我们研究了线性函数近似的强化学习（RL）。此问题的现有算法仅具有高概率遗憾和/或可能大致正确（PAC）样本复杂性保证，这不能保证对最佳政策的趋同。在本文中，为了克服现有算法的限制，我们提出了一种新的算法，称为长笛，它享有统一-PAC收敛到具有高概率的最佳政策。统一-PAC保证是文献中强化学习的最强烈保证，它可以直接意味着PAC和高概率遗憾，使我们的算法优于具有线性函数近似的所有现有算法。在我们的算法的核心，是一种新颖的最小值函数估计器和多级别分区方案，以从历史观察中选择训练样本。这两种技术都是新的和独立的兴趣。

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.

我们研究了基于模型的无奖励加强学习，具有ePiSodic Markov决策过程的线性函数近似（MDP）。在此设置中，代理在两个阶段工作。在勘探阶段，代理商与环境相互作用并在没有奖励的情况下收集样品。在规划阶段，代理商给出了特定的奖励功能，并使用从勘探阶段收集的样品来学习良好的政策。我们提出了一种新的可直接有效的算法，称为UCRL-RFE在线性混合MDP假设，其中MDP的转换概率内核可以通过线性函数参数化，在状态，动作和下一个状态的三联体上定义的某些特征映射上参数化。我们展示了获得$ \ epsilon $-Optimal策略进行任意奖励函数，Ucrl-RFE需要以大多数$ \ tilde {\ mathcal {o}}来进行采样（h ^ 5d ^ 2 \ epsilon ^ { - 2}）勘探阶段期间的$派对。在这里，$ H $是集的长度，$ d $是特征映射的尺寸。我们还使用Bernstein型奖金提出了一种UCRL-RFE的变种，并表明它需要在大多数$ \ TINDE {\ MATHCAL {o}}（H ^ 4D（H + D）\ epsilon ^ { - 2}）进行样本$达到$ \ epsilon $ -optimal政策。通过构建特殊类的线性混合MDPS，我们还证明了对于任何无奖励算法，它需要至少为$ \ TINDE \ OMEGA（H ^ 2d \ epsilon ^ { - 2}）$剧集来获取$ \ epsilon $ -optimal政策。我们的上限与依赖于$ \ epsilon $的依赖性和$ d $ if $ h \ ge d $。

在表格设置下，我们研究了折扣马尔可夫决策过程（MDP）的强化学习问题。我们提出了一种名为UCBVI - $ \ Gamma $的基于模型的算法，该算法基于\ emph {面对不确定原理}和伯尔斯坦型奖金的乐观。我们展示了UCBVI - $ \ Gamma $实现了一个$ \ tilde {o} \ big（{\ sqrt {sat}} / {（1- \ gamma）^ {1.5}} \ big）$后悔，在哪里$ s $是州的数量，$ a $是行动的数量，$ \ gamma $是折扣因子，$ t $是步数。此外，我们构建了一类硬MDP并表明对于任何算法，预期的遗憾是至少$ \ tilde {\ omega} \ big（{\ sqrt {sat}} / {（1- \ gamma）^ {1.5}} \大）$。我们的上限与对数因子的最低限度相匹配，这表明UCBVI - $ \ Gamma $几乎最小的贴现MDP。

我们在适应性约束下研究了强化学习（RL），线性函数近似。我们考虑两个流行的有限适应性模型：批量学习模型和稀有策略交换机模型，并提出了两个有效的在线线性马尔可夫决策过程的在线RL算法，其中转换概率和奖励函数可以表示为一些线性函数已知的特征映射。具体而言，对于批量学习模型，我们提出的LSVI-UCB-批处理算法实现了$ \ tilde o（\ sqrt {d ^ 3h ^ 3t} + dht / b）$后悔，$ d $是尺寸特征映射，$ H $是剧集长度，$ t $是交互数量，$ b $是批次数。我们的结果表明，只使用$ \ sqrt {t / dh} $批量来获得$ \ tilde o（\ sqrt {d ^ 3h ^ 3t}）$后悔。对于稀有策略开关模型，我们提出的LSVI-UCB-RARESWICH算法享有$ \ TINDE O（\ SQRT {D ^ 3h ^ 3t [1 + T /（DH）] ^ {dh / b}）$遗憾，这意味着$ dh \ log t $策略交换机足以获得$ \ tilde o（\ sqrt {d ^ 3h ^ 3t}）$后悔。我们的算法达到与LSVI-UCB算法相同的遗憾（Jin等，2019），但具有大量较小的适应性。我们还为批量学习模式建立了较低的界限，这表明对我们遗憾的依赖于您的遗憾界限是紧张的。

尽管基于模型的增强学习（RL）方法被认为是更具样本的高效，但现有算法通常依赖于复杂的规划算法与模型学习过程紧密粘合。因此，学习模型可能缺乏与更专业规划者重新使用的能力。在本文中，我们解决了这个问题，并提供了在没有奖励信号的指导的情况下有效地学习RL模型的方法。特别是，我们采取了一个插件求解器方法，我们专注于在探索阶段学习模型，并要求在学习模型上的\ emph {任何规划算法}可以给出近最佳的政策。具体而言，我们专注于线性混合MDP设置，其中概率转换矩阵是一组现有模型的（未知）凸面组合。我们表明，通过建立新的探索算法，即插即用通过\ tilde {o}来学习模型（d ^ 2h ^ 3 / epsilon ^ 2）$与环境交互，\ emph {任何} $ \ epsilon $ -optimal Planner在模型上给出$ O（\ epsilon）$ - 原始模型上的最佳政策。此示例复杂性与非插入方法的下限与下限匹配，并且是\ EMPH {统计上最佳}。我们通过利用使用伯尔斯坦不等式和指定的线性混合MDP的属性来实现仔细的最大总差异来实现这一结果。

我们研究了具有线性函数近似增强学习中的随机最短路径（SSP）问题，其中过渡内核表示为未知模型的线性混合物。我们将此类别的SSP问题称为线性混合物SSP。我们提出了一种具有Hoeffding-type置信度的新型算法，用于学习线性混合物SSP，可以获得$ \ tilde {\ Mathcal {o}}}}（d B _ {\ star}^{1.5} \ sqrt {k/c_ {k/c_ {k/c_ {k/c_ { \ min}}）$遗憾。这里$ k $是情节的数量，$ d $是混合模型中功能映射的维度，$ b _ {\ star} $限制了最佳策略的预期累积成本，$ c _ {\ min}>> 0 $是成本函数的下限。当$ c _ {\ min} = 0 $和$ \ tilde {\ mathcal {o}}}（k^{2/3}）$遗憾时，我们的算法也适用于情况。据我们所知，这是第一个具有sublrinear遗憾保证线性混合物SSP的算法。此外，我们设计了精致的伯恩斯坦型信心集并提出了改进的算法，该算法可实现$ \ tilde {\ Mathcal {o}}}（d b _ {\ star} \ sqrt {k/c/c/c {k/c _ {\ min}}） $遗憾。为了补充遗憾的上限，我们还证明了$ \ omega（db _ {\ star} \ sqrt {k}）$的下限。因此，我们的改进算法将下限匹配到$ 1/\ sqrt {c _ {\ min}} $ factor和poly-logarithmic因素，从而实现了近乎最佳的遗憾保证。

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.

我们在存在对抗性腐败的情况下研究线性上下文的强盗问题，在场，每回合的奖励都被对手损坏，腐败级别（即，地平线上的腐败总数）为$ c \ geq 0 $。在这种情况下，最著名的算法受到限制，因为它们要么在计算效率低下，要么需要对腐败做出强烈的假设，或者他们的遗憾至少比没有腐败的遗憾差的$ C $倍。在本文中，为了克服这些局限性，我们提出了一种基于不确定性的乐观原则的新算法。我们算法的核心是加权山脊回归，每个选择动作的重量都取决于其置信度，直到一定的阈值。 We show that for both known $C$ and unknown $C$ cases, our algorithm with proper choice of hyperparameter achieves a regret that nearly matches the lower bounds.因此，我们的算法几乎是两种情况的对数因素的最佳选择。值得注意的是，我们的算法同时对腐败和未腐败的案件（$ c = 0 $）实现了近乎最理想的遗憾。

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。

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.

尽管在理解增强学习的最小样本复杂性（RL）（在“最坏情况”的实例上学习的复杂性）方面已经取得了很多进展，但这种复杂性的衡量标准通常不会捕捉到真正的学习困难。在实践中，在“简单”的情况下，我们可能希望获得比最糟糕的实例可以实现的要好得多。在这项工作中，我们试图理解在具有线性函数近似的RL设置中学习近乎最佳策略（PAC RL）的“实例依赖性”复杂性。我们提出了一种算法，\ textsc {pedel}，该算法实现了依赖于实例的复杂性的量度，这是RL中的第一个具有功能近似设置，从而捕获了每个特定问题实例的学习难度。通过一个明确的示例，我们表明\ textsc {pedel}可以在低重晶，最小值 - 最佳算法上获得可证明的收益，并且这种算法无法达到实例 - 最佳速率。我们的方法取决于基于设计的新型实验程序，该程序将勘探预算重点放在与学习近乎最佳政策最相关的“方向”上，并且可能具有独立的兴趣。

强化学习理论集中在两个基本问题上：实现低遗憾，并确定$ \ epsilon $ - 最佳政策。虽然简单的减少允许人们应用低温算法来获得$ \ epsilon $ - 最佳政策并达到最坏的最佳速率，但尚不清楚低regret算法是否可以获得实例 - 最佳率的策略识别率。我们表明这是不可能的 - 在遗憾和确定$ \ epsilon $ - 最佳政策之间以最佳的利率确定了基本的权衡。由于我们的负面发现，我们提出了针对PAC表格增强学习实例依赖性样本复杂性的新量度，该方法明确说明了基础MDP中可达到的国家访问分布。然后，我们提出和分析一种基于计划的新型算法，该算法达到了这种样本的复杂性 - 产生的复杂性会随着次要差距和状态的“可达到性”而缩放。我们显示我们的算法几乎是最小的最佳选择，并且在一些示例中，我们实例依赖性样品复杂性比最差案例界限可显着改善。

我们在加固学习中使用汤普森采样（TS） - 样算法中的随机价值函数研究探索。这种类型的算法享有有吸引力的经验性能。我们展示当我们使用1）每一集中的单个随机种子，而2）伯尼斯坦型噪声幅度，我们获得了最坏的情况$ \ widetilde {o}左（h \ sqrt {sat} \右）$遗憾绑定了焦点时间 - 不均匀的马尔可夫决策过程，其中$ S $是国家空间的大小，$ a $的是行动空间的大小，$ h $是规划地平线，$ t $是互动的数量。这种绑定的多项式基于随机值函数的TS样算法的所有现有界限，并且首次匹配$ \ Omega \左（H \ SQRT {SAT}右）$下限到对数因子。我们的结果强调随机勘探可以近乎最佳，这是以前仅通过乐观算法实现的。为了实现所需的结果，我们开发1）新的剪辑操作，以确保持续持续的概率和悲观的概率是较低的常数，并且2）用于分析估计误差的绝对值的新递归公式。后悔。

我们研究了用线性函数近似的加固学习中的违规评估（OPE）问题，旨在根据行为策略收集的脱机数据来估计目标策略的价值函数。我们建议纳入价值函数的方差信息以提高ope的样本效率。更具体地说，对于时间不均匀的epiSodic线性马尔可夫决策过程（MDP），我们提出了一种算法VA-OPE，它使用价值函数的估计方差重新重量拟合Q迭代中的Bellman残差。我们表明我们的算法达到了比最着名的结果绑定的更紧密的误差。我们还提供了行为政策与目标政策之间的分布转移的细粒度。广泛的数值实验证实了我们的理论。

我们在生成模型下研究了固定置信度设置中的折扣线性马尔可夫决策过程中最佳政策识别的问题。我们首先在实例特定的下限上获得了识别$ \ varepsilon $ - 最佳策略所需的预期数量，并具有概率$ 1- \ delta $。下边界将最佳采样规则表征为复杂的非凸优化程序的解决方案，但可以用作设计简单而近乎最佳的采样规则和算法的起点。我们设计了这样的算法。其中之一展示了样本复杂性上限，由$ {\ cal o}（{\ frac {d} {（\ varepsilon+\ delta）^2}}}}（\ log（\ frac {1} {\ delta} {\ delta}）+d d d}} ））$，其中$ \ delta $表示次优的动作的最小奖励差距和$ d $是功能空间的尺寸。该上限处于中等信心状态（即，对于所有$ \ delta $），并与现有的minimax和Gap依赖的下限匹配。我们将算法扩展到情节线性MDP。

我们介绍了一种普遍的策略，可实现有效的多目标勘探。它依赖于adagoal，一种基于简单约束优化问题的新的目标选择方案，其自适应地针对目标状态，这既不是太困难也不是根据代理目前的知识达到的。我们展示了Adagoal如何用于解决学习$ \ epsilon $ -optimal的目标条件的政策，以便在$ L $ S_0 $ S_0 $奖励中获得的每一个目标状态，以便在$ S_0 $中获取。免费马尔可夫决策过程。在标准的表格外壳中，我们的算法需要$ \ tilde {o}（l ^ 3 s a \ epsilon ^ { - 2}）$探索步骤，这几乎很少最佳。我们还容易在线性混合Markov决策过程中实例化Adagoal，其产生具有线性函数近似的第一目标导向的PAC保证。除了强大的理论保证之外，迈克纳队以现有方法的高级别算法结构为锚定，为目标条件的深度加固学习。

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。

我们提出了一个新的学习框架，该框架捕获了许多真实世界用户交互应用程序的分层结构，在该框架中，可以根据探索风险的不同公差将用户分为两组，并应分别处理。在这种情况下，我们同时维护两个政策$ \ pi^{\ text {o}} $和$ \ pi^{\ text {e}} $：$ \ pi^{\ pi^{\ text {o}}} $（“ o “对于“在线”）与第一层的更具风险的用户进行互动，并像往常一样平衡探索和剥削来最大程度地减少后悔，而$ \ pi^{\ text {e}} $（“ e” for“ exploit”）专注于利用到目前为止收集的数据，从第二层的规避风险用户进行剥削。一个重要的问题是，这种分离是否比标准在线设置（即$ \ pi^{\ text {e}} = \ pi^{\ text {o}} $）是否产生优势。我们单独考虑与差距无关的与差距依赖性设置。对于前者来说，我们证明从最小值的角度来看，分离确实不是有益的。对于后者，我们表明，如果选择悲观的价值迭代作为剥削算法来产生$ \ pi^{\ text {e}} $，我们可以不断地对无独立的风险用户$ k的数量来实现遗憾$，与$ \ omega（\ log k）$相同的$ \ omega（\ log k）$在同一环境中遗憾在线遗憾的最优性，不需要为成功的成功而妥协。

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 $。