我们建议和分析一个强化学习原理，该原理仅在测试功能的用户定义空间沿使用它们的有效性来近似钟声方程。我们专注于使用功能近似的无模型离线RL应用程序，我们利用这一原理来得出置信区间以进行非政策评估，并在规定的策略类别中优化了对策略的优化。我们证明了关于我们的政策优化程序的甲骨文不平等，就任意比较策略的价值和不确定性之间的权衡而言。测试功能空间的不同选择使我们能够解决共同框架中的不同问题。我们表征了使用我们的程序从政策转移到政策数据的效率的丧失，并建立了与过去工作中研究的浓缩性系数的连接。我们深入研究了具有线性函数近似的方法的实施，即使贝尔曼关闭不结束，也可以通过多项式时间实现提供理论保证。

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.

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.

Model-free algorithms for reinforcement learning typically require a condition called Bellman completeness in order to successfully operate off-policy with function approximation, unless additional conditions are met. However, Bellman completeness is a requirement that is much stronger than realizability and that is deemed to be too strong to hold in practice. In this work, we relax this structural assumption and analyze the statistical complexity of off-policy reinforcement learning when only realizability holds for the prescribed function class. We establish finite-sample guarantees for off-policy reinforcement learning that are free of the approximation error term known as inherent Bellman error, and that depend on the interplay of three factors. The first two are well-know: they are the metric entropy of the function class and the concentrability coefficient that represents the cost of learning off-policy. The third factor is new, and it measures the violation of Bellman completeness, namely the mis-alignment between the chosen function class and its image through the Bellman operator. In essence, these error bounds establish that off-policy reinforcement learning remains statistically viable even in absence of Bellman completeness, and characterize the intermediate situation between the favorable Bellman complete setting and the worst-case scenario where exponential lower bounds are in force. Our analysis directly applies to the solution found by temporal difference algorithms when they converge.

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.

在因果推理和强盗文献中，基于观察数据的线性功能估算线性功能的问题是规范的。我们分析了首先估计治疗效果函数的广泛的两阶段程序，然后使用该数量来估计线性功能。我们证明了此类过程的均方误差上的非反应性上限：这些边界表明，为了获得非反应性最佳程序，应在特定加权$ l^2 $中最大程度地估算治疗效果的误差。 -规范。我们根据该加权规范的约束回归分析了两阶段的程序，并通过匹配非轴突局部局部最小值下限，在有限样品中建立了实例依赖性最优性。这些结果表明，除了取决于渐近效率方差之外，最佳的非质子风险除了取决于样本量支持的最富有函数类别的真实结果函数与其近似类别之间的加权规范距离。

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）。

低级MDP已成为研究强化学习中的表示和探索的重要模型。有了已知的代表，存在几种无模型的探索策略。相反，未知表示设置的所有算法都是基于模型的，因此需要对完整动力学进行建模。在这项工作中，我们介绍了低级MDP的第一个无模型表示学习算法。关键的算法贡献是一个新的Minimax表示学习目标，我们为其提供具有不同权衡的变体，其统计和计算属性不同。我们将这一表示的学习步骤与探索策略交织在一起，以无奖励的方式覆盖状态空间。所得算法可证明样品有效，并且可以适应一般函数近似以扩展到复杂的环境。

This paper studies systematic exploration for reinforcement learning with rich observations and function approximation. We introduce a new model called contextual decision processes, that unifies and generalizes most prior settings. Our first contribution is a complexity measure, the Bellman rank , that we show enables tractable learning of near-optimal behavior in these processes and is naturally small for many well-studied reinforcement learning settings. Our second contribution is a new reinforcement learning algorithm that engages in systematic exploration to learn contextual decision processes with low Bellman rank. Our algorithm provably learns near-optimal behavior with a number of samples that is polynomial in all relevant parameters but independent of the number of unique observations. The approach uses Bellman error minimization with optimistic exploration and provides new insights into efficient exploration for reinforcement learning with function approximation.

在现实世界的强化学习应用中，学习者的观察空间无处不在，有关手头任务的相关信息和无关紧要。从高维观察中学习一直是监督学习和统计数据（例如，通过稀疏性）进行广泛研究的主题，但是即使在有限的状态/行动（表格）领域，也不能很好地理解强化学习中的类似问题。我们引入了一个新的问题设置，用于增强学习，即马尔可夫决策过程（EXOMDP），其中状态空间将（未知）分解成一个小的（或内源性）组件，并且很大的无关（或外源）组件;外源成分独立于学习者的行为，但以任意的，时间相关的方式演变。我们提供了一种新的算法Exorl，该算法学习了一种近乎最佳的政策，其样品复杂性在内源性组件的大小中多项式，几乎独立于外源成分的大小，从而提供了一个双重指数的改进算法。我们的结果首次突出了在存在外源信息的情况下首次可以进行样品高效的增强学习，并为未来的调查提供了简单，用户友好的基准。

我们在面对未衡量的混杂因素时研究离线增强学习（RL）。由于缺乏与环境的在线互动，离线RL面临以下两个重大挑战：（i）代理可能会被未观察到的状态变量混淆； （ii）提前收集的离线数据不能为环境提供足够的覆盖范围。为了应对上述挑战，我们借助工具变量研究了混杂的MDP中的政策学习。具体而言，我们首先建立了基于和边缘化的重要性采样（MIS）的识别结果，以确定混杂的MDP中的预期总奖励结果。然后，通过利用悲观主义和我们的认同结果，我们提出了各种政策学习方法，并具有有限样本的次级临时性保证，可以在最小的数据覆盖范围和建模假设下找到最佳的课堂政策。最后，我们广泛的理论研究和一项由肾脏移植动机的数值研究证明了该方法的有希望的表现。

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。

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。

离线增强学习（RL）的样本效率保证通常依赖于对功能类别（例如Bellman-Completeness）和数据覆盖范围（例如，全政策浓缩性）的强有力的假设。尽管最近在放松这些假设方面做出了努力，但现有作品只能放松这两个因素之一，从而使另一个因素的强烈假设完好无损。作为一个重要的开放问题，我们是否可以实现对这两个因素的假设较弱的样本效率离线RL？在本文中，我们以积极的态度回答了这个问题。我们基于MDP的原始偶对偶进行分析了一种简单的算法，其中双重变量（打折占用）是使用密度比函数对离线数据进行建模的。通过适当的正则化，我们表明该算法仅在可变性和单极浓缩性下具有多项式样品的复杂性。我们还基于不同的假设提供了替代分析，以阐明离线RL原始二算法的性质。

我们在使用函数近似的情况下，在使用最小的Minimax方法估算这些功能时，使用功能近似来实现函数近似和$ q $ functions的理论表征。在各种可靠性和完整性假设的组合下，我们表明Minimax方法使我们能够实现重量和质量功能的快速收敛速度，其特征在于关键的不平等\ citep {bartlett2005}。基于此结果，我们分析了OPE的收敛速率。特别是，我们引入了新型的替代完整性条件，在该条件下，OPE是可行的，我们在非尾部环境中以一阶效率提出了第一个有限样本结果，即在领先期限中具有最小的系数。

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。

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。

In this paper we develop a theoretical analysis of the performance of sampling-based fitted value iteration (FVI) to solve infinite state-space, discounted-reward Markovian decision processes (MDPs) under the assumption that a generative model of the environment is available. Our main results come in the form of finite-time bounds on the performance of two versions of sampling-based FVI. The convergence rate results obtained allow us to show that both versions of FVI are well behaving in the sense that by using a sufficiently large number of samples for a large class of MDPs, arbitrary good performance can be achieved with high probability. An important feature of our proof technique is that it permits the study of weighted L p -norm performance bounds. As a result, our technique applies to a large class of function-approximation methods (e.g., neural networks, adaptive regression trees, kernel machines, locally weighted learning), and our bounds scale well with the effective horizon of the MDP. The bounds show a dependence on the stochastic stability properties of the MDP: they scale with the discounted-average concentrability of the future-state distributions. They also depend on a new measure of the approximation power of the function space, the inherent Bellman residual, which reflects how well the function space is "aligned" with the dynamics and rewards of the MDP. The conditions of the main result, as well as the concepts introduced in the analysis, are extensively discussed and compared to previous theoretical results. Numerical experiments are used to substantiate the theoretical findings.

获取一阶遗憾界限 - 遗憾的界限不是作为最坏情况，但有一些衡量给定实例的最佳政策的性能 - 是连续决策的核心问题。虽然这种界限存在于许多设置中，但它们在具有大状态空间的钢筋学习中被证明是难以捉摸的。在这项工作中，我们解决了这个差距，并表明可以将遗憾的缩放作为$ \ mathcal {o}（\ sqrt {v_1 ^ \ star}）$中的钢筋学习，即用大状态空间，即线性MDP设置。这里$ v_1 ^ \ star $是最佳政策的价值，$ k $是剧集的数量。我们证明基于最小二乘估计的现有技术不足以获得该结果，而是基于强大的Catoni平均估计器制定一种新的稳健自归一化浓度，其可能具有独立兴趣。

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。