In large-scale machine learning, recent works have studied the effects of compressing gradients in stochastic optimization in order to alleviate the communication bottleneck. These works have collectively revealed that stochastic gradient descent (SGD) is robust to structured perturbations such as quantization, sparsification, and delays. Perhaps surprisingly, despite the surge of interest in large-scale, multi-agent reinforcement learning, almost nothing is known about the analogous question: Are common reinforcement learning (RL) algorithms also robust to similar perturbations? In this paper, we investigate this question by studying a variant of the classical temporal difference (TD) learning algorithm with a perturbed update direction, where a general compression operator is used to model the perturbation. Our main technical contribution is to show that compressed TD algorithms, coupled with an error-feedback mechanism used widely in optimization, exhibit the same non-asymptotic theoretical guarantees as their SGD counterparts. We then extend our results significantly to nonlinear stochastic approximation algorithms and multi-agent settings. In particular, we prove that for multi-agent TD learning, one can achieve linear convergence speedups in the number of agents while communicating just $\tilde{O}(1)$ bits per agent at each time step. Our work is the first to provide finite-time results in RL that account for general compression operators and error-feedback in tandem with linear function approximation and Markovian sampling. Our analysis hinges on studying the drift of a novel Lyapunov function that captures the dynamics of a memory variable introduced by error feedback.

我们研究了线性函数近似的政策评估问题，并且目前具有强烈的最优性保证的高效实用算法。我们首先通过证明在这个问题中建立基线的下限来建立基线和随机错误。特别是，我们在与转换内核的静止分布相关联的实例相关规范中证明了Oracle复杂性下限，并使用本地渐近最低限度机械在随机误差中证明依赖于随机误差的实例相关的下限IID观察模型。现有算法未能匹配这些下限中的至少一个：为了说明，我们分析了时间差异学习的方差减少变体，特别是它未能实现Oracle复杂性下限。为了解决这个问题，我们开发了加速，方差减少的快速时间差算法（VRFTD），其同时匹配两个下限，并达到实例 - 最优性的强烈概念。最后，我们将VRFTD算法扩展到Markovian观察的设置，并提供与I.I.D中的实例相关的收敛结果。设置到与链条的混合时间成比例的乘法因子。我们的理论保证最佳的最佳保证是通过数值实验证实的。

由于众所周知，强化学习算法是数据密集型的，因此从环境中进行采样观测的任务通常在多个代理之间分配。但是，将这些观察结果从代理转移到中心位置可能会非常昂贵，并且还可以损害每个代理人本地行为政策的隐私。在本文中，我们考虑了一个联合加强学习框架，其中多个代理商协作学习了一个全球模型，而无需共享他们的个人数据和政策。每个代理都维护模型的本地副本，并使用本地采样数据对其进行更新。尽管具有n个代理可以启用n次数据的采样，但尚不清楚它是否导致比例收敛的加速。我们提出了联合版本的On-Policy TD，Off-Policy TD和Q学习，并分析其收敛性。对于所有这些算法，据我们所知，我们是第一个考虑马尔可夫噪声和多个局部更新的人，并证明相对于代理的数量是线性收敛的速度。为了获得这些结果，我们表明联邦TD和Q学习是与马尔可夫噪声联合随机近似的一般框架的特殊情况，并且我们利用该框架提供了适用于所有算法的统一收敛分析。

我们研究了随机近似程序，以便基于观察来自ergodic Markov链的长度$ n $的轨迹来求近求解$ d -dimension的线性固定点方程。我们首先表现出$ t _ {\ mathrm {mix}} \ tfrac {n}} \ tfrac {n}} \ tfrac {d}} \ tfrac {d} {n} $的非渐近性界限。$ t _ {\ mathrm {mix $是混合时间。然后，我们证明了一种在适当平均迭代序列上的非渐近实例依赖性，具有匹配局部渐近最小的限制的领先术语，包括对参数$的敏锐依赖（d，t _ {\ mathrm {mix}}） $以高阶术语。我们将这些上限与非渐近Minimax的下限补充，该下限是建立平均SA估计器的实例 - 最优性。我们通过Markov噪声的政策评估导出了这些结果的推导 - 覆盖了所有$ \ lambda \中的TD（$ \ lambda $）算法，以便[0,1）$ - 和线性自回归模型。我们的实例依赖性表征为HyperParameter调整的细粒度模型选择程序的设计开放了门（例如，在运行TD（$ \ Lambda $）算法时选择$ \ lambda $的值）。

我们研究了随机近似的分散变体，这是一种数据驱动的方法，用于在嘈杂的测量中找到操作员的根。一个具有自己的操作员和数据观察的代理网络，合作地通过分散的通信图找到了聚合操作员的固定点。我们的主要贡献是在从马尔可夫过程中采样时在每个代理下观察到的数据时，对这种分散的随机近似方法提供有限的时间分析；这种缺乏独立性使迭代率偏向和（可能）无限。在相当标准的假设下，我们表明所提出方法的收敛速率与样本是独立的基本相同，仅由对数因子的差异而不同，该对数因素是说明了马尔可夫过程的混合时间。我们的分析中的关键思想是引入一种新型的Razumikhin-Lyapunov函数，该功能是由用于分析延迟普通微分方程的稳定性的一种动机。我们还讨论了拟议方法在多代理系统中许多有趣的学习问题上的应用。

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.

Q学习长期以来一直是最受欢迎的强化学习算法之一，几十年来，Q学习的理论分析一直是一个活跃的研究主题。尽管对Q-学习的渐近收敛分析的研究具有悠久的传统，但非肿瘤收敛性直到最近才受到积极研究。本文的主要目的是通过控制系统的观点研究马尔可夫观察模型下异步Q学习的新有限时间分析。特别是，我们引入了Q学习的离散时间变化的开关系统模型，并减少了分析的步骤尺寸，这显着改善了使用恒定步骤尺寸的开关系统分析的最新开发，并导致\（\（\）（\） Mathcal {o} \ left（\ sqrt {\ frac {\ log k} {k}}} \ right）\）\）\）\）\）\）\）\）与大多数艺术状态相当或更好。同时，新应用了使用类似转换的技术，以避免通过减小的步骤尺寸提出的分析中的难度。提出的分析带来了其他见解，涵盖了不同的方案，并提供了新的简化模板，以通过其独特的连接与离散时间切换系统的独特联系来加深我们对Q学习的理解。

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。

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。

我们研究了多智能经纪增强学习的政策评估问题，其中一组代理商，共同观察到的国家和私人本地行动和奖励，协作，以通过连接的无向网络通过本地计算和通信学习给定策略的价值函数。各种大型多种代理系统中出现此问题，包括电网，智能交通系统，无线传感器网络和多代理机器人。当状态动作空间的尺寸大时，广泛使用具有线性函数近似的时间差异学习。在本文中，我们开发了一种新的分布式时间差异学习算法，量化其有限时间性能。我们的算法将分布式随机原始方法与基于同型的方法进行了自适应调整学习率的方法，以便通过从因果导轨轨迹中采用新鲜的在线样本来最小化平均投影的Bellman误差。我们明确考虑了采样的Markovian性质，并改善了从$ O（1 / \ sqrt {t}）$到〜$ o（1 / t）$的最佳已知的有限时间误差，其中$ t $迭代的总数。

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。

我们在具有代理网络的环境中研究强化学习（RL），其状态和行动以当地的方式交互，其中目标是找到本地化策略，以便最大化（折扣）全局奖励。此设置中的一个根本挑战是状态 - 行动空间大小在代理的数量中呈指数级级别，呈现大网络难以解决的问题。在本文中，我们提出了一个可扩展的演员评论家（SAC）框架，用于利用网络结构并找到一个$ O（\ Rho ^ {\ Kappa}）$ - 近似于某些目标的静止点的近似$ \ rho \ in（0,1）$，复杂性，与网络最大的$ \ kappa $-hop邻居的本地状态动作空间大小缩放。我们使用无线通信，流行和流量的示例说明了我们的模型和方法。

我们研究了在随机代理网络中的多功能加固学习（MARL）。目标是找到最大化（折扣）全球奖励的本地化政策。通常，可扩展性在此设置中是一个挑战，因为全局状态/动作空间的大小可以是代理的数量的指数。在依赖性是静态，固定和局部，例如，在固定的，时不变的底层图形的邻居之间，才知道可扩展算法。在这项工作中，我们提出了一个可扩展的演员评论家框架，适用于依赖关系可以是非本地和随机的设置，并提供有限误差绑定，显示了收敛速度如何取决于网络中的信息速度。另外，作为我们分析的副产物，我们获得了一般随机近似方案的新型有限时间收敛结果，以及具有状态聚合的时间差异学习，其超出了网络系统中的Marl的设置。

这项工作审查了旨在在通信约束下运行的自适应分布式学习策略。我们考虑一个代理网络，必须从持续观察流数据来解决在线优化问题。代理商实施了分布式合作策略，其中允许每个代理商与其邻居执行本地信息交换。为了应对通信约束，必须不可避免地压缩交换信息。我们提出了一种扩散策略，昵称为ACTC（适应 - 压缩 - 然后组合），其依赖于以下步骤：i）每个代理执行具有恒定步长大小的单独随机梯度更新的适应步骤; ii）一种压缩步骤，它利用最近引入的随机压缩操作员;和III）每个代理组合从其邻居接收的压缩更新的组合步骤。这项工作的区别要素如下。首先，我们专注于自适应策略，其中常数（而不是递减）阶梯大小对于实时响应非间断变化至关重要。其次，我们考虑一般的指导图表和左随机组合政策，使我们能够增强拓扑和学习之间的相互作用。第三，与对所有个人代理的成本职能承担强大的凸起的相关作品相比，我们只需要在网络水平的强大凸起，即使单个代理具有强凸的成本，剩余的代理商也不满足凸起成本。第四，我们专注于扩散（而不是共识）战略。在压缩信息的苛刻设置下，建立ACTC迭代在所需的优化器周围波动，在相邻代理之间交换的比特方面取得了显着的节省。

We study non-parametric estimation of the value function of an infinite-horizon $\gamma$-discounted Markov reward process (MRP) using observations from a single trajectory. We provide non-asymptotic guarantees for a general family of kernel-based multi-step temporal difference (TD) estimates, including canonical $K$-step look-ahead TD for $K = 1, 2, \ldots$ and the TD$(\lambda)$ family for $\lambda \in [0,1)$ as special cases. Our bounds capture its dependence on Bellman fluctuations, mixing time of the Markov chain, any mis-specification in the model, as well as the choice of weight function defining the estimator itself, and reveal some delicate interactions between mixing time and model mis-specification. For a given TD method applied to a well-specified model, its statistical error under trajectory data is similar to that of i.i.d. sample transition pairs, whereas under mis-specification, temporal dependence in data inflates the statistical error. However, any such deterioration can be mitigated by increased look-ahead. We complement our upper bounds by proving minimax lower bounds that establish optimality of TD-based methods with appropriately chosen look-ahead and weighting, and reveal some fundamental differences between value function estimation and ordinary non-parametric regression.

我们介绍了一个框架 - Artemis-，以解决分布式或联合设置中的学习问题，并具有通信约束和设备部分参与。几位工人（随机抽样）使用中央服务器执行优化过程来汇总其计算。为了减轻通信成本，Artemis允许在两个方向上（从工人到服务器，相反）将发送的信息与内存机制相结合。它改进了仅考虑单向压缩（对服务器）的现有算法，或在压缩操作员上使用非常强大的假设，并且通常不考虑设备的部分参与。我们在非I.I.D中的随机梯度（仅在最佳点界定的噪声方差）提供了快速的收敛速率（线性最高到阈值）。设置，突出显示内存对单向和双向压缩的影响，分析Polyak-Ruppert平均。我们在分布中使用收敛性，以获得渐近方差的下限，该方差突出了实际的压缩极限。我们提出了两种方法，以解决设备部分参与的具有挑战性的案例，并提供实验结果以证明我们的分析有效性。

随机近似算法是一种广泛使用的概率方法，用于查找矢量值构造的零，仅当函数的嘈杂测量值可用时。在迄今为止的文献中，可以区分“同步”更新，从而每次更新当前猜测的每个组件，以及'“同步”更新，从而更新一个组件。原则上，也可以在每次瞬间更新一些但不是全部的$ \ theta_t $的组件，这些组件可能被称为“批处理异步随机近似”（BASA）。另外，还可以在使用“本地”时钟与“全局”时钟之间有所区别。在本文中，我们提出了一种统一的配方异步随机近似（BASA）算法，并开发了一种通用方法，以证明这种算法会融合，而与使用是否使用了全球或本地时钟。这些融合证明利用了比现有结果较弱的假设。例如：当使用本地时钟时，现有的收敛证明要求测量噪声是I.I.D序列。在这里，假定测量误差形成了martingale差异序列。同样，迄今为止的所有结果都假设随机步骤大小满足了罗宾斯 - 单月条件的概率类似物。我们通过基础马尔可夫流程的不可约性的纯粹确定性条件代替了这一点。作为加固学习的特定应用，我们介绍了时间差算法$ td（0）$的``批次''版本，以进行价值迭代，以及$ q $ - 学习算法，以查找最佳操作值函数，还允许使用本地时钟而不是全局时钟。在所有情况下，我们在温和的条件下都比现有文献建立了这些算法的融合。

在多代理加固学习（MARL）中，多个代理商与普通环境相互作用，也与彼此相互作用，以解决连续决策中的共同问题。它在博彩，机器人，金融等中具有广泛的应用。在这项工作中，我们推导了一种在Marl中有用的分布式非线性随机近似方案的迭代对数的新规定。特别是，我们的结果描述了几乎每个样本路径上的收敛速度，其中算法会聚。这一结果是其分布式设置中的第一类，并提供比现有的更深层次的见解，它只讨论预期的收敛率或CLT感觉。重要的是，我们的结果在显着较弱的假设下保持：八卦矩阵都不需要是双随机的，也不是Spandsize Scalual。作为一个应用程序，我们表明，对于使用$ \ gamma \ In（0,1）中的步骤中的Spectize $ n ^ { - \ gamma} $，其中具有线性函数近似的分布式Td（0）算法具有$的收敛速度o（\ sqrt {n ^ { - \ gamma} \ ln n}）$ as;对于$ 1 / n $类型的步骤，同样是$ o（\ sqrt {n ^ { - 1} \ ln \ ln n}）$ a ..这些衰减率不依赖于描绘不同剂中相互作用的图表。

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。

我们研究了Adagrad-norm的收敛速率，作为自适应随机梯度方法（SGD）的典范，其中，基于观察到的随机梯度的步骤大小变化，以最大程度地减少非凸，平稳的目标。尽管它们很受欢迎，但在这种情况下，对自适应SGD的分析滞后于非自适应方法。具体而言，所有先前的作品都依赖以下假设的某个子集：（i）统一结合的梯度规范，（ii）均匀遇到的随机梯度方差（甚至噪声支持），（iii）步骤大小和随机性之间的有条件独立性坡度。在这项工作中，我们表明Adagrad-norm表现出$ \ Mathcal {O} \ left（\ frac {\ mathrm {poly} \ log（t）} {\ sqrt {\ sqrt {t}}} \ right）的订单最佳收敛率$在$ t $迭代之后，在与最佳调整的非自适应SGD（无界梯度规范和仿射噪声方差缩放）相同的假设下进行了$，而无需任何调整参数。因此，我们确定自适应梯度方法在比以前了解的更广泛的方案中表现出最佳的融合。