部分可观察性 - 代理只能观察有关系统真正潜在状态的部分信息 - 在增强学习（RL）的现实应用中无处不在。从理论上讲，在最坏情况下，由于指数样本的复杂性下限，在最坏情况下学习了近距离观察性的近乎最佳政策。最近的工作已经确定了几个可通过多项式样本学习的可学性亚类，例如部分可观察到的马尔可夫决策过程（POMDPS）具有某些可揭示或可分解性条件。但是，这一研究仍处于起步阶段，（1）缺乏统一的结构条件，从而缺乏样品效率学习； （2）现有的已知拖拉子类的样品复杂性远非锋利； （3）与完全可观察的RL相比，可用的样品效率算法更少。本文在预测状态表示（PSRS）的一般环境中，上面的所有三个方面都在部分可观察到的RL方向前进。首先，我们提出了一种称为\ emph {b稳定性}的自然和统一的结构条件。 B稳定的PSR包括绝大多数已知的可牵引子类，例如弱揭示的POMDP，低级别的未来pomdps，可解码的POMDP和常规PSR。接下来，我们证明可以在相关问题参数中使用多项式样本学习任何B稳定PSR。当在上述子类中实例化时，我们的样本复杂性比当前最好的复杂性大大改善。最后，我们的结果是通过三种算法同时实现的：乐观的最大似然估计，估计到决策和基于模型的乐观后验采样。后两种算法是用于POMDPS/PSR的样品有效学习的新算法。

寻找统一的复杂性度量和样本效率学习的算法是增强学习研究的核心主题（RL）。 Foster等人最近提出了决策估计系数（DEC）。 （2021）作为样品有效的NO-REGRET RL的必要和足够的复杂度度量。本文通过DEC框架朝着RL的统一理论取得了进步。首先，我们提出了两项​​新的DEC类型复杂性度量：探索性DEC（EDEC）和无奖励DEC（RFDEC）。我们表明，它们对于样本有效的PAC学习和无奖励学习是必要的，因此扩展了原始DEC，该DEC仅捕获了无需重新学习。接下来，我们为所有三个学习目标设计新的统一样品效率算法。我们的算法实例化估计到决策的变体（E2D）元算法具有强大而通用的模型估计值。即使在无重组的设置中，我们的算法E2D-TA也会在Foster等人的算法上提高。 （2021）需要对DEC的变体进行边界，该变体可能是过于大的，或者设计特定问题的估计值。作为应用程序，我们恢复了现有的，并获得了使用单个算法的各种可拖动RL问题的新样品学习结果。最后，作为一种连接，我们根据后采样或最大似然估计重新分析了两种现有的基于乐观模型的算法，表明它们在与DEC相似的结构条件下具有与E2D-TA相似的遗憾界限。

We study sample efficient reinforcement learning (RL) under the general framework of interactive decision making, which includes Markov decision process (MDP), partially observable Markov decision process (POMDP), and predictive state representation (PSR) as special cases. Toward finding the minimum assumption that empowers sample efficient learning, we propose a novel complexity measure, generalized eluder coefficient (GEC), which characterizes the fundamental tradeoff between exploration and exploitation in online interactive decision making. In specific, GEC captures the hardness of exploration by comparing the error of predicting the performance of the updated policy with the in-sample training error evaluated on the historical data. We show that RL problems with low GEC form a remarkably rich class, which subsumes low Bellman eluder dimension problems, bilinear class, low witness rank problems, PO-bilinear class, and generalized regular PSR, where generalized regular PSR, a new tractable PSR class identified by us, includes nearly all known tractable POMDPs. Furthermore, in terms of algorithm design, we propose a generic posterior sampling algorithm, which can be implemented in both model-free and model-based fashion, under both fully observable and partially observable settings. The proposed algorithm modifies the standard posterior sampling algorithm in two aspects: (i) we use an optimistic prior distribution that biases towards hypotheses with higher values and (ii) a loglikelihood function is set to be the empirical loss evaluated on the historical data, where the choice of loss function supports both model-free and model-based learning. We prove that the proposed algorithm is sample efficient by establishing a sublinear regret upper bound in terms of GEC. In summary, we provide a new and unified understanding of both fully observable and partially observable RL.

本文介绍了一种简单的有效学习算法，用于一般顺序决策。该算法将探索的乐观与模型估计的最大似然估计相结合，因此被命名为OMLE。我们证明，Omle了解了多项式数量的样本中一系列非常丰富的顺序决策问题的近乎最佳策略。这个丰富的类别不仅包括大多数已知的基于模型的基于模型的强化学习（RL）问题（例如表格MDP，计算的MDP，低证人等级问题，表格弱弱/可观察到的POMDP和多步可解码的POMDP），但是同样，许多新的具有挑战性的RL问题，尤其是在可观察到的部分环境中，这些问题以前尚不清楚。值得注意的是，本文解决的新问题包括（1）具有连续观察和功能近似的可观察到的POMDP，在其中我们实现了完全独立于观察空间的第一个样品复杂性； （2）条件良好的低级顺序决策问题（也称为预测状态表示（PSRS）），其中包括并概括了所有已知的可牵引的POMDP示例，这些示例在更固有的表示下； （3）在帆条件下进行一般顺序决策问题，这统一了我们在完全可观察和部分可观察的设置中对基于模型的RL的现有理解。帆条件是由本文确定的，可以将其视为贝尔曼/证人等级的自然概括，以解决部分可观察性。

在本文中，我们研究了部分可观察到的动态系统的在线增强学习（RL）。我们专注于预测状态表示（PSRS）模型，该模型是捕获其他知名模型（例如可观察到的马尔可夫决策过程（POMDP））的表达模型。 PSR使用一组未来观察结果的预测表示状态，并完全使用可观察的数量来定义。我们为PSRS开发了一种新型的基于模型的算法，该算法可以在样本复杂性中学习相对于系统的所有相关参数的多项式缩放的近乎最佳策略。我们的算法自然可以与功能近似合作，以扩展到具有较大状态和观察空间的系统。我们表明，给定一个可实现的模型类别，学习近乎最佳策略的样本复杂性仅相对于模型类的统计复杂性，而没有任何明确的多项式依赖性对状态和观察空间的大小依赖。值得注意的是，我们的工作是表明多项式样本复杂性与PSR中全球最佳政策竞争的第一项工作。最后，我们演示了如何直接使用我们的一般定理来得出特殊模型的样本复杂性界限，包括$ m $ $ step弱揭示和$ m $ $ $ - 可解码的表格pomdps，具有低率潜在过渡的POMDP和具有线性pomdps的POMDP排放和潜在过渡。

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.

部署效率是许多实际应用程序应用（RL）的重要标准。尽管社区的兴趣越来越大，但对于该问题缺乏正式的理论表述。在本文中，我们从“具有约束的优化”的角度提出了一种用于部署有效的RL（DE-RL）的公式：我们有兴趣探索MDP并在最小值{部署复杂性}中获得近乎最佳的策略。 ，而在每个部署中，策略可以采样大量数据。使用有限的摩尼子线性MDP作为具体的结构模型，我们通过建立信息理论下限，并提供实现最佳部署效率的算法来揭示实现部署效率的基本限制。此外，我们对DE-RL的配方是灵活的，可以作为其他实际相关设置的基础；我们将“安全的DE-RL”和“样本有效的DE-RL”作为两个例子，这可能是值得将来的研究。

We study model-based reinforcement learning (RL) for episodic Markov decision processes (MDP) whose transition probability is parametrized by an unknown transition core with features of state and action. Despite much recent progress in analyzing algorithms in the linear MDP setting, the understanding of more general transition models is very restrictive. In this paper, we establish a provably efficient RL algorithm for the MDP whose state transition is given by a multinomial logistic model. To balance the exploration-exploitation trade-off, we propose an upper confidence bound-based algorithm. We show that our proposed algorithm achieves $\tilde{\mathcal{O}}(d \sqrt{H^3 T})$ regret bound where $d$ is the dimension of the transition core, $H$ is the horizon, and $T$ is the total number of steps. To the best of our knowledge, this is the first model-based RL algorithm with multinomial logistic function approximation with provable guarantees. We also comprehensively evaluate our proposed algorithm numerically and show that it consistently outperforms the existing methods, hence achieving both provable efficiency and practical superior performance.

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.

我们提出了一个通用框架，以设计基于模型的RL的后验采样方法。我们表明，可以通过减少基于Hellinger距离的条件概率估计的遗憾来分析所提出的算法。我们进一步表明，当我们通过数据可能性测量模型误差时，乐观的后采样可以控制此Hellinger距离。该技术使我们能够设计和分析许多基于模型的RL设置的最先进的样品复杂性保证的统一后采样算法。我们在许多特殊情况下说明了我们的总体结果，证明了我们框架的多功能性。

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。

我们研究了情节块MDP中模型估计和无奖励学习的问题。在这些MDP中，决策者可以访问少数潜在状态产生的丰富观察或上下文。我们首先对基于固定行为策略生成的数据估算潜在状态解码功能（从观测到潜在状态的映射）感兴趣。我们在估计此功能的错误率上得出了信息理论的下限，并提出了接近此基本限制的算法。反过来，我们的算法还提供了MDP的所有组件的估计值。然后，我们研究在无奖励框架中学习近乎最佳政策的问题。根据我们有效的模型估计算法，我们表明我们可以以最佳的速度推断出策略（随着收集样品的数量增长大）的最佳策略。有趣的是，我们的分析提供了必要和充分的条件，在这些条件下，利用块结构可以改善样本复杂性，以识别近乎最佳的策略。当满足这些条件时，Minimax无奖励设置中的样本复杂性将通过乘法因子$ n $提高，其中$ n $是可能的上下文数量。

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。

尽管在理解增强学习的最小样本复杂性（RL）（在“最坏情况”的实例上学习的复杂性）方面已经取得了很多进展，但这种复杂性的衡量标准通常不会捕捉到真正的学习困难。在实践中，在“简单”的情况下，我们可能希望获得比最糟糕的实例可以实现的要好得多。在这项工作中，我们试图理解在具有线性函数近似的RL设置中学习近乎最佳策略（PAC RL）的“实例依赖性”复杂性。我们提出了一种算法，\ textsc {pedel}，该算法实现了依赖于实例的复杂性的量度，这是RL中的第一个具有功能近似设置，从而捕获了每个特定问题实例的学习难度。通过一个明确的示例，我们表明\ textsc {pedel}可以在低重晶，最小值 - 最佳算法上获得可证明的收益，并且这种算法无法达到实例 - 最佳速率。我们的方法取决于基于设计的新型实验程序，该程序将勘探预算重点放在与学习近乎最佳政策最相关的“方向”上，并且可能具有独立的兴趣。

我们研究使用功能近似的部分可观察到的动力学系统的增强学习。我们提出了一个新的\ textit {部分可观察到的双线性actor-Critic-Critic框架}，它足以包括可观察到的图表部分可观察到的Markov决策过程（POMDPS），可观察到的线性Quadratic-Quadratic-Gaussian（LQG）（LQG），预测状态表示（POMDPS）（ PSRS），以及新引入的模型Hilbert空间嵌入POMDPS和可观察到的POMDP，具有潜在的低级过渡。在此框架下，我们提出了一种能够执行不可知论政策学习的参与者批评算法。给定一个由基于内存的策略组成的策略类别（查看最近观察的固定长度窗口），以及一个值得将内存和未来观察作为输入的功能组成的值函数类别，我们的算法学会了与最佳的最佳竞争在给定策略类中基于内存的策略。对于某些示例，例如可观察到的表格pomdps，可观察到的LQG和可观察到的具有潜在低级过渡的可观察到的POMDP，通过隐式利用其特殊特性，我们的算法甚至能够与全球最佳策略竞争，而无需支付对高度依赖的依赖，以竞争全球最佳的策略。它的样本复杂性。

在本文中，我们研究了强大的马尔可夫决策过程（MDPS）的最佳稳健策略和价值功能的非反应性和渐近性能，其中仅从生成模型中求解了最佳的稳健策略和价值功能。尽管在KL不确定性集和$（s，a）$ - 矩形假设的设置中限制了以前专注于可靠MDP的非反应性能的工作，但我们改善了它们的结果，还考虑了其​​他不确定性集，包括$ L_1 $和$ L_1 $和$ \ chi^2 $球。我们的结果表明，当我们假设$（s，a）$ - 矩形在不确定性集上时，示例复杂度大约为$ \ widetilde {o} \ left（\ frac {| \ mathcal {| \ mathcal {s} |^2 | \ mathcal { a} |} {\ varepsilon^2 \ rho^2（1- \ gamma）^4} \ right）$。此外，我们将结果从$（s，a）$ - 矩形假设扩展到$ s $矩形假设。在这种情况下，样本复杂性随选择不确定性集而变化，通常比$（s，a）$矩形假设下的情况大。此外，我们还表明，在$（s，a）$和$ s $ retectangular的假设下，从理论和经验的角度来看，最佳的鲁棒值函数是渐近的正常，典型的速率$ \ sqrt {n} $。

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。

强化学习算法的实用性由于相对于问题大小的规模差而受到限制，因为学习$ \ epsilon $ -optimal策略的样本复杂性为$ \ tilde {\ omega} \ left（| s | s || a || a || a || a | h^3 / \ eps^2 \ right）$在MDP的最坏情况下，带有状态空间$ S $，ACTION SPACE $ A $和HORIZON $ H $。我们考虑一类显示出低级结构的MDP，其中潜在特征未知。我们认为，价值迭代和低级别矩阵估计的自然组合导致估计误差在地平线上呈指数增长。然后，我们提供了一种新算法以及统计保证，即有效利用了对生成模型的访问，实现了$ \ tilde {o} \ left的样本复杂度（d^5（d^5（| s |+| a |）\），我们有效利用低级结构。对于等级$ d $设置的Mathrm {Poly}（h）/\ EPS^2 \ right）$，相对于$ | s |，| a | $和$ \ eps $的缩放，这是最小值的最佳。与线性和低级别MDP的文献相反，我们不需要已知的功能映射，我们的算法在计算上很简单，并且我们的结果长期存在。我们的结果提供了有关MDP对过渡内核与最佳动作值函数所需的最小低级结构假设的见解。

鉴于它在提取功能表示方面的力量，对比性的自我监督学习已成功整合到（深）强化学习（RL）的实践中，从而在各种应用程序中提供了有效的政策学习。尽管取得了巨大的经验成功，但对RL的对比学习的理解仍然难以捉摸。为了缩小这样的差距，我们研究了Markov决策过程（MDP）和Markov Games（MGS）的对比度学习如何赋予RL的能力。对于这两种模型，我们建议通过最大程度地减少对比度损失来提取低级别模型的正确特征表示。此外，在在线环境下，我们提出了新颖的上限置信界（UCB）型算法，该算法将这种对比度损失与MDP或MGS的在线RL算法结合在一起。从理论上讲，我们进一步证明了我们的算法恢复了真实表示形式，并同时在学习MDP和MGS中学习最佳策略和NASH平衡方面同时实现了样本效率。我们还提供实证研究，以证明基于UCB的RL的对比度学习方法的功效。据我们所知，我们提供了第一种可证明有效的在线RL算法，该算法结合了代表学习的对比学习。我们的代码可从https://github.com/baichenjia/contrastive-ucb获得。

我们与指定为领导者的球员之一和其他球员读为追随者的球员学习多人一般汇总马尔可夫游戏。特别是，我们专注于追随者是近视的游戏，即，他们的目标是最大限度地提高他们的瞬间奖励。对于这样的游戏，我们的目标是找到一个Stackelberg-Nash均衡（SNE），这是一个策略对$（\ pi ^ *，\ nu ^ *）$，这样（i）$ \ pi ^ * $是追随者始终发挥最佳回应的领导者的最佳政策，（ii）$ \ nu ^ * $是追随者的最佳反应政策，这是由$ \ pi ^ *引起的追随者游戏的纳什均衡$。我们开发了用于在线和离线设置中的SNE解决SNE的采样高效的强化学习（RL）算法。我们的算法是最小二乘值迭代的乐观和悲观的变体，并且它们很容易能够在大状态空间的设置中结合函数近似工具。此外，对于线性函数近似的情况，我们证明我们的算法分别在线和离线设置下实现了Sublinear遗憾和次优。据我们所知，我们建立了第一种可用于解决近代Markov游戏的SNES的第一款可透明的RL算法。