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 $。

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.

Model-free reinforcement learning (RL) algorithms, such as Q-learning, directly parameterize and update value functions or policies without explicitly modeling the environment. They are typically simpler, more flexible to use, and thus more prevalent in modern deep RL than model-based approaches. However, empirical work has suggested that model-free algorithms may require more samples to learn [7,22]. The theoretical question of "whether model-free algorithms can be made sample efficient" is one of the most fundamental questions in RL, and remains unsolved even in the basic scenario with finitely many states and actions.We prove that, in an episodic MDP setting, Q-learning with UCB exploration achieves regret Õ( √ H 3 SAT ), where S and A are the numbers of states and actions, H is the number of steps per episode, and T is the total number of steps. This sample efficiency matches the optimal regret that can be achieved by any model-based approach, up to a single √ H factor. To the best of our knowledge, this is the first analysis in the model-free setting that establishes √ T regret without requiring access to a "simulator." * The first two authors contributed equally.

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。

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。

本文为表格马尔可夫决策过程（MDP）提供了第一种多项式时间算法，该算法享受了遗憾的界限\ emph {独立于计划范围}。具体来说，我们考虑具有$ S $州的表格MDP，$ A $ ACTICY，计划范围$ h $，总奖励为$ 1 $，代理商播放$ K $ evipodes。我们设计了一种实现$ o \ left（\ mathrm {poly}（s，a，a，\ log k）\ sqrt {k} \ right）$遗憾的算法（\ mathrm {poly}（s，a，a，\ log k）polylog}（h）$依赖项〜\ citep {zhang2020 reininforcement}或对$ s $〜\ citep {li2021settling}具有指数依赖关系。我们的结果依赖于一系列新的结构引理，从而建立了固定策略的近似能力，稳定性和浓度特性，这些策略可以在与马尔可夫链有关的其他问题中应用。

我们研究了随机的最短路径（SSP）问题，其中代理商必须以最短的预计成本达到目标状态。在问题的学习制定中，代理商没有关于模型的成本和动态的知识。她反复与k $剧集的型号交互，并且必须尽量减少她的遗憾。在这项工作中，我们表明这个设置的Minimax遗憾是$ \ widetilde o（\ sqrt {（b_ \ star ^ 2 + b_ \ star）| s | a | a | k}）$ why $ b_ \ star $ a符合来自任何州的最佳政策的预期成本，$ S $是状态空间，$ a $是行动空间。此相匹配的$ \欧米茄（\ SQRT {B_ \星^ 2 | S | |甲| K}）$下界Rosenberg等人的。 [2020]对于$ b_ \ star \ ge 1 $，并改善了他们的遗憾，以\ sqrt {| s |} $ \ you的遗憾。对于$ b_ \ star <1 $我们证明$ \ omega的匹配下限（\ sqrt {b_ \ star | s | a | a | k}）$。我们的算法基于SSP的新颖减少到有限地平线MDP。为此，我们为有限地域设置提供了一种算法，其前期遗憾遗憾地取决于最佳政策的预期成本，并且仅对地平线上的对数。

We develop an extension of posterior sampling for reinforcement learning (PSRL) that is suited for a continuing agent-environment interface and integrates naturally into agent designs that scale to complex environments. The approach maintains a statistically plausible model of the environment and follows a policy that maximizes expected $\gamma$-discounted return in that model. At each time, with probability $1-\gamma$, the model is replaced by a sample from the posterior distribution over environments. For a suitable schedule of $\gamma$, we establish an $\tilde{O}(\tau S \sqrt{A T})$ bound on the Bayesian regret, where $S$ is the number of environment states, $A$ is the number of actions, and $\tau$ denotes the reward averaging time, which is a bound on the duration required to accurately estimate the average reward of any policy.

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。

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。

我们研究了在随机最短路径（SSP）设置中的学习问题，其中代理试图最小化在达到目标状态之前累积的预期成本。我们设计了一种新型基于模型的算法EB-SSP，仔细地偏离了经验转变，并通过探索奖励来赋予经验成本，以诱导乐观的SSP问题，其相关价值迭代方案被保证收敛。我们证明了EB-SSP实现了Minimax后悔率$ \ tilde {o}（b _ {\ star} \ sqrt {sak}）$，其中$ k $是剧集的数量，$ s $是状态的数量， $ a $是行动的数量，而B _ {\ star} $绑定了从任何状态的最佳策略的预期累积成本，从而缩小了下限的差距。有趣的是，EB-SSP在没有参数的同时获得此结果，即，它不需要任何先前的$ B _ {\ star} $的知识，也不需要$ t _ {\ star} $，它绑定了预期的时间 ​​- 任何州的最佳政策的目标。此外，我们说明了各种情况（例如，当$ t _ {\ star} $的订单准确估计可用时，遗憾地仅包含对$ t _ {\ star} $的对数依赖性，因此产生超出有限范围MDP设置的第一个（几乎）的免地相会遗憾。

This work considers the sample complexity of obtaining an $\varepsilon$-optimal policy in an average reward Markov Decision Process (AMDP), given access to a generative model (simulator). When the ground-truth MDP is weakly communicating, we prove an upper bound of $\widetilde O(H \varepsilon^{-3} \ln \frac{1}{\delta})$ samples per state-action pair, where $H := sp(h^*)$ is the span of bias of any optimal policy, $\varepsilon$ is the accuracy and $\delta$ is the failure probability. This bound improves the best-known mixing-time-based approaches in [Jin & Sidford 2021], which assume the mixing-time of every deterministic policy is bounded. The core of our analysis is a proper reduction bound from AMDP problems to discounted MDP (DMDP) problems, which may be of independent interests since it allows the application of DMDP algorithms for AMDP in other settings. We complement our upper bound by proving a minimax lower bound of $\Omega(|\mathcal S| |\mathcal A| H \varepsilon^{-2} \ln \frac{1}{\delta})$ total samples, showing that a linear dependent on $H$ is necessary and that our upper bound matches the lower bound in all parameters of $(|\mathcal S|, |\mathcal A|, H, \ln \frac{1}{\delta})$ up to some logarithmic factors.

We consider the problem of provably optimal exploration in reinforcement learning for finite horizon MDPs. We show that an optimistic modification to value iteration achieves a regret bound of O(where H is the time horizon, S the number of states, A the number of actions and T the number of time-steps. This result improves over the best previous known bound O(HS √ AT ) achieved by the UCRL2 algorithm of Jaksch et al. ( 2010). The key significance of our new results is that when T ≥ H 3 S 3 A and SA ≥ H, it leads to a regret of O( √ HSAT ) that matches the established lower bound of Ω( √ HSAT ) up to a logarithmic factor. Our analysis contains two key insights. We use careful application of concentration inequalities to the optimal value function as a whole, rather than to the transitions probabilities (to improve scaling in S), and we define Bernstein-based "exploration bonuses" that use the empirical variance of the estimated values at the next states (to improve scaling in H).

本文研究了钢筋学习中随机价值函数的遗为最小化。在表格有限地平线马尔可夫决策过程中，我们引入了一种典型的汤普森采样（TS）-like算法的剪切变体，随机最小二乘值迭代（RLSVI）。我们的$ \ tilde {\ mathrm {o}}（h ^ 2s \ sqrt {at}）$高概率最坏情况后悔绑定改善了rlsvi的先前最锐化的最糟糕的遗憾界限，并匹配现有的状态 - 基于最糟糕的TS的遗憾界限。

我们介绍了一个通用模板，用于在随机最短路径（SSP）模型中开发遗憾最小化算法，只要确保某些特性，就可以实现最佳的最佳遗憾。我们分析的关键是一种称为隐含的有限范围近似的新技术，其仅在没有明确实现的情况下在分析中近似于分析的Unite-Horizo n对应。使用此模板，我们开发了两个新的算法：第一个是无模型的（文献中的第一个在我们的知识中），并且在严格的积极成本下最佳最佳状态;即使使用零成本状态 - 动作对，第二个是基于模型的和最小的最佳状态，匹配来自[Tarbouriech等，2021b]的最佳现有结果。重要的是，这两个算法都承认高度稀疏的更新，使得它们比所有现有算法更有效。此外，两者都可以完全无参数。