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.

We consider learning approximate Nash equilibria for discrete-time mean-field games with nonlinear stochastic state dynamics subject to both average and discounted costs. To this end, we introduce a mean-field equilibrium (MFE) operator, whose fixed point is a mean-field equilibrium (i.e. equilibrium in the infinite population limit). We first prove that this operator is a contraction, and propose a learning algorithm to compute an approximate mean-field equilibrium by approximating the MFE operator with a random one. Moreover, using the contraction property of the MFE operator, we establish the error analysis of the proposed learning algorithm. We then show that the learned mean-field equilibrium constitutes an approximate Nash equilibrium for finite-agent games.

In this paper, we introduce a regularized mean-field game and study learning of this game under an infinite-horizon discounted reward function. Regularization is introduced by adding a strongly concave regularization function to the one-stage reward function in the classical mean-field game model. We establish a value iteration based learning algorithm to this regularized mean-field game using fitted Q-learning. The regularization term in general makes reinforcement learning algorithm more robust to the system components. Moreover, it enables us to establish error analysis of the learning algorithm without imposing restrictive convexity assumptions on the system components, which are needed in the absence of a regularization term.

我们考虑在平均场比赛中在线加强学习。与现有作品相反，我们通过开发一种使用通用代理的单个样本路径来估算均值场和最佳策略的算法来减轻对均值甲骨文的需求。我们称此沙盒学习为其，因为它可以用作在多代理非合作环境中运行的任何代理商的温暖启动。我们采用了两种时间尺度的方法，在该方法中，平均场的在线固定点递归在较慢的时间表上运行，并与通用代理更快的时间范围内的控制策略更新同时进行。在足够的勘探条件下，我们提供有限的样本收敛保证，从平均场和控制策略融合到平均场平衡方面。沙盒学习算法的样本复杂性为$ \ Mathcal {o}（\ epsilon^{ - 4}）$。最后，我们从经验上证明了沙盒学习算法在交通拥堵游戏中的有效性。

我们考虑了一个$ n $ - 玩家随机游戏的子类，其中玩家在通过收益功能耦合时拥有自己的内部状态/动作空间。假定玩家的内部链是由独立过渡概率驱动的。此外，玩家只能收到其回报的实现，而不是实际功能，并且无法观察彼此的状态/行动。根据一些关于收益功能结构的假设，我们基于双重平均和双镜下降开发有效的学习算法，该算法几乎可以肯定地融合或预期$ \ epsilon $ nash $ nash平衡策略。特别是，我们根据游戏参数的多项式划分的迭代数量得出了上限，以实现$ \ epsilon $ -NASH平衡策略。除了马尔可夫潜在的游戏和线性季节随机游戏外，这项工作还提供了$ n $ - 玩家随机游戏的另一个子类，这些游戏可证明可以允许多项式学习算法找到其$ \ epsilon $ nash平衡策略。

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。

随机游戏的学习可以说是多功能钢筋学习（MARL）中最标准和最基本的环境。在本文中，我们考虑在非渐近制度的随机游戏中分散的Marl。特别是，我们在大量的一般总和随机游戏（SGS）中建立了完全分散的Q学习算法的有限样本复杂性 - 弱循环SGS，包括对所有代理商的普通合作MARL设置具有相同的奖励（马尔可夫团队问题是一个特例。我们专注于实用的同时具有挑战性地设置完全分散的Marl，既不奖励也没有其他药剂的作用，每个试剂都可以观察到。事实上，每个特工都完全忘记了其他决策者的存在。表格和线性函数近似情况都已考虑。在表格设置中，我们分析了分散的Q学习算法的样本复杂性，以收敛到马尔可夫完美均衡（NASH均衡）。利用线性函数近似，结果用于收敛到线性近似平衡 - 我们提出的均衡的新概念 - 这描述了每个代理的策略是线性空间内的最佳回复（到其他代理）。还提供了数值实验，用于展示结果。

具有很多玩家的非合作和合作游戏具有许多应用程序，但是当玩家数量增加时，通常仍然很棘手。由Lasry和Lions以及Huang，Caines和Malham \'E引入的，平均野外运动会（MFGS）依靠平均场外近似值，以使玩家数量可以成长为无穷大。解决这些游戏的传统方法通常依赖于以完全了解模型的了解来求解部分或随机微分方程。最近，增强学习（RL）似乎有望解决复杂问题。通过组合MFGS和RL，我们希望在人口规模和环境复杂性方面能够大规模解决游戏。在这项调查中，我们回顾了有关学习MFG中NASH均衡的最新文献。我们首先确定最常见的设置（静态，固定和进化）。然后，我们为经典迭代方法（基于最佳响应计算或策略评估）提供了一个通用框架，以确切的方式解决MFG。在这些算法和与马尔可夫决策过程的联系的基础上，我们解释了如何使用RL以无模型的方式学习MFG解决方案。最后，我们在基准问题上介绍了数值插图，并以某些视角得出结论。

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.

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 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.

在本文中，我们在表格设置中建立了违法演员批评算法的全球最优性和收敛速度，而不使用密度比来校正行为政策的状态分布与目标政策之间的差异。我们的工作超出了现有的工作原理，最佳的策略梯度方法中的现有工作中使用确切的策略渐变来更新策略参数时，我们使用近似和随机更新步骤。我们的更新步骤不是渐变更新，因为我们不使用密度比以纠正状态分布，这与从业者做得好。我们的更新是近似的，因为我们使用学习的评论家而不是真正的价值函数。我们的更新是随机的，因为在每个步骤中，更新仅为当前状态操作对完成。此外，我们在分析中删除了现有作品的几个限制性假设。我们的工作中的核心是基于其均匀收缩性能的时源性Markov链中的通用随机近似算法的有限样本分析。

最近的平均野外游戏（MFG）形式主义促进了对许多代理环境中近似NASH均衡的棘手计算。在本文中，我们考虑具有有限摩托目标目标的离散时间有限的MFG。我们表明，所有具有非恒定固定点运算符的离散时间有限的MFG无法正如现有MFG文献中通常假设的，禁止通过固定点迭代收敛。取而代之的是，我们将熵验证和玻尔兹曼策略纳入固定点迭代中。结果，我们获得了现有方法失败的近似固定点的可证明的融合，并达到了近似NASH平衡的原始目标。所有提出的方法均可在其可剥削性方面进行评估，这两个方法都具有可牵引的精确溶液和高维问题的启发性示例，在这些示例中，精确方法变得棘手。在高维场景中，我们采用了既定的深入强化学习方法，并从经验上将虚拟的游戏与我们的近似值结合在一起。

计算NASH平衡策略是多方面强化学习中的一个核心问题，在理论和实践中都受到广泛关注。但是，到目前为止，可证明的保证金仅限于完全竞争性或合作的场景，或者在大多数实际应用中实现难以满足的强大假设。在这项工作中，我们通过调查Infinite-Horizo​​n \ Emph {对抗性团队Markov Games}，这是一场自然而充分动机的游戏，其中一组相同兴奋的玩家 - 在没有任何明确的情况下，这是一个自然而有动机的游戏，这是一场自然而有动机的游戏，而偏离了先前的结果。协调或交流 - 正在与对抗者竞争。这种设置允许对零和马尔可夫潜在游戏进行统一处理，并作为模拟更现实的战略互动的一步，这些互动具有竞争性和合作利益。我们的主要贡献是第一种计算固定$ \ epsilon $ - Approximate Nash Equilibria在对抗性团队马尔可夫游戏中具有计算复杂性的算法，在游戏的所有自然参数中都是多项式的，以及$ 1/\ epsilon $。拟议的算法特别自然和实用，它基于为团队中的每个球员执行独立的政策梯度步骤，并与对手侧面的最佳反应同时；反过来，通过解决精心构造的线性程序来获得对手的政策。我们的分析利用非标准技术来建立具有非convex约束的非线性程序的KKT最佳条件，从而导致对诱导的Lagrange乘数的自然解释。在此过程中，我们大大扩展了冯·斯坦格尔（Von Stengel）和科勒（GEB`97）引起的对抗（正常形式）团队游戏中最佳政策的重要特征。

本文研究了用于多机构增强学习的政策优化算法。我们首先在全信息设置中提出了针对两人零和零和马尔可夫游戏的算法框架，其中每次迭代均使用一个策略更新，使用某个矩阵游戏算法在每个状态下进行策略更新，并带有一个带有特定的值更新步骤学习率。该框架统一了许多现有和新的政策优化算法。我们表明，只要矩阵游戏算法在每种状态下，该算法的州平均策略会收敛到游戏的近似NASH平衡（NE），只要矩阵游戏算法在每个状态下都具有低称重的遗憾价值更新。接下来，我们证明，该框架与每个状态（和平滑值更新）的乐观跟踪定制领导者（oftrl）算法可以找到$ \ Mathcal {\ widetilde {o}}（t^{ - 5 /6}）$ t $迭代中的$近似NE，并且具有稍微修改的值更新规则的类似算法可实现更快的$ \ Mathcal {\ widetilde {o}}}}（t^{ - 1}）$收敛率。这些改进了当前最佳$ \ Mathcal {\ widetilde {o}}}（t^{ - 1/2}）$对称策略优化类型算法的速率。我们还将此算法扩展到多玩家通用-SUM Markov游戏，并显示$ \ MATHCAL {\ widetilde {o}}}（t^{ - 3/4}）$收敛率与粗相关均衡（CCE）。最后，我们提供了一个数值示例来验证我们的理论并研究平滑价值更新的重要性，并发现使用“渴望”的价值更新（等同于独立的自然策略梯度算法）也可能会大大减慢收敛性，即使在$ h = 2 $层的简单游戏。

我们在无限地平线上享受多智能经纪增强学习（Marl）零汇率马尔可夫游戏。我们专注于分散的Marl的实用性但具有挑战性的环境，其中代理人在没有集中式控制员的情况下做出决定，但仅根据自己的收益和当地行动进行了协调。代理商不需要观察对手的行为或收益，可能甚至不忘记对手的存在，也不得意识到基础游戏的零金额结构，该环境也称为学习文学中的彻底解散游戏。在本文中，我们开发了一种彻底的解耦Q学习动态，既合理和收敛则：当对手遵循渐近静止战略时，学习动态会收敛于对对手战略的最佳反应;当两个代理采用学习动态时，它们会收敛到游戏的纳什均衡。这种分散的环境中的关键挑战是从代理商的角度来看环境的非公平性，因为她自己的回报和系统演变都取决于其他代理人的行为，每个代理商同时和独立地互补她的政策。要解决此问题，我们开发了两个时间尺度的学习动态，每个代理会更新她的本地Q函数和value函数估计，后者在较慢的时间内发生。

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。

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。

我们研究了马尔可夫潜在游戏（MPG）中多机构增强学习（RL）问题的策略梯度方法的全球非反应收敛属性。要学习MPG的NASH平衡，在该MPG中，状态空间的大小和/或玩家数量可能非常大，我们建议使用TANDEM所有玩家运行的新的独立政策梯度算法。当梯度评估中没有不确定性时，我们表明我们的算法找到了$ \ epsilon $ -NASH平衡，$ o（1/\ epsilon^2）$迭代复杂性并不明确取决于状态空间大小。如果没有确切的梯度，我们建立$ O（1/\ epsilon^5）$样品复杂度在潜在的无限大型状态空间中，用于利用函数近似的基于样本的算法。此外，我们确定了一类独立的政策梯度算法，这些算法都可以融合零和马尔可夫游戏和马尔可夫合作游戏，并与玩家不喜欢玩的游戏类型。最后，我们提供了计算实验来证实理论发展的优点和有效性。