We consider a multi-agent episodic MDP setup where an agent (leader) takes action at each step of the episode followed by another agent (follower). The state evolution and rewards depend on the joint action pair of the leader and the follower. Such type of interactions can find applications in many domains such as smart grids, mechanism design, security, and policymaking. We are interested in how to learn policies for both the players with provable performance guarantee under a bandit feedback setting. We focus on a setup where both the leader and followers are {\em non-myopic}, i.e., they both seek to maximize their rewards over the entire episode and consider a linear MDP which can model continuous state-space which is very common in many RL applications. We propose a {\em model-free} RL algorithm and show that $\tilde{\mathcal{O}}(\sqrt{d^3H^3T})$ regret bounds can be achieved for both the leader and the follower, where $d$ is the dimension of the feature mapping, $H$ is the length of the episode, and $T$ is the total number of steps under the bandit feedback information setup. Thus, our result holds even when the number of states becomes infinite. The algorithm relies on {\em novel} adaptation of the LSVI-UCB algorithm. Specifically, we replace the standard greedy policy (as the best response) with the soft-max policy for both the leader and the follower. This turns out to be key in establishing uniform concentration bound for the value functions. To the best of our knowledge, this is the first sub-linear regret bound guarantee for the Markov games with non-myopic followers with function approximation.

我们研究了受限的强化学习问题，其中代理的目的是最大程度地提高预期的累积奖励，从而受到对实用程序函数的预期总价值的约束。与现有的基于模型的方法或无模型方法伴随着“模拟器”，我们旨在开发第一个无模型的无模拟算法，即使在大规模系统中，也能够实现sublinear遗憾和透明度的约束侵犯。为此，我们考虑具有线性函数近似的情节约束决策过程，其中过渡动力学和奖励函数可以表示为某些已知功能映射的线性函数。我们表明$ \ tilde {\ mathcal {o}}（\ sqrt {d^3h^3t}）$遗憾和$ \ tilde {\ tillcal {\ mathcal {o}}（\ sqrt {d^3h^3ht}）$约束$约束$约束可以实现违规范围，其中$ d $是功能映射的尺寸，$ h $是情节的长度，而$ t $是总数的总数。我们的界限是在没有明确估计未知过渡模型或需要模拟器的情况下达到的，并且仅通过特征映射的维度依赖于状态空间。因此，即使国家的数量进入无穷大，我们的界限也会存在。我们的主要结果是通过标准LSVI-UCB算法的新型适应来实现的。特别是，我们首先将原始二次优化引入LSVI-UCB算法中，以在遗憾和违反约束之间取得平衡。更重要的是，我们使用软马克斯政策取代了LSVI-UCB中的状态行动功能的标准贪婪选择。事实证明，这对于通过其近似平滑度的权衡来确定受约束案例的统一浓度是关键。我们还表明，一个人可以达到均匀的约束违规行为，同时仍然保持相同的订单相对于$ t $。

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。

Modern Reinforcement Learning (RL) is commonly applied to practical problems with an enormous number of states, where function approximation must be deployed to approximate either the value function or the policy. The introduction of function approximation raises a fundamental set of challenges involving computational and statistical efficiency, especially given the need to manage the exploration/exploitation tradeoff. As a result, a core RL question remains open: how can we design provably efficient RL algorithms that incorporate function approximation? This question persists even in a basic setting with linear dynamics and linear rewards, for which only linear function approximation is needed.This paper presents the first provable RL algorithm with both polynomial runtime and polynomial sample complexity in this linear setting, without requiring a "simulator" or additional assumptions. Concretely, we prove that an optimistic modification of Least-Squares Value Iteration (LSVI)-a classical algorithm frequently studied in the linear setting-achieves O( √ d 3 H 3 T ) regret, where d is the ambient dimension of feature space, H is the length of each episode, and T is the total number of steps. Importantly, such regret is independent of the number of states and actions.

我们考虑在具有非线性函数近似的两名玩家零和马尔可夫游戏中学习NASH平衡，其中动作值函数通过繁殖内核Hilbert Space（RKHS）中的函数近似。关键挑战是如何在高维函数空间中进行探索。我们提出了一种新颖的在线学习算法，以最大程度地减少双重性差距来找到NASH平衡。我们算法的核心是基于不确定性的乐观原理得出的上和下置信度界限。我们证明，在非常温和的假设上，我们的算法能够获得$ O（\ sqrt {t}）$遗憾，并在对奖励功能和马尔可夫游戏的基本动态下进行多项式计算复杂性。我们还提出了我们的算法的几个扩展，包括具有伯恩斯坦型奖励的算法，可以实现更严格的遗憾，以及用于模型错误指定的另一种算法，可以应用于神经功能近似。

经济学和政策等现实世界应用程序往往涉及解决多智能运动游戏与两个独特的特点：（1）代理人本质上是不对称的，并分成领导和追随者; （2）代理商有不同的奖励功能，因此游戏是普通的。该领域的大多数现有结果侧重于对称解决方案概念（例如纳什均衡）或零和游戏。它仍然开放了如何学习Stackelberg均衡 - 从嘈杂的样本有效地纳入均衡的不对称模拟 - 纳入均衡。本文启动了对Birtit反馈设置中Stackelberg均衡的样本高效学习的理论研究，我们只观察奖励的噪音。我们考虑三个代表双人普通和游戏：强盗游戏，强盗加固学习（Bandit-RL）游戏和线性匪徒游戏。在所有这些游戏中，我们使用有义的许多噪声样本来确定Stackelberg均衡和其估计版本的确切值之间的基本差距，无论算法如何，都无法封闭信息。然后，我们在对上面识别的差距最佳的基础上的数据高效学习的样本高效学习的敏锐积极结果，在依赖于依赖性的差距，误差容限和动作空间的大小，匹配下限。总体而言，我们的结果在嘈杂的强盗反馈下学习Stackelberg均衡的独特挑战，我们希望能够在未来的研究中阐明这一主题。

我们认为在情节环境中的强化学习（RL）中的遗憾最小化问题。在许多实际的RL环境中，状态和动作空间是连续的或非常大的。现有方法通过随机过渡模型的低维表示或$ q $ functions的近似值来确定遗憾的保证。但是，对国家价值函数的函数近似方案的理解基本上仍然缺失。在本文中，我们提出了一种基于在线模型的RL算法，即CME-RL，该算法将过渡分布的表示形式学习为嵌入在复制的内核希尔伯特领域中的嵌入，同时仔细平衡了利用探索 - 探索权衡取舍。我们通过证明频繁的（最糟糕的）遗憾结束了$ \ tilde {o} \ big（h \ gamma_n \ sqrt {n} \ big）$ \ footnote {$ footnote {$ tilde {$ o}（\ cdot）$仅隐藏绝对常数和poly-logarithmic因素。}，其中$ h $是情节长度，$ n $是时间步长的总数，$ \ gamma_n $是信息理论数量国家行动特征空间的有效维度。我们的方法绕过了估计过渡概率的需求，并适用于可以定义内核的任何域。它还为内核方法的一般理论带来了新的见解，以进行近似推断和RL遗憾的最小化。

我们在非静止线性（AKA低级别）马尔可夫决策过程（MDP）中研究了集中加强学习，即奖励和转换内核都是关于给定特征映射的线性，并且被允许缓慢或突然演变时间。对于此问题设置，我们提出了一种基于加权最小二乘值的乐观模型算法的Opt-WLSVI，其使用指数权重来平滑地忘记过去远远的数据。我们表明我们的算法在每次竞争最佳政策时，实现了由$ \ widetilde {\ mathcal {o}}的上部界限的遗憾（d ^ {5/4} h ^ 2 \ delta ^ {1 / 4} k ^ {3/4}）$何地在$ d $是特征空间的尺寸，$ h $是规划地平线，$ k $是剧集的数量和$ \ delta $是一个合适的衡量标准MDP的非固定性。此外，我们指出了在忘记以前作品的非静止线性匪徒环境中忘记策略的技术差距，并提出了修复其遗憾分析。

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.

尽管固定环境中的单一机构政策优化最近在增强学习社区中引起了很多研究的关注，但是当在潜在竞争性的环境中有多个代理商在玩耍时，从理论上讲，少得多。我们通过提出和分析具有结构化但未知过渡的零和Markov游戏的新的虚拟游戏策略优化算法来向前迈进。我们考虑两类的过渡结构：分类的独立过渡和单个控制器过渡。对于这两种情况，我们都证明了紧密的$ \ widetilde {\ Mathcal {o}}（\ sqrt {k}）$遗憾的范围在$ k $ eviepodes之后，在两种代理竞争的游戏场景中。每个代理人的遗憾是针对潜在的对抗对手的衡量，他们在观察完整的政策序列后可以在事后选择一个最佳政策。我们的算法在非平稳环境中同时进行政策优化的范围下，具有上置信度结合（UCB）的乐观和虚拟游戏的结合。当两个玩家都采用所提出的算法时，他们的总体最优差距为$ \ widetilde {\ Mathcal {o}}（\ sqrt {k}）$。

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。

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。

We study episodic two-player zero-sum Markov games (MGs) in the offline setting, where the goal is to find an approximate Nash equilibrium (NE) policy pair based on a dataset collected a priori. When the dataset does not have uniform coverage over all policy pairs, finding an approximate NE involves challenges in three aspects: (i) distributional shift between the behavior policy and the optimal policy, (ii) function approximation to handle large state space, and (iii) minimax optimization for equilibrium solving. We propose a pessimism-based algorithm, dubbed as pessimistic minimax value iteration (PMVI), which overcomes the distributional shift by constructing pessimistic estimates of the value functions for both players and outputs a policy pair by solving NEs based on the two value functions. Furthermore, we establish a data-dependent upper bound on the suboptimality which recovers a sublinear rate without the assumption on uniform coverage of the dataset. We also prove an information-theoretical lower bound, which suggests that the data-dependent term in the upper bound is intrinsic. Our theoretical results also highlight a notion of "relative uncertainty", which characterizes the necessary and sufficient condition for achieving sample efficiency in offline MGs. To the best of our knowledge, we provide the first nearly minimax optimal result for offline MGs with function approximation.

由于信息不对称，多智能经纪增强学习（Marl）问题是挑战。为了克服这一挑战，现有方法通常需要代理商之间的高度协调或沟通。我们考虑具有在应用中产生的分层信息结构的两个代理多武装匪徒（MAB）和MARKOV决策过程（MDP），我们利用不需要协调或通信的更简单和更高效的算法。在结构中，在每个步骤中，“领导者”首先选择她的行动，然后“追随者”在观察领导者的行动后，“追随者”决定他的行动。这两个代理观察了相同的奖励（以及MDP设置中的相同状态转换），这取决于其联合行动。对于强盗设置，我们提出了一种分层匪盗算法，实现了$ \ widetilde {\ mathcal {o}}（\ sqrt {abt}）$和近最佳差距依赖的近乎最佳的差距遗憾$ \ mathcal {o}（\ log（t））$，其中$ a $和$ b $分别是领导者和追随者的行动数，$ t $是步数。我们进一步延伸到多个追随者的情况，并且具有深层层次结构的情况，在那里我们都获得了近乎最佳的遗憾范围。对于MDP设置，我们获得$ \ widetilde {\ mathcal {o}}（\ sqrt {h ^ 7s ^ 2abt}）$后悔，其中$ h $是每集的步骤数，$ s $是数量各国，$ T $是剧集的数量。这与$ a，b $和$ t $的现有下限匹配。

Model-free reinforcement learning (RL) algorithms, such as Q-learning, directly parameterize and update value functions or policies without explicitly modeling the environment. They are typically simpler, more flexible to use, and thus more prevalent in modern deep RL than model-based approaches. However, empirical work has suggested that model-free algorithms may require more samples to learn [7,22]. The theoretical question of "whether model-free algorithms can be made sample efficient" is one of the most fundamental questions in RL, and remains unsolved even in the basic scenario with finitely many states and actions.We prove that, in an episodic MDP setting, Q-learning with UCB exploration achieves regret Õ( √ H 3 SAT ), where S and A are the numbers of states and actions, H is the number of steps per episode, and T is the total number of steps. This sample efficiency matches the optimal regret that can be achieved by any model-based approach, up to a single √ H factor. To the best of our knowledge, this is the first analysis in the model-free setting that establishes √ T regret without requiring access to a "simulator." * The first two authors contributed equally.

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。

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。

我们考虑基于偏好的加强学习（PBRL）的问题，在那里，与传统的增强学习不同，代理仅根据轨迹对的1位（0/1）偏好而不是对它们的绝对奖励来接收反馈。传统的RL框架的成功至关重要，依赖于潜在的代理 - 奖励模型，但是，这取决于系统设计者可以表达适当的奖励功能以及通常是非微不足道的任务。我们框架的主要新颖性是能够从基于偏好的轨迹反馈中学习，这消除了手工艺数字奖励模型的需要。本文为非马车奖励提供了一个正式的框架，其中轨道偏好是由尺寸为$ d $的广义线性模型编码。假设过渡模型是已知的，我们提出了一种算法，几乎最佳的$ \ tilde {\ mathcal {o}} \ left（sh d \ log（t / \ delta）\ sqrt {t} \右）$ 。进一步，将上述算法扩展到未知的转换动态的情况，并提供近最优遗憾的算法保证$ \ widetilde {\ mathcal {o}}（（\ sqrt {d} + h ^ 2 + | \ mathcal { s} |）\ sqrt {dt} + \ sqrt {| \ mathcal {s} || \ mathcal {a} | th}）$。据我们所知，我们的作品是第一个遗憾的遗忘遗嘱的首选RL问题之一，轨迹偏好。

我们研究依靠敏感数据（例如医疗记录）的环境的顺序决策中，研究隐私的探索。特别是，我们专注于解决在线性MDP设置中受（联合）差异隐私的约束的增强学习问题（RL），在该设置中，动态和奖励均由线性函数给出。由于Luyo等人而引起的此问题的事先工作。 （2021）实现了$ o（k^{3/5}）$的依赖性的遗憾率。我们提供了一种私人算法，其遗憾率提高，最佳依赖性为$ o（\ sqrt {k}）$对情节数量。我们强烈遗憾保证的关键配方是策略更新时间表中的适应性，其中仅在检测到数据足够更改时才发生更新。结果，我们的算法受益于低切换成本，并且仅执行$ o（\ log（k））$更新，这大大降低了隐私噪声的量。最后，在最普遍的隐私制度中，隐私参数$ \ epsilon $是一个常数，我们的算法会造成可忽略不计的隐私成本 - 与现有的非私人遗憾界限相比，由于隐私而引起的额外遗憾在低阶中出现了术语。

We study reinforcement learning (RL) with linear function approximation. For episodic time-inhomogeneous linear Markov decision processes (linear MDPs) whose transition dynamic can be parameterized as a linear function of a given feature mapping, we propose the first computationally efficient algorithm that achieves the nearly minimax optimal regret $\tilde O(d\sqrt{H^3K})$, where $d$ is the dimension of the feature mapping, $H$ is the planning horizon, and $K$ is the number of episodes. Our algorithm is based on a weighted linear regression scheme with a carefully designed weight, which depends on a new variance estimator that (1) directly estimates the variance of the \emph{optimal} value function, (2) monotonically decreases with respect to the number of episodes to ensure a better estimation accuracy, and (3) uses a rare-switching policy to update the value function estimator to control the complexity of the estimated value function class. Our work provides a complete answer to optimal RL with linear MDPs, and the developed algorithm and theoretical tools may be of independent interest.