近年来，基于梯度的Meta-RL（GMRL）方法在发现一个单一任务的有效在线超参数中取得了显着的成功（XU等，2018）或学习多任务转移学习的良好初始化（Finn等人。 ，2017）。尽管有经验的成功，但经常被忽视，通过香草背交计算元梯度是不明定义的。在本文中，我们认为许多现有的MGRL方法采用的随机元梯度估计实际上是偏见的;偏差来自两个来源：1）在组成优化问题的结构中自然的成分偏差和2）由直接自动分化引起的多步粗糙估计的偏差。为了更好地了解元梯度偏差，我们首先执行其研究，以量化每个研究。我们首先为现有的GMRL算法提供统一的推导，然后理论上分析偏差和现有梯度估计方法的方差。了解偏见的基本原则，我们提出了两种缓解解决方案，基于脱离政策校正和多步理估计技术。已经进行了综合烧蚀研究，结果显示：（1）当与不同估计器/示例大小/步骤和学习率相结合时，它们的存在以及它们如何影响元梯度估计。 （2）这些缓解方法对Meta梯度估计的有效性，从而最终回报率两种实用的Meta-RL算法：Lola-Dice和Meta-梯度加固学习。
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模型 - 不可知的元增强学习需要估算价值函数的黑森斯矩阵。这是从实施角度挑战，反复区分政策梯度估计可能导致偏见的Hessian估计。在这项工作中，我们提供了一个统一的框架，用于估算价值函数的高阶导数，基于禁止策略评估。我们的框架将许多现有方法解释为特殊情况，并阐明了Hessian估计的偏差和方差权衡。该框架还打开了一个新的估计系列的大门，这可以通过自动差异化库轻松实现，并在实践中导致性能提升。
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元梯度提供了一种一般方法，以优化增强学习算法（RL）算法的元参数。元梯度的估计对于这些元算法的性能至关重要，并且已经在MAML式短距离元元RL问题的情况下进行了研究。在这种情况下，先前的工作调查了对RL目标的Hessian的估计，并通过进行抽样校正来解决信贷分配问题，以解决预先适应行为。但是，我们表明，例如由DICE及其变体实施的Hessian估计始终会增加偏差，还可以为元梯度估计增加差异。同时，在重要的长马设置中，元梯度估计的研究较少，在这种情况下，通过完整的内部优化轨迹的反向传播是不可行的。我们研究了截短的反向传播和采样校正引起的偏见和差异权衡，并与进化策略进行了比较，这是最近流行的长期替代策略。虽然先前的工作隐含地选择了这个偏见变化空间中的点，但我们解散了偏见和差异的来源，并提出了将现有估计器相互关联的经验研究。
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我们考虑用于加强学习（RL）问题的模型 - 不可知的元学习（MAML）方法，其中目标是找到使用来自Markov决策过程（MDP）表示的多个任务的策略，该方法可以由随机的一步更新实现MDP的政策梯度。特别地，在MAML更新步骤中使用随机梯度对于RL问题至关重要，因为精确梯度的计算需要访问大量可能的轨迹。对于这种制剂，我们提出了一种名为随机梯度元增强学习（SG-MRL）的MAML方法的变型，并研究其收敛性。我们派生了SG-MRL的迭代和样本复杂性，以查找$ \ epsilon $ - 据我们所知，这为模型不可知的元增强学习算法提供了第一个收敛保证。我们进一步展示了我们的结果延伸到在测试时间使用多于一个随机政策梯度方法的情况的情况。最后，我们在几个深入的RL环境中凭证比较SG-MRL和MAML。
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尽管META强化学习的经验成功（META-RL），但理论和实践之间仍有一个不太理解的差异。批判性地，偏置梯度估计几乎始终在实践中实现，而在Meta-RL上的先前理论仅在非偏见的梯度估计下建立会聚。在这项工作中，我们调查这种差异。特别地，（1）我们表明，无偏渐变的渐变估计具有方差$ \ theta（n）$，其线性取决于内循环更新的示例大小$ n $; （2）我们提出了线性化得分函数（LSF）渐变估计，其具有偏见$ \ Mathcal {O}（1 / \ SQRT {n}）$和方差$ \ mathcal {o}（1 / n）$; （3）我们表明，实际上实际上有效地实现了LSF梯度估计的变体。这意味着实用的算法“意外地”引入偏差以实现更好的性能; （4）我们建立了对静止点的收敛性的LSF梯度估计的理论担保，显示比现有工作的更好依赖性，当$ N $很大时。
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在解决双球员零和游戏时，多代理强化学习（MARL）算法通常会在每次迭代时创造代理人群，在每次迭代时，将被发现为对对手人口对混合的最佳响应。在这样的过程中，“遵循”（即对手混合物）和“如何击败它们”（即寻找最佳响应）的更新规则是由手动开发的游戏理论原则基础，如虚构的游戏和双倍甲骨文。在本文中，我们介绍了一种新颖的框架 - 神经自动课程（NAC） - 利用元梯度下降来自动化学习更新规则的发现，而无明确的人类设计。具体而言，我们通过优化子程序参数通过神经网络和最佳响应模块参数化对手选择模块，并通过与游戏引擎的交互仅更新其参数，其中播放器旨在最大限度地减少其利用性。令人惊讶的是，即使没有人类的设计，发现的Marl算法也可以通过基于最先进的人口的游戏，在技能游戏，可微分的乐透，不转化的混合物游戏中实现竞争或更好的性能，实现竞争或更好的性能。迭代匹配的便士和kuhn扑克。此外，我们表明NAC能够从小型游戏到大型游戏，例如Kuhn Poker培训，在LEDUC扑克上表现优于PSRO。我们的工作激发了一个未来的未来方向，以完全从数据发现一般的Marl算法。
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政策梯度（PG）算法是备受期待的强化学习对现实世界控制任务（例如机器人技术）的最佳候选人之一。但是，每当必须在物理系统上执行学习过程本身或涉及任何形式的人类计算机相互作用时，这些方法的反复试验性质就会提出安全问题。在本文中，我们解决了一种特定的安全公式，其中目标和危险都以标量奖励信号进行编码，并且学习代理被限制为从不恶化其性能，以衡量为预期的奖励总和。通过从随机优化的角度研究仅行为者的政策梯度，我们为广泛的参数政策建立了改进保证，从而将现有结果推广到高斯政策上。这与策略梯度估计器的差异的新型上限一起，使我们能够识别出具有很高概率的单调改进的元参数计划。两个关键的元参数是参数更新的步长和梯度估计的批处理大小。通过对这些元参数的联合自适应选择，我们获得了具有单调改进保证的政策梯度算法。
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降低策略梯度方法方差的梯度估计器已成为近年来增强学习研究的主要重点之一，因为它们允许加速估算过程。我们提出了一种称为Sharp的方差降低的策略梯度方法，该方法将二阶信息纳入随机梯度下降（SGD）中，并使用动量和时间变化的学习率。 Sharp Algorithm无参数，实现$ \ Epsilon $ - Appro-Appro-Approximate固定点，带有$ O（\ Epsilon^{ - 3}）$的轨迹数，同时使用批量的大小为$ O（1）$迭代。与以前的大多数工作不同，我们提出的算法不需要重要的抽样，这可能会损害降低方差的优势。此外，估计错误的差异会以$ o（1/t^{2/3}）$的快速速率衰减，其中$ t $是迭代的数量。我们广泛的实验评估表明，拟议算法对各种控制任务的有效性及其对实践中最新状态的优势。
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我们提出了一种新的多功能增强学习的新型政策梯度方法，其利用了两个不同的差异减少技术，并且不需要在迭代上进行大量批次。具体而言，我们提出了一种基于势头的分散策略梯度跟踪（MDPGT），其中使用新的基于动量的方差减少技术来接近具有重要性采样的本地策略梯度代理，并采用中间参数来跟踪两个连续的策略梯度代理。此外，MDPGT可证明$ \ mathcal {o}的最佳可用样本复杂性（n ^ { - 1} \ epsilon ^ {-3}）$，用于汇聚到全球平均值的$ \ epsilon $ -stationary点n $本地性能函数（可能是非旋转）。这优于在分散的无模型增强学习中的最先进的样本复杂性，并且当用单个轨迹初始化时，采样复杂性与现有的分散的政策梯度方法获得的样本复杂性匹配。我们进一步验证了高斯策略函数的理论索赔。当所需的误差容忍$ \ epsilon $足够小时，MDPGT导致线性加速，以前已经在分散的随机优化中建立，但不是为了加强学习。最后，我们在多智能体增强学习基准环境下提供了实证结果，以支持我们的理论发现。
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强化学习（RL）通过与环境相互作用的试验过程解决顺序决策问题。尽管RL在玩复杂的视频游戏方面取得了巨大的成功，但在现实世界中，犯错误总是不希望的。为了提高样本效率并从而降低错误，据信基于模型的增强学习（MBRL）是一个有前途的方向，它建立了环境模型，在该模型中可以进行反复试验，而无需实际成本。在这项调查中，我们对MBRL进行了审查，重点是Deep RL的最新进展。对于非壮观环境，学到的环境模型与真实环境之间始终存在概括性错误。因此，非常重要的是分析环境模型中的政策培训与实际环境中的差异，这反过来又指导了更好的模型学习，模型使用和政策培训的算法设计。此外，我们还讨论了其他形式的RL，包括离线RL，目标条件RL，多代理RL和Meta-RL的最新进展。此外，我们讨论了MBRL在现实世界任务中的适用性和优势。最后，我们通过讨论MBRL未来发展的前景来结束这项调查。我们认为，MBRL在被忽略的现实应用程序中具有巨大的潜力和优势，我们希望这项调查能够吸引更多关于MBRL的研究。
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提高样本效率是加固学习的长期目标。本文提出了$ \ mathtt {vrmpo} $算法：具有随机镜血液的样本高效策略梯度方法。在$ \ mathtt {vrmpo} $中，提出了一种新的差异减少的政策梯度估计，以提高样本效率。我们证明了所提出的$ \ mathtt {vrmpo} $只需要$ \ mathcal {o}（\ epsilon ^ {-3}）$ at \ epsilon $ att \ epsilon $-uppryoge一阶静止点，符合策略优化的最佳样本复杂性。广泛的实验结果表明，$ \ mathtt {vrmpo} $胜过各种设置中最先进的政策梯度方法。
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深入学习的强化学习（RL）的结合导致了一系列令人印象深刻的壮举，许多相信（深）RL提供了一般能力的代理。然而，RL代理商的成功往往对培训过程中的设计选择非常敏感，这可能需要繁琐和易于易于的手动调整。这使得利用RL对新问题充满挑战，同时也限制了其全部潜力。在许多其他机器学习领域，AutomL已经示出了可以自动化这样的设计选择，并且在应用于RL时也会产生有希望的初始结果。然而，自动化强化学习（AutorL）不仅涉及Automl的标准应用，而且还包括RL独特的额外挑战，其自然地产生了不同的方法。因此，Autorl已成为RL中的一个重要研究领域，提供来自RNA设计的各种应用中的承诺，以便玩游戏等游戏。鉴于RL中考虑的方法和环境的多样性，在不同的子领域进行了大部分研究，从Meta学习到进化。在这项调查中，我们寻求统一自动的领域，我们提供常见的分类法，详细讨论每个区域并对研究人员来说是一个兴趣的开放问题。
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本文研究了协同多智能体增强学习（MARL）的分布式政策梯度，在通信网络上的代理人旨在找到最佳政策，以最大限度地提高所有代理人的当地返回的平均值。由于政策梯度的非凹形性能函数，用于凸面问题的现有分布式随机优化方法不能直接用于Marl中的政策梯度。本文提出了一种具有方差减少和渐变跟踪的分布式策略梯度，以解决政策梯度的高差，并利用重要的重量来解决采样过程中的非静止问题。然后，我们在平均平均固定间隙上提供一个上限，这取决于迭代的数量，迷你批量大小，秒钟大小，问题参数和网络拓扑。我们进一步建立了样本和通信复杂性，以获得$ \ epsilon $-upprymate静止点。对MARL控制问题的数值实验进行了验证了所提出算法的有效性。
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我们研究具有多个奖励价值函数的马尔可夫决策过程（MDP）的政策优化，应根据给定的标准共同优化，例如比例公平（平滑凹面标量），硬约束（约束MDP）和Max-Min Trade-离开。我们提出了一个改变锚定的正规自然政策梯度（ARNPG）框架，该框架可以系统地将良好表现的一阶方法中的思想纳入多目标MDP问题的策略优化算法的设计。从理论上讲，基于ARNPG框架的设计算法实现了$ \ tilde {o}（1/t）$全局收敛，并具有精确的梯度。从经验上讲，与某些现有的基于策略梯度的方法相比，ARNPG引导的算法在精确梯度和基于样本的场景中也表现出卓越的性能。
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元加强学习（Meta RL）作为元学习思想和强化学习（RL）的组合，使代理商能够使用一些样本适应不同的任务。但是，这种基于抽样的适应也使元rl容易受到对抗攻击的影响。通过操纵Meta RL中抽样过程的奖励反馈，攻击者可以误导代理商从培训经验中建立错误的知识，从而在适应后处理不同的任务时会恶化代理商的绩效。本文为理解这种类型的安全风险提供了游戏理论的基础。特别是，我们正式将采样攻击模型定义为攻击者和代理之间的stackelberg游戏，该游戏产生了最小值公式。它导致了两种在线攻击方案：间歇性攻击和持续攻击，这使攻击者能够学习最佳采样攻击，这是由$ \ epsilon $ -fir-first-first-fort stastary Point定义的，在$ \ MATHCAL {O}内（\ Epsilon^ {-2}）$迭代。这些攻击方案自由地学习了学习的进度，而没有与环境进行额外互动的情况。通过通过数值实验来证实收敛结果，我们观察到攻击者的较小努力可以显着恶化学习绩效，而Minimax方法也可以帮助鲁棒化元素RL算法。
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We study the problem of planning under model uncertainty in an online meta-reinforcement learning (RL) setting where an agent is presented with a sequence of related tasks with limited interactions per task. The agent can use its experience in each task and across tasks to estimate both the transition model and the distribution over tasks. We propose an algorithm to meta-learn the underlying structure across tasks, utilize it to plan in each task, and upper-bound the regret of the planning loss. Our bound suggests that the average regret over tasks decreases as the number of tasks increases and as the tasks are more similar. In the classical single-task setting, it is known that the planning horizon should depend on the estimated model's accuracy, that is, on the number of samples within task. We generalize this finding to meta-RL and study this dependence of planning horizons on the number of tasks. Based on our theoretical findings, we derive heuristics for selecting slowly increasing discount factors, and we validate its significance empirically.
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现代的元强化学习（META-RL）方法主要基于模型 - 不合时宜的元学习开发，该方法在跨任务中执行策略梯度步骤以最大程度地提高策略绩效。但是，在元RL中，梯度冲突问题仍然很少了解，这可能导致遇到不同任务时的性能退化。为了应对这一挑战，本文提出了一种新颖的个性化元素RL（PMETA-RL）算法，该算法汇总了特定任务的个性化政策，以更新用于所有任务的元政策，同时保持个性化的政策，以最大程度地提高每个任务的平均回报在元政策的约束下任务。我们还提供了表格设置下的理论分析，该分析证明了我们的PMETA-RL算法的收敛性。此外，我们将所提出的PMETA-RL算法扩展到基于软参与者批评的深网络版本，使其适合连续控制任务。实验结果表明，所提出的算法在健身房和Mujoco套件上的其他以前的元rl算法都优于其他以前的元素算法。
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Hierarchical methods in reinforcement learning have the potential to reduce the amount of decisions that the agent needs to perform when learning new tasks. However, finding a reusable useful temporal abstractions that facilitate fast learning remains a challenging problem. Recently, several deep learning approaches were proposed to learn such temporal abstractions in the form of options in an end-to-end manner. In this work, we point out several shortcomings of these methods and discuss their potential negative consequences. Subsequently, we formulate the desiderata for reusable options and use these to frame the problem of learning options as a gradient-based meta-learning problem. This allows us to formulate an objective that explicitly incentivizes options which allow a higher-level decision maker to adjust in few steps to different tasks. Experimentally, we show that our method is able to learn transferable components which accelerate learning and performs better than existing prior methods developed for this setting. Additionally, we perform ablations to quantify the impact of using gradient-based meta-learning as well as other proposed changes.
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Reinforcement learning (RL) problems can be challenging without well-shaped rewards. Prior work on provably efficient RL methods generally proposes to address this issue with dedicated exploration strategies. However, another way to tackle this challenge is to reformulate it as a multi-task RL problem, where the task space contains not only the challenging task of interest but also easier tasks that implicitly function as a curriculum. Such a reformulation opens up the possibility of running existing multi-task RL methods as a more efficient alternative to solving a single challenging task from scratch. In this work, we provide a theoretical framework that reformulates a single-task RL problem as a multi-task RL problem defined by a curriculum. Under mild regularity conditions on the curriculum, we show that sequentially solving each task in the multi-task RL problem is more computationally efficient than solving the original single-task problem, without any explicit exploration bonuses or other exploration strategies. We also show that our theoretical insights can be translated into an effective practical learning algorithm that can accelerate curriculum learning on simulated robotic tasks.
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在本文中，我们在表格设置中建立了违法演员批评算法的全球最优性和收敛速度，而不使用密度比来校正行为政策的状态分布与目标政策之间的差异。我们的工作超出了现有的工作原理，最佳的策略梯度方法中的现有工作中使用确切的策略渐变来更新策略参数时，我们使用近似和随机更新步骤。我们的更新步骤不是渐变更新，因为我们不使用密度比以纠正状态分布，这与从业者做得好。我们的更新是近似的，因为我们使用学习的评论家而不是真正的价值函数。我们的更新是随机的，因为在每个步骤中，更新仅为当前状态操作对完成。此外，我们在分析中删除了现有作品的几个限制性假设。我们的工作中的核心是基于其均匀收缩性能的时源性Markov链中的通用随机近似算法的有限样本分析。
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