We propose a distributionally robust return-risk model for Markov decision processes (MDPs) under risk and reward ambiguity. The proposed model optimizes the weighted average of mean and percentile performances, and it covers the distributionally robust MDPs and the distributionally robust chance-constrained MDPs (both under reward ambiguity) as special cases. By considering that the unknown reward distribution lies in a Wasserstein ambiguity set, we derive the tractable reformulation for our model. In particular, we show that that the return-risk model can also account for risk from uncertain transition kernel when one only seeks deterministic policies, and that a distributionally robust MDP under the percentile criterion can be reformulated as its nominal counterpart at an adjusted risk level. A scalable first-order algorithm is designed to solve large-scale problems, and we demonstrate the advantages of our proposed model and algorithm through numerical experiments.

We study distributionally robust optimization (DRO) with Sinkhorn distance -- a variant of Wasserstein distance based on entropic regularization. We provide convex programming dual reformulation for a general nominal distribution. Compared with Wasserstein DRO, it is computationally tractable for a larger class of loss functions, and its worst-case distribution is more reasonable. We propose an efficient first-order algorithm with bisection search to solve the dual reformulation. We demonstrate that our proposed algorithm finds $\delta$-optimal solution of the new DRO formulation with computation cost $\tilde{O}(\delta^{-3})$ and memory cost $\tilde{O}(\delta^{-2})$, and the computation cost further improves to $\tilde{O}(\delta^{-2})$ when the loss function is smooth. Finally, we provide various numerical examples using both synthetic and real data to demonstrate its competitive performance and light computational speed.

Robust Markov decision processes (RMDPs) are promising models that provide reliable policies under ambiguities in model parameters. As opposed to nominal Markov decision processes (MDPs), however, the state-of-the-art solution methods for RMDPs are limited to value-based methods, such as value iteration and policy iteration. This paper proposes Double-Loop Robust Policy Gradient (DRPG), the first generic policy gradient method for RMDPs with a global convergence guarantee in tabular problems. Unlike value-based methods, DRPG does not rely on dynamic programming techniques. In particular, the inner-loop robust policy evaluation problem is solved via projected gradient descent. Finally, our experimental results demonstrate the performance of our algorithm and verify our theoretical guarantees.

先前关于安全加强学习的工作（RL）研究了对动态（aleatory）随机性的风险规避，并隔离地模拟了不确定性（认知）。我们提出并分析一个新框架，以共同对有限马和折现的无限马MDP中的认知和差异不确定性相关的风险进行建模。我们称此框架结合了规避风险和软性的方法RASR。我们表明，当使用EVAR或熵风险定义风险规定时，可以使用具有时间依赖性风险水平的新的动态程序公式有效地计算RASR中的最佳策略。结果，即使是在无限 - 亨特折扣环境中，最佳的规避风险政策也是确定性但依赖时间的。我们还表明，具有平均后验过渡概率的特定RASR目标减少到规避风险的RL。我们的经验结果表明，我们的新算法始终减轻EVAR和其他标准风险措施衡量的不确定性。

在许多综合设置（例如视频游戏）和GO中，增强学习（RL）超出了人类的绩效。但是，端到端RL模型的现实部署不太常见，因为RL模型对环境的轻微扰动非常敏感。强大的马尔可夫决策过程（MDP）框架（其中的过渡概率属于名义模型设置的不确定性）提供了一种开发健壮模型的方法。虽然先前的分析表明，RL算法是有效的，假设访问生成模型，但尚不清楚RL在更现实的在线设置下是否可以有效，这需要在探索和开发之间取得仔细的平衡。在这项工作中，我们通过与未知的名义系统进行互动来考虑在线强大的MDP。我们提出了一种强大的乐观策略优化算法，该算法可有效。为了解决由对抗性环境引起的其他不确定性，我们的模型具有通过Fenchel Conjugates得出的新的乐观更新规则。我们的分析确定了在线强大MDP的第一个遗憾。

在动态编程（DP）和强化学习（RL）中，代理商学会在通过由Markov决策过程（MDP）建模的环境中顺序交互来实现预期的长期返回。更一般地在分布加强学习（DRL）中，重点是返回的整体分布，而不仅仅是其期望。虽然基于DRL的方法在RL中产生了最先进的性能，但它们涉及尚未充分理解的额外数量（与非分布设置相比）。作为第一个贡献，我们介绍了一类新的分类运营商，以及一个实用的DP算法，用于策略评估，具有强大的MDP解释。实际上，我们的方法通过增强的状态空间重新重新重新重新重新重新格式化，其中每个状态被分成最坏情况的子变量，并且最佳的子变电站，其值分别通过安全和危险的策略最大化。最后，我们派生了分配运营商和DP算法解决了一个新的控制任务：如何区分安全性的最佳动作，以便在最佳政策空间中打破联系？

这项工作开发了具有严格效率的新算法，可确保无限的地平线模仿学习（IL）具有线性函数近似而无需限制性相干假设。我们从问题的最小值开始，然后概述如何从优化中利用经典工具，尤其是近端点方法（PPM）和双平滑性，分别用于在线和离线IL。多亏了PPM，我们避免了在以前的文献中出现在线IL的嵌套政策评估和成本更新。特别是，我们通过优化单个凸的优化和在成本和Q函数上的平稳目标来消除常规交替更新。当不确定地解决时，我们将优化错误与恢复策略的次级优势联系起来。作为额外的奖励，通过将PPM重新解释为双重平滑以专家政策为中心，我们还获得了一个离线IL IL算法，该算法在所需的专家轨迹方面享有理论保证。最后，我们实现了线性和神经网络功能近似的令人信服的经验性能。

强大的马尔可夫决策过程（MDP）用于在不确定环境中的动态优化应用，并已进行了广泛的研究。 MDP的许多主要属性和算法（例如价值迭代和策略迭代）直接扩展到RMDP。令人惊讶的是，没有已知的MDP凸优化公式用于求解RMDP。这项工作描述了在经典的SA截形和S型角假设下RMDP的第一个凸优化公式。我们通过使用熵正则化和变量的指数变化来得出具有线性数量和约束的线性数量的凸公式。我们的公式可以与来自凸优化的有效方法结合使用，以获得以不确定概率求解RMDP的新算法。我们进一步简化了使用多面体不确定性集的RMDP的公式。我们的工作打开了RMDP的新研究方向，可以作为获得RMDP的可拖动凸公式的第一步。

本文涉及离线增强学习（RL）中模型鲁棒性和样本效率的核心问题，该问题旨在学习从没有主动探索的情况下从历史数据中执行决策。由于环境的不确定性和变异性，至关重要的是，学习强大的策略（尽可能少的样本），即使部署的环境偏离用于收集历史记录数据集的名义环境时，该策略也能很好地执行。我们考虑了离线RL的分布稳健公式，重点是标签非平稳的有限摩托稳健的马尔可夫决策过程，其不确定性设置为Kullback-Leibler Divergence。为了与样本稀缺作用，提出了一种基于模型的算法，该算法将分布强劲的价值迭代与面对不确定性时的悲观原理结合在一起，通过对稳健的价值估计值进行惩罚，以精心设计的数据驱动的惩罚项进行惩罚。在对历史数据集的轻度和量身定制的假设下，该数据集测量分布变化而不需要完全覆盖州行动空间，我们建立了所提出算法的有限样本复杂性，进一步表明，鉴于几乎无法改善的情况，匹配信息理论下限至地平线长度的多项式因素。据我们所知，这提供了第一个在模型不确定性和部分覆盖范围内学习的近乎最佳的稳健离线RL算法。

在阻碍强化学习（RL）到现实世界中的问题的原因之一，两个因素至关重要：与培训相比，数据有限和测试环境的不匹配。在本文中，我们试图通过分配强大的离线RL的问题同时解决这些问题。特别是，我们学习了一个从源环境中获得的历史数据，并优化了RL代理，并在扰动的环境中表现良好。此外，我们考虑将算法应用于大规模问题的线性函数近似。我们证明我们的算法可以实现$ O（1/\ sqrt {k}）$的次级临时性，具体取决于线性函数尺寸$ d $，这似乎是在此设置中使用样品复杂性保证的第一个结果。进行了不同的实验以证明我们的理论发现，显示了我们算法与非持bust算法的优越性。

我们研究马尔可夫决策过程（MDP）框架中的离线数据驱动的顺序决策问题。为了提高学习政策的概括性和适应性，我们建议通过一套关于在政策诱导的固定分配所在的分发的一套平均奖励来评估每项政策。给定由某些行为策略生成的多个轨迹的预收集数据集，我们的目标是在预先指定的策略类中学习一个强大的策略，可以最大化此集的最小值。利用半参数统计的理论，我们开发了一种统计上有效的策略学习方法，用于估算DE NED强大的最佳政策。在数据集中的总决策点方面建立了达到对数因子的速率最佳遗憾。

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。

我们提出了一个数据驱动的投资组合选择模型，该模型使用分布稳健优化的框架来整合侧面信息，条件估计和鲁棒性。投资组合经理在观察到的侧面信息上进行条件解决了一个分配问题，该问题可最大程度地减少最坏情况下的风险回收权衡权衡，但要受到最佳运输歧义集中协变量返回概率分布的所有可能扰动。尽管目标函数在概率措施中的非线性性质非线性，但我们表明，具有侧面信息问题的分布稳健的投资组合分配可以作为有限维优化问题进行重新纠正。如果基于均值变化或均值的风险标准做出投资组合的决策，则可以进一步简化所得的重新制定为二阶或半明确锥体程序。美国股票市场的实证研究证明了我们对其他基准的综合框架的优势。

We investigate statistical uncertainty quantification for reinforcement learning (RL) and its implications in exploration policy. Despite ever-growing literature on RL applications, fundamental questions about inference and error quantification, such as large-sample behaviors, appear to remain quite open. In this paper, we fill in the literature gap by studying the central limit theorem behaviors of estimated Q-values and value functions under various RL settings. In particular, we explicitly identify closed-form expressions of the asymptotic variances, which allow us to efficiently construct asymptotically valid confidence regions for key RL quantities. Furthermore, we utilize these asymptotic expressions to design an effective exploration strategy, which we call Q-value-based Optimal Computing Budget Allocation (Q-OCBA). The policy relies on maximizing the relative discrepancies among the Q-value estimates. Numerical experiments show superior performances of our exploration strategy than other benchmark policies.

In many sequential decision-making problems one is interested in minimizing an expected cumulative cost while taking into account risk, i.e., increased awareness of events of small probability and high consequences. Accordingly, the objective of this paper is to present efficient reinforcement learning algorithms for risk-constrained Markov decision processes (MDPs), where risk is represented via a chance constraint or a constraint on the conditional value-at-risk (CVaR) of the cumulative cost. We collectively refer to such problems as percentile risk-constrained MDPs. Specifically, we first derive a formula for computing the gradient of the Lagrangian function for percentile riskconstrained MDPs. Then, we devise policy gradient and actor-critic algorithms that (1) estimate such gradient, (2) update the policy in the descent direction, and (3) update the Lagrange multiplier in the ascent direction. For these algorithms we prove convergence to locally optimal policies. Finally, we demonstrate the effectiveness of our algorithms in an optimal stopping problem and an online marketing application.

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。

强化学习被广泛用于在与环境互动时需要执行顺序决策的应用中。当决策要求包括满足一些安全限制时，问题就变得更加具有挑战性。该问题在数学上是作为约束的马尔可夫决策过程（CMDP）提出的。在文献中，可以通过无模型的方式解决各种算法来解决CMDP问题，以实现$ \ epsilon $ - 最佳的累积奖励，并使用$ \ epsilon $可行的政策。 $ \ epsilon $可行的政策意味着它遭受了违规的限制。这里的一个重要问题是，我们是否可以实现$ \ epsilon $ - 最佳的累积奖励，并违反零约束。为此，我们主张使用随机原始偶对偶方法来解决CMDP问题，并提出保守的随机原始二重算法（CSPDA），该算法（CSPDA）显示出$ \ tilde {\ tilde {\ Mathcal {o}} \ left（1 /\ epsilon^2 \ right）$样本复杂性，以实现$ \ epsilon $ - 最佳累积奖励，违反零约束。在先前的工作中，$ \ epsilon $ - 最佳策略的最佳可用样本复杂性是零约束的策略是$ \ tilde {\ Mathcal {o}}} \ left（1/\ epsilon^5 \ right）$。因此，与最新技术相比，拟议的算法提供了重大改进。

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} $。

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。

我们考虑了具有未知成本函数的大规模马尔可夫决策过程，并解决了从有限一套专家演示学习政策的问题。我们假设学习者不允许与专家互动，并且无法访问任何类型的加固信号。现有的逆钢筋学习方法具有强大的理论保证，但在计算上是昂贵的，而最先进的政策优化算法实现了重大的经验成功，但受到有限的理论理解受到阻碍。为了弥合理论与实践之间的差距，我们使用拉格朗日二元介绍了一种新的Bilinear鞍点框架。所提出的原始双视点允许我们通过随机凸优化的镜头开发出无模型可释放的算法。该方法享有实现，低内存要求和独立于州数量的计算和采样复杂性的优点。我们进一步提出了同等的无悔在线学习解释。