論文の概要: Breaking the Sample Complexity Barrier to Regret-Optimal Model-Free Reinforcement Learning

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2110.04645v1
• Date: Sat, 9 Oct 2021 21:13:48 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2021-10-12 16:42:43.041986
• Title: Breaking the Sample Complexity Barrier to Regret-Optimal Model-Free Reinforcement Learning
• Title（参考訳）: 適応型モデルフリー強化学習におけるサンプル複雑性障壁の破却
• Authors: Gen Li, Laixi Shi, Yuxin Chen, Yuantao Gu, Yuejie Chi
• Abstract要約: 漸進的強化学習における後悔を最小限に抑えるために,新しいモデルフリーアルゴリズムを提案する。 提案アルゴリズムは、2つのQ-ラーニングシーケンスの助けを借りて、初期設定された参照更新ルールを用いる。 初期の分散還元法の設計原理は、他のRL設定とは独立した関心を持つかもしれない。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 52.76230802067506
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Achieving sample efficiency in online episodic reinforcement learning (RL) requires optimally balancing exploration and exploitation. When it comes to a finite-horizon episodic Markov decision process with $S$ states, $A$ actions and horizon length $H$, substantial progress has been achieved towards characterizing the minimax-optimal regret, which scales on the order of $\sqrt{H^2SAT}$ (modulo log factors) with $T$ the total number of samples. While several competing solution paradigms have been proposed to minimize regret, they are either memory-inefficient, or fall short of optimality unless the sample size exceeds an enormous threshold (e.g., $S^6A^4 \,\mathrm{poly}(H)$ for existing model-free methods). To overcome such a large sample size barrier to efficient RL, we design a novel model-free algorithm, with space complexity $O(SAH)$, that achieves near-optimal regret as soon as the sample size exceeds the order of $SA\,\mathrm{poly}(H)$. In terms of this sample size requirement (also referred to the initial burn-in cost), our method improves -- by at least a factor of $S^5A^3$ -- upon any prior memory-efficient algorithm that is asymptotically regret-optimal. Leveraging the recently introduced variance reduction strategy (also called {\em reference-advantage decomposition}), the proposed algorithm employs an {\em early-settled} reference update rule, with the aid of two Q-learning sequences with upper and lower confidence bounds. The design principle of our early-settled variance reduction method might be of independent interest to other RL settings that involve intricate exploration-exploitation trade-offs.
• Abstract（参考訳）: オンラインエピソジック強化学習(rl)におけるサンプル効率の達成には、探索と搾取の最適バランスが必要である。 s$ 状態、$a$ アクション、地平線の長さ $h$ を持つ有限ホリゾンのエピソディックマルコフ決定プロセスに関しては、サンプル総数 $t$ で$\sqrt{h^2sat}$ (modulo log factor) の順にスケールするminimax-optimal regret を特徴付けるためにかなりの進歩があった。 いくつかの競合する解パラダイムは後悔を最小限に抑えるために提案されているが、それらはメモリ非効率であるか、サンプルサイズが巨大なしきい値(例えば、既存のモデルフリーメソッドでは$S^6A^4 \,\mathrm{poly}(H)$)を超えない限り、最適性に欠ける。 このような大きなサンプルサイズ障壁を克服して効率的なRLを実現するために、サンプルサイズが$SA\,\mathrm{poly}(H)$を超えると、ほぼ最適に後悔する空間複雑性$O(SAH)$で新しいモデルフリーアルゴリズムを設計する。 このサンプルサイズ要件(初期バーンインコストとも呼ばれる)に関して、我々の手法は、漸近的に後悔と最適化される以前のメモリ効率アルゴリズムに対して、少なくとも$S^5A^3$の係数で改善する。 提案アルゴリズムは,最近導入された分散低減戦略(「vs-reference-advantage decomposition」とも呼ばれる)を活用し,上位と下位の信頼境界を持つ2つのQ-ラーニングシーケンスの助けを借りて,初期セットされた参照更新ルールを採用する。 初期の分散還元法の設計原理は、複雑な探査・探査のトレードオフを含む他のRL設定と独立して関心を持つかもしれない。

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