In offline reinforcement learning (RL), a learner leverages prior logged data to learn a good policy without interacting with the environment. A major challenge in applying such methods in practice is the lack of both theoretically principled and practical tools for model selection and evaluation. To address this, we study the problem of model selection in offline RL with value function approximation. The learner is given a nested sequence of model classes to minimize squared Bellman error and must select among these to achieve a balance between approximation and estimation error of the classes. We propose the first model selection algorithm for offline RL that achieves minimax rate-optimal oracle inequalities up to logarithmic factors. The algorithm, ModBE, takes as input a collection of candidate model classes and a generic base offline RL algorithm. By successively eliminating model classes using a novel one-sided generalization test, ModBE returns a policy with regret scaling with the complexity of the minimally complete model class. In addition to its theoretical guarantees, it is conceptually simple and computationally efficient, amounting to solving a series of square loss regression problems and then comparing relative square loss between classes. We conclude with several numerical simulations showing it is capable of reliably selecting a good model class.

我们研究了批量策略优化中模型选择的问题：给定固定的部分反馈数据集和$ M $ Model类，学习具有与最佳模型类的策略具有竞争力的性能的策略。通过识别任何模型选择算法应最佳地折衷的错误，以线性模型类在与线性模型类中的内容匪徒设置中的问题正式化。（1）近似误差，（2）统计复杂性，（3 ）覆盖范围。前两个来源是在监督学习的模型选择中常见的，在最佳的交易中，这些属性得到了很好的研究。相比之下，第三个源是批量策略优化的唯一，并且是由于设置所固有的数据集移位。首先表明，没有批处理策略优化算法可以同时实现所有三个的保证，展示批量策略优化的困难之间的显着对比，以及监督学习中的积极结果。尽管存在这种负面结果，但我们表明，在三个错误源中的任何一个都可以实现实现剩下的两个近乎oracle不平等的算法。我们通过实验结论，证明了这些算法的功效。

We study time-inhomogeneous episodic reinforcement learning (RL) under general function approximation and sparse rewards. We design a new algorithm, Variance-weighted Optimistic $Q$-Learning (VO$Q$L), based on $Q$-learning and bound its regret assuming completeness and bounded Eluder dimension for the regression function class. As a special case, VO$Q$L achieves $\tilde{O}(d\sqrt{HT}+d^6H^{5})$ regret over $T$ episodes for a horizon $H$ MDP under ($d$-dimensional) linear function approximation, which is asymptotically optimal. Our algorithm incorporates weighted regression-based upper and lower bounds on the optimal value function to obtain this improved regret. The algorithm is computationally efficient given a regression oracle over the function class, making this the first computationally tractable and statistically optimal approach for linear MDPs.

我们考虑在离线增强学习中有一个具有挑战性的理论问题（RL）：仅在功能近似器的可靠性型假设下，通过缺乏足够覆盖的数据集获得样本效率保证。尽管现有的理论已经在可实现性和非探索数据下分别解决了学习，但没有工作能够同时解决这两者（除了我们对详细比较的并发工作除外）。在额外的差距假设下，我们根据边缘化重要性采样（MIS）形成的版本空间（MIS）为简单的悲观算法提供保证，并且保证只需要数据来涵盖最佳策略和功能类，以实现最佳价值和最佳价值和密度比函数。尽管在RL理论的其他领域中使用了类似的差距假设，但我们的工作是第一个识别离线RL中差距假设的实用性和新型机制，其功能近似较弱。

低级MDP已成为研究强化学习中的表示和探索的重要模型。有了已知的代表，存在几种无模型的探索策略。相反，未知表示设置的所有算法都是基于模型的，因此需要对完整动力学进行建模。在这项工作中，我们介绍了低级MDP的第一个无模型表示学习算法。关键的算法贡献是一个新的Minimax表示学习目标，我们为其提供具有不同权衡的变体，其统计和计算属性不同。我们将这一表示的学习步骤与探索策略交织在一起，以无奖励的方式覆盖状态空间。所得算法可证明样品有效，并且可以适应一般函数近似以扩展到复杂的环境。

This paper studies systematic exploration for reinforcement learning with rich observations and function approximation. We introduce a new model called contextual decision processes, that unifies and generalizes most prior settings. Our first contribution is a complexity measure, the Bellman rank , that we show enables tractable learning of near-optimal behavior in these processes and is naturally small for many well-studied reinforcement learning settings. Our second contribution is a new reinforcement learning algorithm that engages in systematic exploration to learn contextual decision processes with low Bellman rank. Our algorithm provably learns near-optimal behavior with a number of samples that is polynomial in all relevant parameters but independent of the number of unique observations. The approach uses Bellman error minimization with optimistic exploration and provides new insights into efficient exploration for reinforcement learning with function approximation.

我们在一般的非线性函数近似下研究无奖励增强学习（RL），并在各种标准结构假设下建立样品效率和硬度结果。从积极的一面来看，我们提出了在最小的结构假设下进行样品有效奖励探索的Rfolive（无奖励橄榄）算法，该假设涵盖了先前研究的线性MDPS的设置（Jin等，2020b），线性完整性（线性完整性）（ Zanette等人，2020b）和低级MDP，具有未知的表示（Modi等，2021）。我们的分析表明，以前针对后两个设置的易学性或可及性假设在统计上对于无奖励探索而言并不是必需的。在负面方面，我们为在线性完整性假设下的无奖励和奖励意识探索提供统计硬度结果时，当基础特征未知时，显示了低级别和线性完整性设置之间的指数分离。

获取一阶遗憾界限 - 遗憾的界限不是作为最坏情况，但有一些衡量给定实例的最佳政策的性能 - 是连续决策的核心问题。虽然这种界限存在于许多设置中，但它们在具有大状态空间的钢筋学习中被证明是难以捉摸的。在这项工作中，我们解决了这个差距，并表明可以将遗憾的缩放作为$ \ mathcal {o}（\ sqrt {v_1 ^ \ star}）$中的钢筋学习，即用大状态空间，即线性MDP设置。这里$ v_1 ^ \ star $是最佳政策的价值，$ k $是剧集的数量。我们证明基于最小二乘估计的现有技术不足以获得该结果，而是基于强大的Catoni平均估计器制定一种新的稳健自归一化浓度，其可能具有独立兴趣。

使用悲观，推理缺乏详尽的勘探数据集时的脱机强化学习最近颇具知名度。尽管它增加了算法的鲁棒性，过于悲观的推理可以在排除利好政策的发现，这是流行的基于红利悲观的问题同样有害。在本文中，我们介绍一般函数近似的Bellman-一致悲观的概念：不是计算逐点下界的值的功能，我们在超过设定的与贝尔曼方程一致的功能的初始状态实现悲观。我们的理论保证只需要贝尔曼封闭性作为探索性的设置标准，其中基于奖金的情况下的悲观情绪未能提供担保。即使在线性函数逼近的特殊情况下更强的表现力假设成立，我们的结果由$ \ mathcal {}Ø（d）在其样品的复杂$在最近的基于奖金的方法改善的时候，动作的空间是有限的。值得注意的是，我们的算法，能够自动适应事后最好的偏差 - 方差折中，而大多数现有的方法中需要调整的额外超参数的先验。

我们解决了有限地平线的模型选择的问题，用于转换内核$ P ^ * $属于一个型号$ \ mathcal {p} ^ * $的offultic公制熵。在模型选择框架中，而不是$ \ mathcal {p} ^ * $，我们被给予了$ m $嵌套的转换内核rested interned内核$ \ cp_1 \ subset \ cp_2 \ subset \ ldots \ subset \ cp_m $。我们提出并分析了一种新颖的算法，即\ EMPH {自适应增强学习（常规）}（\ texttt {arl-gen}），它适应真正的转换内核$ p ^ * $谎言的最小这些家庭。 \ texttt {arl-gen}使用具有价值目标回归的上置信度强化学习（\ texttt {Ucrl}）算法作为Blackbox，并在每个时代的开头放置模型选择模块。在模型类上的温和可分离性假设下，我们显示\ texttt {arl-gen}获得$ \ tilde {\ mathcal {o}}的后悔（d _ {\ mathcal {e}} ^ * h ^ 2 + \ sqrt {d _ {\ mathcal {e}} ^ * \ mathbb {m} ^ * h ^ 2 t}）$，具有高概率，其中$ h $是地平线长度，$ t $是步骤总数， $ d _ {\ mathcal {e}} ^ * $是ecured维度和$ \ mathbb {m} ^ * $是与$ \ mathcal {p} ^ * $相对应的度量熵。请注意，这一遗憾缩放匹配Oracle的Oracle，它提前了解$ \ mathcal {p} ^ * $。我们表明，对于\ texttt {arl-gen}的模型选择成本是一个附加术语，遗憾是对$ t $的弱点。随后，我们删除可分离假设，并考虑线性混合MDP的设置，其中转换内核$ P ^ * $具有线性函数近似。通过这种低等级结构，我们提出了新颖的自适应算法，用于模型选择，并获得（令人令人令）与Oracle的遗憾相同，具有真正的模型类。

Two central paradigms have emerged in the reinforcement learning (RL) community: online RL and offline RL. In the online RL setting, the agent has no prior knowledge of the environment, and must interact with it in order to find an $\epsilon$-optimal policy. In the offline RL setting, the learner instead has access to a fixed dataset to learn from, but is unable to otherwise interact with the environment, and must obtain the best policy it can from this offline data. Practical scenarios often motivate an intermediate setting: if we have some set of offline data and, in addition, may also interact with the environment, how can we best use the offline data to minimize the number of online interactions necessary to learn an $\epsilon$-optimal policy? In this work, we consider this setting, which we call the \textsf{FineTuneRL} setting, for MDPs with linear structure. We characterize the necessary number of online samples needed in this setting given access to some offline dataset, and develop an algorithm, \textsc{FTPedel}, which is provably optimal. We show through an explicit example that combining offline data with online interactions can lead to a provable improvement over either purely offline or purely online RL. Finally, our results illustrate the distinction between \emph{verifiable} learning, the typical setting considered in online RL, and \emph{unverifiable} learning, the setting often considered in offline RL, and show that there is a formal separation between these regimes.

强化学习理论集中在两个基本问题上：实现低遗憾，并确定$ \ epsilon $ - 最佳政策。虽然简单的减少允许人们应用低温算法来获得$ \ epsilon $ - 最佳政策并达到最坏的最佳速率，但尚不清楚低regret算法是否可以获得实例 - 最佳率的策略识别率。我们表明这是不可能的 - 在遗憾和确定$ \ epsilon $ - 最佳政策之间以最佳的利率确定了基本的权衡。由于我们的负面发现，我们提出了针对PAC表格增强学习实例依赖性样本复杂性的新量度，该方法明确说明了基础MDP中可达到的国家访问分布。然后，我们提出和分析一种基于计划的新型算法，该算法达到了这种样本的复杂性 - 产生的复杂性会随着次要差距和状态的“可达到性”而缩放。我们显示我们的算法几乎是最小的最佳选择，并且在一些示例中，我们实例依赖性样品复杂性比最差案例界限可显着改善。

Value-function approximation methods that operate in batch mode have foundational importance to reinforcement learning (RL). Finite sample guarantees for these methods often crucially rely on two types of assumptions: (1) mild distribution shift, and (2) representation conditions that are stronger than realizability. However, the necessity ("why do we need them?") and the naturalness ("when do they hold?") of such assumptions have largely eluded the literature. In this paper, we revisit these assumptions and provide theoretical results towards answering the above questions, and make steps towards a deeper understanding of value-function approximation.

无奖励强化学习（RL）考虑了代理在探索过程中无法访问奖励功能的设置，但必须提出仅在探索后才揭示的任意奖励功能的近乎最佳的政策。在表格环境中，众所周知，这是一个比奖励意识（PAC）RL（代理在探索过程中访问奖励功能）更困难的问题$ | \ Mathcal {s} | $，状态空间的大小。我们表明，在线性MDP的设置中，这种分离不存在。我们首先在$ d $二维线性MDP中开发了一种计算高效算法，其样品复杂度比例为$ \ widetilde {\ Mathcal {o}}（d^2 H^5/\ epsilon^2）$ 。然后，我们显示出$ \ omega（d^2 h^2/\ epsilon^2）$的匹配尺寸依赖性的下限，该限制为奖励感知的RL设置。据我们所知，我们的方法是第一个在线性MDP中实现最佳$ d $依赖性的计算有效算法，即使在单次奖励PAC设置中也是如此。我们的算法取决于一种新的程序，该过程有效地穿越了线性MDP，在任何给定的``特征方向''中收集样品，并在最大状态访问概率（线性MDP等效）中享受最佳缩放样品复杂性。我们表明，该探索过程也可以应用于解决线性MDP中````良好条件''''协变量的问题。

我们考虑在一般函数近似下，考虑了经典增强学习（RL）环境的模型选择 - 多武装强盗（mAb）和马尔可夫决策过程（MDPS）。在模型选择框架中，我们不知道函数类，由$ \ MATHCAL {F} $和$ \ MATHCAL {M} $表示，其中True Models-奖励MABS的奖励生成函数以及MDPS的过渡内核 - - 分别撒谎。取而代之的是，我们获得了$ M $嵌套功能（假设）类，使得真正的模型包含在至上的类别中。在本文中，我们提出并分析了MAB和MDP的有效模型选择算法，将\ Emph {Adapt} \ emph {Adapt}到最小的函数类（在嵌套的$ M $类中），其中包含真实的基础模型。在嵌套假设类别的可分离性假设下，我们表明我们的自适应算法的累积后悔与知道正确功能类（即$ \ cf $和$ \ cm $）的Oracle的累积后悔相匹配。此外，对于这两种设置，我们都表明，模型选择的成本是一个遗憾的术语，因为它对学习范围$ t $的弱（对数）依赖性弱（对数）。

我们介绍了一种普遍的策略，可实现有效的多目标勘探。它依赖于adagoal，一种基于简单约束优化问题的新的目标选择方案，其自适应地针对目标状态，这既不是太困难也不是根据代理目前的知识达到的。我们展示了Adagoal如何用于解决学习$ \ epsilon $ -optimal的目标条件的政策，以便在$ L $ S_0 $ S_0 $奖励中获得的每一个目标状态，以便在$ S_0 $中获取。免费马尔可夫决策过程。在标准的表格外壳中，我们的算法需要$ \ tilde {o}（l ^ 3 s a \ epsilon ^ { - 2}）$探索步骤，这几乎很少最佳。我们还容易在线性混合Markov决策过程中实例化Adagoal，其产生具有线性函数近似的第一目标导向的PAC保证。除了强大的理论保证之外，迈克纳队以现有方法的高级别算法结构为锚定，为目标条件的深度加固学习。

我们研究了基于模型的无奖励加强学习，具有ePiSodic Markov决策过程的线性函数近似（MDP）。在此设置中，代理在两个阶段工作。在勘探阶段，代理商与环境相互作用并在没有奖励的情况下收集样品。在规划阶段，代理商给出了特定的奖励功能，并使用从勘探阶段收集的样品来学习良好的政策。我们提出了一种新的可直接有效的算法，称为UCRL-RFE在线性混合MDP假设，其中MDP的转换概率内核可以通过线性函数参数化，在状态，动作和下一个状态的三联体上定义的某些特征映射上参数化。我们展示了获得$ \ epsilon $-Optimal策略进行任意奖励函数，Ucrl-RFE需要以大多数$ \ tilde {\ mathcal {o}}来进行采样（h ^ 5d ^ 2 \ epsilon ^ { - 2}）勘探阶段期间的$派对。在这里，$ H $是集的长度，$ d $是特征映射的尺寸。我们还使用Bernstein型奖金提出了一种UCRL-RFE的变种，并表明它需要在大多数$ \ TINDE {\ MATHCAL {o}}（H ^ 4D（H + D）\ epsilon ^ { - 2}）进行样本$达到$ \ epsilon $ -optimal政策。通过构建特殊类的线性混合MDPS，我们还证明了对于任何无奖励算法，它需要至少为$ \ TINDE \ OMEGA（H ^ 2d \ epsilon ^ { - 2}）$剧集来获取$ \ epsilon $ -optimal政策。我们的上限与依赖于$ \ epsilon $的依赖性和$ d $ if $ h \ ge d $。

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。

强大的增强学习（RL）的目的是学习一项与模型参数不确定性的强大策略。由于模拟器建模错误，随着时间的推移，现实世界系统动力学的变化以及对抗性干扰，参数不确定性通常发生在许多现实世界中的RL应用中。强大的RL通常被称为最大问题问题，其目的是学习最大化价值与不确定性集合中最坏可能的模型的策略。在这项工作中，我们提出了一种称为鲁棒拟合Q-材料（RFQI）的强大RL算法，该算法仅使用离线数据集来学习最佳稳健策略。使用离线数据的强大RL比其非持续性对应物更具挑战性，因为在强大的Bellman运营商中所有模型的最小化。这在离线数据收集，对模型的优化以及公正的估计中构成了挑战。在这项工作中，我们提出了一种系统的方法来克服这些挑战，从而导致了我们的RFQI算法。我们证明，RFQI在标准假设下学习了一项近乎最佳的强大政策，并证明了其在标准基准问题上的出色表现。

我们建议和分析一个强化学习原理，该原理仅在测试功能的用户定义空间沿使用它们的有效性来近似钟声方程。我们专注于使用功能近似的无模型离线RL应用程序，我们利用这一原理来得出置信区间以进行非政策评估，并在规定的策略类别中优化了对策略的优化。我们证明了关于我们的政策优化程序的甲骨文不平等，就任意比较策略的价值和不确定性之间的权衡而言。测试功能空间的不同选择使我们能够解决共同框架中的不同问题。我们表征了使用我们的程序从政策转移到政策数据的效率的丧失，并建立了与过去工作中研究的浓缩性系数的连接。我们深入研究了具有线性函数近似的方法的实施，即使贝尔曼关闭不结束，也可以通过多项式时间实现提供理论保证。