在基于模型的马尔可夫决策过程的大多数应用中，通常从经验数据中估算出未知基础模型的参数。由于噪音，从估计模型中学到的政策通常与基础模型的最佳政策相去甚远。当应用于基础模型的环境时，学习的政策会导致次优性能，因此要求提供更好的概括性能的解决方案。在这项工作中，我们采用贝叶斯的观点，并通过先验信息将马尔可夫决策过程的目标函数正规化，以获得更强大的策略。提出了两种方法，一种基于$ l^1 $正则化，另一种基于相对熵正则化。我们评估了有关合成模拟和大规模在线购物商店的现实搜索日志的建议算法。我们的结果证明了正则MDP策略对模型中存在的噪声的鲁棒性。

逆钢筋学习尝试在马尔可夫决策问题中重建奖励功能，使用代理操作的观察。正如Russell [1998]在Russell [1998]的那样，问题均为不良，即使在存在有关最佳行为的完美信息的情况下，奖励功能也无法识别。我们为熵正则化的问题提供了解决这种不可识别性的分辨率。对于给定的环境，我们完全表征了导致给定政策的奖励函数，并证明，在两个不同的折扣因子下或在足够的不同环境下给出了相同奖励的行动的示范，可以恢复不可观察的奖励。我们还向有限视野进行时间均匀奖励的一般性和充分条件，以及行动无关的奖励，概括Kim等人的最新结果。[2021]和Fu等人。[2018]。

由于策略梯度定理导致的策略设置存在各种理论上 - 声音策略梯度算法，其为梯度提供了简化的形式。然而，由于存在多重目标和缺乏明确的脱助政策政策梯度定理，截止策略设置不太明确。在这项工作中，我们将这些目标统一到一个违规目标，并为此统一目标提供了政策梯度定理。推导涉及强调的权重和利息职能。我们显示多种策略来近似梯度，以识别权重（ACE）称为Actor评论家的算法。我们证明了以前（半梯度）脱离政策演员 - 评论家 - 特别是offpac和DPG - 收敛到错误的解决方案，而Ace找到最佳解决方案。我们还强调为什么这些半梯度方法仍然可以在实践中表现良好，表明ace中的方差策略。我们经验研究了两个经典控制环境的若干ACE变体和基于图像的环境，旨在说明每个梯度近似的权衡。我们发现，通过直接逼近强调权重，ACE在所有测试的所有设置中执行或优于offpac。

强化学习算法的实用性由于相对于问题大小的规模差而受到限制，因为学习$ \ epsilon $ -optimal策略的样本复杂性为$ \ tilde {\ omega} \ left（| s | s || a || a || a || a | h^3 / \ eps^2 \ right）$在MDP的最坏情况下，带有状态空间$ S $，ACTION SPACE $ A $和HORIZON $ H $。我们考虑一类显示出低级结构的MDP，其中潜在特征未知。我们认为，价值迭代和低级别矩阵估计的自然组合导致估计误差在地平线上呈指数增长。然后，我们提供了一种新算法以及统计保证，即有效利用了对生成模型的访问，实现了$ \ tilde {o} \ left的样本复杂度（d^5（d^5（| s |+| a |）\），我们有效利用低级结构。对于等级$ d $设置的Mathrm {Poly}（h）/\ EPS^2 \ right）$，相对于$ | s |，| a | $和$ \ eps $的缩放，这是最小值的最佳。与线性和低级别MDP的文献相反，我们不需要已知的功能映射，我们的算法在计算上很简单，并且我们的结果长期存在。我们的结果提供了有关MDP对过渡内核与最佳动作值函数所需的最小低级结构假设的见解。

最近有兴趣了解地平线依赖于加固学习（RL）的样本复杂性。值得注意的是，对于具有Horizo​​ n长度$ H $的RL环境，之前的工作表明，使用$ \ mathrm {polylog}（h）有可能学习$ o（1）$ - 最佳策略的可能大致正确（pac）算法$当州和行动的数量固定时的环境交互剧集。它尚不清楚$ \ mathrm {polylog}（h）$依赖性是必要的。在这项工作中，我们通过开发一种算法来解决这个问题，该算法在仅使用ONTO（1）美元的环境交互的同时实现相同的PAC保证，完全解决RL中样本复杂性的地平线依赖性。我们通过（i）在贴现和有限地平线马尔可夫决策过程（MDP）和（ii）在MDP中的新型扰动分析中建立价值函数之间的联系。我们相信我们的新技术具有独立兴趣，可在RL中应用相关问题。

非政策评估（OPE）方法是评估高风险领域（例如医疗保健）中的政策的关键工具，在这些领域，直接部署通常是不可行的，不道德的或昂贵的。当期望部署环境发生变化（即数据集偏移）时，对于OPE方法，在此类更改中对策略进行强大的评估非常重要。现有的方法考虑对可以任意改变环境的任何可观察到的任何可观察到的属性的大量转变。这通常会导致对公用事业的高度悲观估计，从而使可能对部署有用的政策无效。在这项工作中，我们通过研究领域知识如何帮助提供对政策公用事业的更现实的估计来解决上述问题。我们利用人类的投入，在环境的哪些方面可能会发生变化，并适应OPE方法仅考虑这些方面的转变。具体而言，我们提出了一个新颖的框架，可靠的OPE（绳索），该框架认为基于用户输入的数据中的协变量子集，并估算了这些变化下最坏情况的效用。然后，我们为OPE开发了对OPE的计算有效算法，这些算法对上述强盗和马尔可夫决策过程的上述变化很强。我们还理论上分析了这些算法的样品复杂性。从医疗领域进行的合成和现实世界数据集进行了广泛的实验表明，我们的方法不仅可以捕获现实的数据集准确地转移，而且还会导致较少的悲观政策评估。

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。

安全政策改进（SPI）是在安全关键应用中脱机加强学习的重要技术，因为它以很高的可能性改善了行为政策。我们根据如何利用国家行动对的不确定性将各种SPI方法分为两组。为了关注软SPIBB（通过软基线自举的安全政策改进）算法，我们表明他们对被证明安全的主张不坚持。基于这一发现，我们开发了适应性，Adv-Soft SpibB算法，并证明它们是可以安全的。在两个基准上进行的广泛实验中，启发式适应性较低的SPOBB在所有SPIBB算法中都能表现出最佳性能。我们还检查了可证明的安全算法的安全保证，并表明有大量数据是必要的，以使安全界限在实践中变得有用。

主动推断是建模生物学和人造药物的行为的概率框架，该框架源于最小化自由能的原理。近年来，该框架已成功地应用于各种情况下，其目标是最大程度地提高奖励，提供可比性，有时甚至是卓越的性能与替代方法。在本文中，我们通过演示如何以及何时进行主动推理代理执行最佳奖励的动作来阐明奖励最大化和主动推断之间的联系。确切地说，我们展示了主动推理为Bellman方程提供最佳解决方案的条件 - 这种公式是基于模型的增强学习和控制的几种方法。在部分观察到的马尔可夫决策过程中，标准的主动推理方案可以为计划视野1的最佳动作产生最佳动作，但不能超越。相比之下，最近开发的递归活跃推理方案（复杂的推理）可以在任何有限的颞范围内产生最佳作用。我们通过讨论主动推理和强化学习之间更广泛的关系来补充分析。

In reinforcement learning (RL), the ability to utilize prior knowledge from previously solved tasks can allow agents to quickly solve new problems. In some cases, these new problems may be approximately solved by composing the solutions of previously solved primitive tasks (task composition). Otherwise, prior knowledge can be used to adjust the reward function for a new problem, in a way that leaves the optimal policy unchanged but enables quicker learning (reward shaping). In this work, we develop a general framework for reward shaping and task composition in entropy-regularized RL. To do so, we derive an exact relation connecting the optimal soft value functions for two entropy-regularized RL problems with different reward functions and dynamics. We show how the derived relation leads to a general result for reward shaping in entropy-regularized RL. We then generalize this approach to derive an exact relation connecting optimal value functions for the composition of multiple tasks in entropy-regularized RL. We validate these theoretical contributions with experiments showing that reward shaping and task composition lead to faster learning in various settings.

In reinforcement learning the Q-values summarize the expected future rewards that the agent will attain. However, they cannot capture the epistemic uncertainty about those rewards. In this work we derive a new Bellman operator with associated fixed point we call the `knowledge values'. These K-values compress both the expected future rewards and the epistemic uncertainty into a single value, so that high uncertainty, high reward, or both, can yield high K-values. The key principle is to endow the agent with a risk-seeking utility function that is carefully tuned to balance exploration and exploitation. When the agent follows a Boltzmann policy over the K-values it yields a Bayes regret bound of $\tilde O(L \sqrt{S A T})$, where $L$ is the time horizon, $S$ is the total number of states, $A$ is the number of actions, and $T$ is the number of elapsed timesteps. We show deep connections of this approach to the soft-max and maximum-entropy strands of research in reinforcement learning.

我们考虑了马尔可夫决策过程（CMDP）的问题，其中代理与Markov Unichain决策过程进行交互。在每次互动中，代理都会获得奖励。此外，还有$ K $成本功能。该代理商的目标是最大程度地提高长期平均奖励，同时使$ k $的长期平均成本低于一定阈值。在本文中，我们提出了CMDP-PSRL，这是一种基于后取样的算法，使用该算法，代理可以学习与CMDP相互作用的最佳策略。此外，对于具有$ s $州的MDP，$ A $ ACTICE和DIAMETER $ D $，我们证明，遵循CMDP-PSRL算法，代理商可能会束缚不累积最佳策略奖励的遗憾。 （poly（dsa）\ sqrt {t}）$。此外，我们表明，任何$ k $约束的违规行为也受$ \ tilde {o}（poly（dsa）\ sqrt {t}）$的限制。据我们所知，这是第一批获得$ \ tilde {o}（\ sqrt {t}）$遗憾的Ergodic MDP的界限，并具有长期平均约束。

Adequately assigning credit to actions for future outcomes based on their contributions is a long-standing open challenge in Reinforcement Learning. The assumptions of the most commonly used credit assignment method are disadvantageous in tasks where the effects of decisions are not immediately evident. Furthermore, this method can only evaluate actions that have been selected by the agent, making it highly inefficient. Still, no alternative methods have been widely adopted in the field. Hindsight Credit Assignment is a promising, but still unexplored candidate, which aims to solve the problems of both long-term and counterfactual credit assignment. In this thesis, we empirically investigate Hindsight Credit Assignment to identify its main benefits, and key points to improve. Then, we apply it to factored state representations, and in particular to state representations based on the causal structure of the environment. In this setting, we propose a variant of Hindsight Credit Assignment that effectively exploits a given causal structure. We show that our modification greatly decreases the workload of Hindsight Credit Assignment, making it more efficient and enabling it to outperform the baseline credit assignment method on various tasks. This opens the way to other methods based on given or learned causal structures.

我们在专家和学习者之间的过渡动力学下研究了逆钢筋学习（IRL）问题。具体而言，我们考虑最大因果熵（MCE）IRL学习者模型，并根据专家和学习者的转换动态之间的$ \ ell_1 $ -disce提供学习者的性能下降的紧密上限。利用强大的RL文献的洞察力，我们提出了一种强大的MCE IRL算法，这是一种有效的方法来帮助这种不匹配。最后，我们经验展示了我们算法的稳定性能，而在有限和连续的MDP问题中的转换动态不匹配下的标准MCE IRL算法相比。

Reinforcement learning (RL) gained considerable attention by creating decision-making agents that maximize rewards received from fully observable environments. However, many real-world problems are partially or noisily observable by nature, where agents do not receive the true and complete state of the environment. Such problems are formulated as partially observable Markov decision processes (POMDPs). Some studies applied RL to POMDPs by recalling previous decisions and observations or inferring the true state of the environment from received observations. Nevertheless, aggregating observations and decisions over time is impractical for environments with high-dimensional continuous state and action spaces. Moreover, so-called inference-based RL approaches require large number of samples to perform well since agents eschew uncertainty in the inferred state for the decision-making. Active inference is a framework that is naturally formulated in POMDPs and directs agents to select decisions by minimising expected free energy (EFE). This supplies reward-maximising (exploitative) behaviour in RL, with an information-seeking (exploratory) behaviour. Despite this exploratory behaviour of active inference, its usage is limited to discrete state and action spaces due to the computational difficulty of the EFE. We propose a unified principle for joint information-seeking and reward maximization that clarifies a theoretical connection between active inference and RL, unifies active inference and RL, and overcomes their aforementioned limitations. Our findings are supported by strong theoretical analysis. The proposed framework's superior exploration property is also validated by experimental results on partial observable tasks with high-dimensional continuous state and action spaces. Moreover, the results show that our model solves reward-free problems, making task reward design optional.

离线政策优化可能会对许多现实世界的决策问题产生重大影响，因为在线学习在许多应用中可能是不可行的。重要性采样及其变体是离线策略评估中一种常用的估计器类型，此类估计器通常不需要关于价值函数或决策过程模型功能类的属性和代表性能力的假设。在本文中，我们确定了一种重要的过度拟合现象，以优化重要性加权收益，在这种情况下，学到的政策可以基本上避免在最初的状态空间的一部分中做出一致的决策。我们提出了一种算法，以避免通过新的每个国家 - 邻居标准化约束过度拟合，并提供对拟议算法的理论理由。我们还显示了以前尝试这种方法的局限性。我们在以医疗风格的模拟器为中测试算法，该模拟器是从真实医院收集的记录数据集和连续的控制任务。这些实验表明，与最先进的批处理学习算法相比，所提出的方法的过度拟合和更好的测试性能。

强化学习（RL）旨在在给定环境中从奖励功能中训练代理商，但逆增强学习（IRL）试图从观察专家的行为中恢复奖励功能。众所周知，总的来说，各种奖励功能会导致相同的最佳政策，因此，IRL定义不明。但是，（Cao等，2021）表明，如果我们观察到两个或多个具有不同折现因子或在不同环境中起作用的专家，则可以在某些条件下确定奖励功能，直至常数。这项工作首先根据等级条件显示了表格MDP的多位专家的等效可识别性声明，该声明易于验证，也被证明是必要的。然后，我们将结果扩展到各种不同的方案，即，在奖励函数可以表示为给定特征的线性组合，使其更容易解释，或者当我们可以访问近似过渡矩阵时，我们会表征奖励可识别性。即使奖励无法识别，我们也提供了特征的条件，当给定环境中的多个专家的数据允许在新环境中概括和训练最佳代理。在各种数值实验中，我们对奖励可识别性和概括性的理论结果得到了验证。

脱机强化学习 - 从一批数据中学习策略 - 是难以努力的：如果没有制造强烈的假设，它很容易构建实体算法失败的校长。在这项工作中，我们考虑了某些现实世界问题的财产，其中离线强化学习应该有效：行动仅对一部分产生有限的行动。我们正规化并介绍此动作影响规律（AIR）财产。我们进一步提出了一种算法，该算法假定和利用AIR属性，并在MDP满足空气时绑定输出策略的子优相。最后，我们展示了我们的算法在定期保留的两个模拟环境中跨越不同的数据收集策略占据了现有的离线强度学习算法。

Structural Health Monitoring (SHM) describes a process for inferring quantifiable metrics of structural condition, which can serve as input to support decisions on the operation and maintenance of infrastructure assets. Given the long lifespan of critical structures, this problem can be cast as a sequential decision making problem over prescribed horizons. Partially Observable Markov Decision Processes (POMDPs) offer a formal framework to solve the underlying optimal planning task. However, two issues can undermine the POMDP solutions. Firstly, the need for a model that can adequately describe the evolution of the structural condition under deterioration or corrective actions and, secondly, the non-trivial task of recovery of the observation process parameters from available monitoring data. Despite these potential challenges, the adopted POMDP models do not typically account for uncertainty on model parameters, leading to solutions which can be unrealistically confident. In this work, we address both key issues. We present a framework to estimate POMDP transition and observation model parameters directly from available data, via Markov Chain Monte Carlo (MCMC) sampling of a Hidden Markov Model (HMM) conditioned on actions. The MCMC inference estimates distributions of the involved model parameters. We then form and solve the POMDP problem by exploiting the inferred distributions, to derive solutions that are robust to model uncertainty. We successfully apply our approach on maintenance planning for railway track assets on the basis of a "fractal value" indicator, which is computed from actual railway monitoring data.

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。