奖励函数可以捕获。然后，我们提供一组多项式时间算法，其构造Markov奖励函数，允许代理优化这三种类型中的每种类型的任务，并正确确定何时不存在这种奖励功能。我们得出结论，具有证实和说明我们的理论发现的实证研究。

本文讨论了一种学习最佳Q功能的基本问题的新方法。在这种方法中，最佳Q函数被配制为源自经典Bellman最优方程的非线性拉格朗日函数的鞍点。该论文表明，尽管非线性具有非线性，但拉格朗日人仍然具有很强的双重性，这为Q-function学习的一般方法铺平了道路。作为演示，本文根据二元性理论开发了模仿学习算法，并将算法应用于最先进的机器翻译基准。然后，该论文转弯以证明有关拉格朗日鞍点的最佳性的对称性破坏现象，这证明了开发拉格朗日方法的很大程度上被忽视的方向。

We show two average-reward off-policy control algorithms, Differential Q-learning (Wan, Naik, & Sutton 2021a) and RVI Q-learning (Abounadi Bertsekas & Borkar 2001), converge in weakly communicating MDPs. Weakly communicating MDPs are the most general MDPs that can be solved by a learning algorithm with a single stream of experience. The original convergence proofs of the two algorithms require that the solution set of the average-reward optimality equation only has one degree of freedom, which is not necessarily true for weakly communicating MDPs. To the best of our knowledge, our results are the first showing average-reward off-policy control algorithms converge in weakly communicating MDPs. As a direct extension, we show that average-reward options algorithms for temporal abstraction introduced by Wan, Naik, & Sutton (2021b) converge if the Semi-MDP induced by options is weakly communicating.

部分可观察到的马尔可夫决策过程（POMDPS）是加强学习的自然和一般模型，以考虑到代理人对其当前国家的不确定性。在POMDPS的文献中，习惯性地假设在已知参数时计算最佳策略的规划Oracle，即使已知问题是计算的。几乎所有现有的规划算法都在指数时间内运行，缺乏可证明的性能保证，或者需要在每个可能的政策下对转换动态进行强烈的假设。在这项工作中，我们重新审视了规划问题并问：是否有自然和积极的假设，使计划变得容易？我们的主要结果是用于规划（一步）可观察POMDPS的QuasioInomial-time算法。具体而言，我们假设各国的分离良好的分布导致分开的观察分布，因此观察结果在每一步中至少有一些信息。至关重要的是，这个假设没有对POMDP的过渡动态的限制;尽管如此，它意味着近乎最佳的政策承认准简洁的描述，这通常不是真实的（在标准的硬度假设下）。我们的分析基于滤波器稳定性的新定量界限 - 即潜在状态的最佳滤波器的速率忘记其初始化。此外，在指数时间假设下，我们证明了在可观察POMDPS中规划的匹配硬度。

This paper investigates conditions under which modi cations to the reward function of a Markov decision process preserve the optimal policy. It is shown that, besides the positive linear transformation familiar from utility theory, one can add a reward for transitions between states that is expressible as the di erence in value of an arbitrary potential function applied to those states. Furthermore, this is shown to be a necessary condition for invariance, in the sense that any other transformation may yield suboptimal policies unless further assumptions are made about the underlying MDP. These results shed light on the practice of reward shaping, a method used in reinforcement learning whereby additional training rewards are used to guide the learning agent. In particular, some well-known \bugs" in reward shaping procedures are shown to arise from non-potential-based rewards, and methods are given for constructing shaping potentials corresponding to distance-based and subgoalbased heuristics. We show that such potentials can lead to substantial reductions in learning time.

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。