We study the concentration phenomenon for discrete-time random dynamical systems with an unbounded state space. We develop a heuristic approach towards obtaining exponential concentration inequalities for dynamical systems using an entirely functional analytic framework. We also show that existence of exponential-type Lyapunov function, compared to the purely deterministic setting, not only implies stability but also exponential concentration inequalities for sampling from the stationary distribution, via \emph{transport-entropy inequality} (T-E). These results have significant impact in \emph{reinforcement learning} (RL) and \emph{controls}, leading to exponential concentration inequalities even for unbounded observables, while neither assuming reversibility nor exact knowledge of random dynamical system (assumptions at heart of concentration inequalities in statistical mechanics and Markov diffusion processes).

Via operator theoretic methods, we formalize the concentration phenomenon for a given observable `$r$' of a discrete time Markov chain with `$\mu_{\pi}$' as invariant ergodic measure, possibly having support on an unbounded state space. The main contribution of this paper is circumventing tedious probabilistic methods with a study of a composition of the Markov transition operator $P$ followed by a multiplication operator defined by $e^{r}$. It turns out that even if the observable/ reward function is unbounded, but for some for some $q>2$, $\|e^{r}\|_{q \rightarrow 2} \propto \exp\big(\mu_{\pi}(r) +\frac{2q}{q-2}\big) $ and $P$ is hyperbounded with norm control $\|P\|_{2 \rightarrow q }< e^{\frac{1}{2}[\frac{1}{2}-\frac{1}{q}]}$, sharp non-asymptotic concentration bounds follow. \emph{Transport-entropy} inequality ensures the aforementioned upper bound on multiplication operator for all $q>2$. The role of \emph{reversibility} in concentration phenomenon is demystified. These results are particularly useful for the reinforcement learning and controls communities as they allow for concentration inequalities w.r.t standard unbounded obersvables/reward functions where exact knowledge of the system is not available, let alone the reversibility of stationary measure.

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）。

我们在具有Martingale差异噪声的可实现的时间序列框架中学习正方形损失。我们的主要结果是一个快速率的多余风险结合，这表明每当轨迹超收缩条件成立时，依赖数据的最小二乘估计器的风险与燃烧时间后的IID速率订单匹配。相比之下，从依赖数据中学习的许多现有结果都具有有效的样本量，即使在燃烧时间之后，有效的样本量也被基础过程的混合时间降低。此外，我们的结果允许协变量过程表现出远距离相关性，这些相关性大大弱于几何牙齿。我们将这种现象学习称为几乎没有混合的方式，并为其示出了几个示例：$ l^2 $和$ l^{2+\ epsilon} $ norms的有界函数类是等效的，有限的有限态Markov链，各种参数模型，以及一个无限尺寸$ \ ell^2（\ mathbb {n}）$椭圆形的广阔家族。通过将我们的主要结果实例化，以使用广义线性模型过渡对非线性动力学的系统识别，我们仅在多项式燃烧时间后获得了几乎最小的最佳超量风险。

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。

We study the uniform-in-time propagation of chaos for mean field Langevin dynamics with convex mean field potenital. Convergences in both Wasserstein-$2$ distance and relative entropy are established. We do not require the mean field potenital functional to bear either small mean field interaction or displacement convexity, which are common constraints in the literature. In particular, it allows us to study the efficiency of the noisy gradient descent algorithm for training two-layer neural networks.

我们证明了连续和离散时间添加功能的浓度不平等和相关的PAC界限，用于可能是多元，不可逆扩散过程的无界函数。我们的分析依赖于通过泊松方程的方法，使我们能够考虑一系列非常广泛的指数性千古过程。这些结果增加了现有的浓度不平等，用于扩散过程的加性功能，这些功能仅适用于有界函数或从明显较小的类别中的过程的无限函数。我们通过两个截然不同的区域的例子来证明这些指数不平等的力量。考虑到在稀疏性约束下可能具有高维参数非线性漂移模型，我们应用连续的时间浓度结果来验证套索估计的受限特征值条件，这对于甲骨文不平等的推导至关重要。离散添加功能的结果用于研究未经调整的Langevin MCMC算法，用于采样中等重尾密度$ \ pi $。特别是，我们为多项式增长功能$ f $的样品蒙特卡洛估计量$ \ pi（f）提供PAC边界，以量化足够的样本和阶梯尺寸，以在规定的边距内近似具有很高的可能性。

我们考虑在离散时间非线性随机控制系统中正式验证几乎核实（A.S.）渐近稳定性的问题。在文献中广泛研究确定性控制系统中的验证稳定性，验证随机控制系统中的验证稳定性是一个开放的问题。本主题的少数现有的作品只考虑专门的瞬间形式，或对系统进行限制性假设，使其无法与神经网络策略的学习算法不适用。在这项工作中，我们提出了一种具有两种新颖方面的一般非线性随机控制问题的方法：（a）Lyapunov函数的经典随机扩展，我们使用排名超大地区（RSMS）来证明〜渐近稳定性，以及（B）我们提出一种学习神经网络RSM的方法。我们证明我们的方法保证了系统的渐近稳定性，并提供了第一种方法来获得稳定时间的界限，其中随机Lyapunov功能不。最后，我们在通过神经网络政策的一套非线性随机强化学习环境上通过实验验证我们的方法。

我们调查了一定类别的功能不等式，称为弱Poincar的不等式，以使Markov链的收敛性与均衡相结合。我们表明，这使得SubGoom测量收敛界的直接和透明的推导出用于独立的Metropolis - Hastings采样器和用于棘手似然性的伪边缘方法，后者在许多实际设置中是子表芯。这些结果依赖于马尔可夫链之间的新量化比较定理。相关证据比依赖于漂移/较小化条件的证据更简单，并且所开发的工具允许我们恢复并进一步延长特定情况的已知结果。我们能够为伪边缘算法的实际使用提供新的见解，分析平均近似贝叶斯计算（ABC）的效果以及独立平均值的产品，以及研究与之相关的逻辑重量的情况粒子边缘大都市 - 黑斯廷斯（PMMH）。

We study representation learning for efficient imitation learning over linear systems. In particular, we consider a setting where learning is split into two phases: (a) a pre-training step where a shared $k$-dimensional representation is learned from $H$ source policies, and (b) a target policy fine-tuning step where the learned representation is used to parameterize the policy class. We find that the imitation gap over trajectories generated by the learned target policy is bounded by $\tilde{O}\left( \frac{k n_x}{HN_{\mathrm{shared}}} + \frac{k n_u}{N_{\mathrm{target}}}\right)$, where $n_x > k$ is the state dimension, $n_u$ is the input dimension, $N_{\mathrm{shared}}$ denotes the total amount of data collected for each policy during representation learning, and $N_{\mathrm{target}}$ is the amount of target task data. This result formalizes the intuition that aggregating data across related tasks to learn a representation can significantly improve the sample efficiency of learning a target task. The trends suggested by this bound are corroborated in simulation.

我们考虑由非线性状态等式$ H_ {T + 1} = \ phi（h_t，u_t; \ theta）+ w_t $ toy的稳定系统的问题问题。在这里$ \ theta $是未知的系统动态，$ h_t $是状态，$ u_t $是输入，$ w_t $是附加噪音矢量。我们研究了基于梯度的算法，以了解从单个有限轨迹所获得的样本的系统动态$ \ theta $。如果系统通过稳定输入策略运行，我们表明可以通过I.i.d近似时间依赖的样本。使用混合时间参数通过截断参数示例。然后，我们为经验损失梯度的均匀收敛性开发新的保证。与现有的工作不同，我们的界限是噪声敏感，允许高精度和小样本复杂度学习地面真实动态。我们的结果在一起，促进了稳定政策下的一般非线性系统的高效学习。我们专注于进入明智的非线性激活的保证，并在各种数值实验中验证我们的理论

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.

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.

我们研究了有限空间中值的静止随机过程的最佳运输。为了反映潜在流程的实向性，我们限制了对固定联轴器的关注，也称为联系。由此产生的最佳连接问题捕获感兴趣过程的长期平均行为的差异。我们介绍了最优联接的估算和最佳的加入成本，我们建立了温和条件下估算器的一致性。此外，在更强的混合假设下，我们为估计的最佳连接成本建立有限样本误差速率，其延伸了IID案件中的最佳已知结果。最后，我们将一致性和速率分析扩展到最佳加入问题的熵惩罚版本。

A canonical algorithm for log-concave sampling is the Langevin Algorithm, aka the Langevin Diffusion run with some discretization stepsize $\eta > 0$. This discretization leads the Langevin Algorithm to have a stationary distribution $\pi_{\eta}$ which differs from the stationary distribution $\pi$ of the Langevin Diffusion, and it is an important challenge to understand whether the well-known properties of $\pi$ extend to $\pi_{\eta}$. In particular, while concentration properties such as isoperimetry and rapidly decaying tails are classically known for $\pi$, the analogous properties for $\pi_{\eta}$ are open questions with direct algorithmic implications. This note provides a first step in this direction by establishing concentration results for $\pi_{\eta}$ that mirror classical results for $\pi$. Specifically, we show that for any nontrivial stepsize $\eta > 0$, $\pi_{\eta}$ is sub-exponential (respectively, sub-Gaussian) when the potential is convex (respectively, strongly convex). Moreover, the concentration bounds we show are essentially tight. Key to our analysis is the use of a rotation-invariant moment generating function (aka Bessel function) to study the stationary dynamics of the Langevin Algorithm. This technique may be of independent interest because it enables directly analyzing the discrete-time stationary distribution $\pi_{\eta}$ without going through the continuous-time stationary distribution $\pi$ as an intermediary.

我们为随机梯度Langevin动态（SGLD）建立了泛化误差界，在耗散度和平滑度的假设下，在采样/优化文献中得到了增加的环境。与非凸面设置中的SGLD的现有范围不同，由于样本大小的增加，我们的SGLD与SGL的界限不同，并且随着样本量的增加而衰减至零。利用均匀稳定性框架，我们通过利用Langevin扩散的Wasserstein收缩属性来建立无关的界限，这也允许我们规避需要使用LipsChitz的假设来绑定渐变的渐变。我们的分析还支持使用不同离散化方法的SGLD的变体，包括欧几里德投影，或使用非各向同性噪声。

我们提出了一种统一的技术，用于顺序估计分布之间的凸面分歧，包括内核最大差异等积分概率度量，$ \ varphi $ - 像Kullback-Leibler发散，以及最佳运输成本，例如Wassersein距离的权力。这是通过观察到经验凸起分歧（部分有序）反向半角分离的实现来实现的，而可交换过滤耦合，其具有这些方法的最大不等式。这些技术似乎是对置信度序列和凸分流的现有文献的互补和强大的补充。我们构建一个离线到顺序设备，将各种现有的离线浓度不等式转换为可以连续监测的时间均匀置信序列，在任意停止时间提供有效的测试或置信区间。得到的顺序边界仅在相应的固定时间范围内支付迭代对数价格，保留对问题参数的相同依赖性（如适用的尺寸或字母大小）。这些结果也适用于更一般的凸起功能，如负差分熵，实证过程的高度和V型统计。

连续数据的优化问题出现在，例如强大的机器学习，功能数据分析和变分推理。这里，目标函数被给出为一个（连续）索引目标函数的系列 - 相对于概率测量集成的族聚集。这些问题通常可以通过随机优化方法解决：在随机切换指标执行关于索引目标函数的优化步骤。在这项工作中，我们研究了随机梯度下降算法的连续时间变量，以进行连续数据的优化问题。该所谓的随机梯度过程包括最小化耦合与确定索引的连续时间索引过程的索引目标函数的梯度流程。索引过程是例如，反射扩散，纯跳跃过程或紧凑空间上的其他L evy过程。因此，我们研究了用于连续数据空间的多种采样模式，并允许在算法的运行时进行模拟或流式流的数据。我们分析了随机梯度过程的近似性质，并在恒定下进行了长时间行为和遍历的学习率。我们以噪声功能数据的多项式回归问题以及物理知识的神经网络在多项式回归问题中结束了随机梯度过程的适用性。

非线性自适应控制理论中的一个关键假设是系统的不确定性可以在一组已知基本函数的线性跨度中表示。虽然该假设导致有效的算法，但它将应用限制为非常特定的系统类别。我们介绍一种新的非参数自适应算法，其在参数上学习无限尺寸密度，以取消再现内核希尔伯特空间中的未知干扰。令人惊讶的是，所产生的控制输入承认，尽管其底层无限尺寸结构，但是尽管它的潜在无限尺寸结构实现了其实施的分析表达。虽然这种自适应输入具有丰富和富有敏感性的 - 例如，传统的线性参数化 - 其计算复杂性随时间线性增长，使其比其参数对应力相对较高。利用随机傅里叶特征的理论，我们提供了一种有效的随机实现，该实现恢复了经典参数方法的复杂性，同时可透明地保留非参数输入的表征性。特别地，我们的显式范围仅取决于系统的基础参数，允许我们所提出的算法有效地缩放到高维系统。作为该方法的说明，我们展示了随机近似算法学习由牛顿重力交互的十点批量组成的60维系统的预测模型的能力。

深度学习的概括分析通常假定训练会收敛到固定点。但是，最近的结果表明，实际上，用随机梯度下降优化的深神经网络的权重通常无限期振荡。为了减少理论和实践之间的这种差异，本文着重于神经网络的概括，其训练动力不一定会融合到固定点。我们的主要贡献是提出一个统计算法稳定性（SAS）的概念，该算法将经典算法稳定性扩展到非convergergent算法并研究其与泛化的联系。与传统的优化和学习理论观点相比，这种崇高的理论方法可导致新的见解。我们证明，学习算法的时间复杂行为的稳定性与其泛化有关，并在经验上证明了损失动力学如何为概括性能提供线索。我们的发现提供了证据表明，即使训练无限期继续并且权重也不会融合，即使训练持续进行训练，训练更好地概括”的网络也是如此。