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.

策略梯度方法适用于复杂的，不理解的，通过对参数化的策略进行随机梯度下降来控制问题。不幸的是，即使对于可以通过标准动态编程技术解决的简单控制问题，策略梯度算法也会面临非凸优化问题，并且被广泛理解为仅收敛到固定点。这项工作确定了结构属性 - 通过几个经典控制问题共享 - 确保策略梯度目标函数尽管是非凸面，但没有次优的固定点。当这些条件得到加强时，该目标满足了产生收敛速率的Polyak-lojasiewicz（梯度优势）条件。当其中一些条件放松时，我们还可以在任何固定点的最佳差距上提供界限。

In this work we introduce reinforcement learning techniques for solving lexicographic multi-objective problems. These are problems that involve multiple reward signals, and where the goal is to learn a policy that maximises the first reward signal, and subject to this constraint also maximises the second reward signal, and so on. We present a family of both action-value and policy gradient algorithms that can be used to solve such problems, and prove that they converge to policies that are lexicographically optimal. We evaluate the scalability and performance of these algorithms empirically, demonstrating their practical applicability. As a more specific application, we show how our algorithms can be used to impose safety constraints on the behaviour of an agent, and compare their performance in this context with that of other constrained reinforcement learning algorithms.

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。

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。

政策梯度（PG）算法是备受期待的强化学习对现实世界控制任务（例如机器人技术）的最佳候选人之一。但是，每当必须在物理系统上执行学习过程本身或涉及任何形式的人类计算机相互作用时，这些方法的反复试验性质就会提出安全问题。在本文中，我们解决了一种特定的安全公式，其中目标和危险都以标量奖励信号进行编码，并且学习代理被限制为从不恶化其性能，以衡量为预期的奖励总和。通过从随机优化的角度研究仅行为者的政策梯度，我们为广泛的参数政策建立了改进保证，从而将现有结果推广到高斯政策上。这与策略梯度估计器的差异的新型上限一起，使我们能够识别出具有很高概率的单调改进的元参数计划。两个关键的元参数是参数更新的步长和梯度估计的批处理大小。通过对这些元参数的联合自适应选择，我们获得了具有单调改进保证的政策梯度算法。

在标准数据分析框架中，首先收集数据（全部一次），然后进行数据分析。此外，通常认为数据生成过程是外源性的。当数据分析师对数据的生成方式没有影响时，这种方法是自然的。但是，数字技术的进步使公司促进了从数据中学习并同时做出决策。随着这些决定生成新数据，数据分析师（业务经理或算法）也成为数据生成器。这种相互作用会产生一种新型的偏见 - 增强偏见 - 加剧了静态数据分析中的内生性问题。因果推理技术应该被纳入加强学习中以解决此类问题。

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。

我们开发了一种利用无模型增强学习（RL）解决时间一致风险敏感随机优化问题的方法。具体地，我们假设代理商使用动态凸面风险措施评估一系列随机变量的风险。我们采用时间一致的动态编程原则来确定特定策略的值，并开发策略渐变更新规则。我们进一步开发了一个使用神经网络的演员批评风格算法，以优化策略。最后，我们通过将其应用于统计套利交易和障碍避免机器人控制中的优化问题来证明我们的方法的性能和灵活性。

Reinforcement learning is a framework for interactive decision-making with incentives sequentially revealed across time without a system dynamics model. Due to its scaling to continuous spaces, we focus on policy search where one iteratively improves a parameterized policy with stochastic policy gradient (PG) updates. In tabular Markov Decision Problems (MDPs), under persistent exploration and suitable parameterization, global optimality may be obtained. By contrast, in continuous space, the non-convexity poses a pathological challenge as evidenced by existing convergence results being mostly limited to stationarity or arbitrary local extrema. To close this gap, we step towards persistent exploration in continuous space through policy parameterizations defined by distributions of heavier tails defined by tail-index parameter alpha, which increases the likelihood of jumping in state space. Doing so invalidates smoothness conditions of the score function common to PG. Thus, we establish how the convergence rate to stationarity depends on the policy's tail index alpha, a Holder continuity parameter, integrability conditions, and an exploration tolerance parameter introduced here for the first time. Further, we characterize the dependence of the set of local maxima on the tail index through an exit and transition time analysis of a suitably defined Markov chain, identifying that policies associated with Levy Processes of a heavier tail converge to wider peaks. This phenomenon yields improved stability to perturbations in supervised learning, which we corroborate also manifests in improved performance of policy search, especially when myopic and farsighted incentives are misaligned.

由于数据量增加，金融业的快速变化已经彻底改变了数据处理和数据分析的技术，并带来了新的理论和计算挑战。与古典随机控制理论和解决财务决策问题的其他分析方法相比，解决模型假设的财务决策问题，强化学习（RL）的新发展能够充分利用具有更少模型假设的大量财务数据并改善复杂的金融环境中的决策。该调查纸目的旨在审查最近的资金途径的发展和使用RL方法。我们介绍了马尔可夫决策过程，这是许多常用的RL方法的设置。然后引入各种算法，重点介绍不需要任何模型假设的基于价值和基于策略的方法。连接是用神经网络进行的，以扩展框架以包含深的RL算法。我们的调查通过讨论了这些RL算法在金融中各种决策问题中的应用，包括最佳执行，投资组合优化，期权定价和对冲，市场制作，智能订单路由和Robo-Awaring。

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。

直接政策搜索作为现代强化学习（RL）的工作人员之一，其在连续控制任务中的应用最近引起了不断的关注。在这项工作中，我们研究了用于学习线性风险敏感和鲁棒控制器的政策梯度（PG）方法的收敛理论。特别地，我们开发PG方法，可以通过采样系统轨迹以无衍生方式实现，并建立全球收敛性和样本复杂性，这导致风险敏感和强大控制中的两个基本环境的解决方案：有限地平线线性指数二次高斯，以及有限地平线线性二次干扰衰减问题。作为副产品，我们的结果还为解决零和线性二次动态游戏的PG方法的全局融合提供了第一种样本复杂性，这是一种非透明的极限优化问题，该问题用作多功能钢筋中的基线设置学习（Marl）与连续空间。我们的算法的一个特征是在学习阶段，保留了一定程度的控制器的鲁棒性/风险敏感性，因此我们被称为隐式正则化属性，并且是安全关键控制系统的基本要求。

我们考虑一个不当的强化学习设置，在该设置中，为学习者提供了$ M $的基本控制器，以进行未知的马尔可夫决策过程，并希望最佳地结合它们，以生产一个可能胜过每个基本基础的控制器。这对于在不匹配或模拟环境中学习的跨控制器进行调整可能很有用，可以为给定的目标环境获得良好的控制器，而试验相对较少。在此方面，我们提出了两种算法：（1）一种基于政策梯度的方法； （2）可以根据可用信息在基于简单的参与者（AC）方案和天然参与者（NAC）方案之间切换的算法。两种算法都在给定控制器的一类不当混合物上运行。对于第一种情况，我们得出融合率保证，假设访问梯度甲骨文。对于基于AC的方法，我们提供了基本AC案例中的固定点的收敛速率保证，并在NAC情况下为全球最优值提供了保证。 （i）稳定卡特柱的标准控制理论基准的数值结果； （ii）一个受约束的排队任务表明，即使可以使用的基本策略不稳定，我们的不当政策优化算法也可以稳定系统。

学习来自数据样本的给定策略的价值函数是强化学习中的重要问题。TD（$ \ lambda $）是一个流行的算法，可以解决这个问题。但是，分配给不同$ n $ -step的权重在参数$ \ lambda $控制的TD（$ \ lambda $）中返回，随着$ n $的增加，呈指数级增长。在本文中，我们展示了一个$ \ lambda $ -schedule程序，将TD（$ \ lambda $）算法概括为参数$ \ lambda $的情况随时间步骤而异。这允许通过选择序列$ \ {\ lambda_t \} $ \ {t \ geq 1} $来指定重量分配中的灵活性，即，用户可以指定分配给不同$ n $ -step返回的权重。基于此过程，我们提出了一个on-police算法 - TD（$ \ lambda $） - 计划和两个offoly almorithms - gtd（$ \ lambda $） - 计划和tdc（$ \ lambda $） - 计划，分别。我们提供了一般马尔可夫噪声框架下所有三种算法的几乎肯定融合的证据。

政策梯度定理（Sutton等，2000）规定了目标政策下的累积折扣国家分配以近似梯度。实际上，基于该定理的大多数算法都打破了这一假设，引入了分布转移，该分配转移可能导致逆转溶液的收敛性。在本文中，我们提出了一种新的方法，可以从开始状态重建政策梯度，而无需采取特定的采样策略。可以根据梯度评论家来简化此形式的策略梯度计算，由于梯度的新钟声方程式，可以递归估算。通过使用来自差异数据流的梯度评论家的时间差异更新，我们开发了第一个以无模型方式避开分布变化问题的估计器。我们证明，在某些可实现的条件下，无论采样策略如何，我们的估计器都是公正的。我们从经验上表明，我们的技术在存在非政策样品的情况下实现了卓越的偏见变化权衡和性能。

在这项工作中，我们研究了解决强化学习问题的基于政策的方法，其中采用了非政策性采样和线性函数近似进行政策评估，以及包括自然政策梯度（NPG）在内的各种政策更新规则，用于政策更新。为了在致命三合会的存在下解决政策评估子问题，我们提出了一个通用算法的多步型TD学习框架，具有广义的重要性抽样比率，其中包括两个特定的算法：$ \ lambda $ Q Q $ Q Q $ - 跟踪和双面$ Q $ - 跟踪。通用算法是单个时间尺度，具有可证明的有限样本保证，并克服了非政策学习中的高方差问题。至于策略更新，我们仅使用Bellman操作员的收缩属性和单调性属性提供通用分析，以在各种策略更新规则下建立几何融合。重要的是，通过将NPG视为实施政策迭代的近似方法，我们在不引入正则化的情况下建立了NPG的几何融合，并且不使用现有文献中的镜像下降类型的分析类型。将策略更新的几何融合与策略评估的有限样本分析相结合，我们首次建立了整​​体$ \ Mathcal {o}（\ Epsilon^{ - 2}）$样本复杂性以找到最佳策略（最多达到函数近似误差）使用基于策略的方法和线性函数近似下的基于策略的方法。

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.

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.

为了在许多因素动态影响输出轨迹的复杂随机系统上学习，希望有效利用从以前迭代中收集的历史样本中的信息来加速策略优化。经典的经验重播使代理商可以通过重复使用历史观察来记住。但是，处理所有观察结果的统一重复使用策略均忽略了不同样本的相对重要性。为了克服这一限制，我们提出了一个基于一般差异的经验重播（VRER）框架，该框架可以选择性地重复使用最相关的样本以改善策略梯度估计。这种选择性机制可以自适应地对过去的样品增加重量，这些样本更可能由当前目标分布产生。我们的理论和实证研究表明，提议的VRER可以加速学习最佳政策，并增强最先进的政策优化方法的性能。