The growing interest in complex decision-making and language modeling problems highlights the importance of sample-efficient learning over very long horizons. This work takes a step in this direction by investigating contextual linear bandits where the current reward depends on at most $s$ prior actions and contexts (not necessarily consecutive), up to a time horizon of $h$. In order to avoid polynomial dependence on $h$, we propose new algorithms that leverage sparsity to discover the dependence pattern and arm parameters jointly. We consider both the data-poor ($T<h$) and data-rich ($T\ge h$) regimes, and derive respective regret upper bounds $\tilde O(d\sqrt{sT} +\min\{ q, T\})$ and $\tilde O(\sqrt{sdT})$, with sparsity $s$, feature dimension $d$, total time horizon $T$, and $q$ that is adaptive to the reward dependence pattern. Complementing upper bounds, we also show that learning over a single trajectory brings inherent challenges: While the dependence pattern and arm parameters form a rank-1 matrix, circulant matrices are not isometric over rank-1 manifolds and sample complexity indeed benefits from the sparse reward dependence structure. Our results necessitate a new analysis to address long-range temporal dependencies across data and avoid polynomial dependence on the reward horizon $h$. Specifically, we utilize connections to the restricted isometry property of circulant matrices formed by dependent sub-Gaussian vectors and establish new guarantees that are also of independent interest.


翻译:对复杂决策和语言建模问题的日益关注凸显了在极长视界内进行样本高效学习的重要性。本文通过研究上下文线性赌博机问题朝此方向迈出一步,其中当前回报最多依赖于$s$个先前动作和上下文(不必连续),时间跨度上限为$h$。为避免对$h$的多项式依赖,我们提出利用稀疏性联合发现依赖模式和臂参数的新算法。我们同时考虑数据匮乏($T<h$)和数据丰富($T\ge h$)两种场景,并推导出相应的遗憾上界$\tilde O(d\sqrt{sT} +\min\{ q, T\})$和$\tilde O(\sqrt{sdT})$,其中$s$为稀疏度、$d$为特征维度、$T$为总时间跨度,$q$自适应于回报依赖模式。作为上界的补充,我们还表明单轨迹学习存在固有挑战:尽管依赖模式和臂参数构成秩-1矩阵,但循环矩阵在秩-1流形上非等距,样本复杂度确实受益于稀疏回报依赖结构。我们的结果需要一种新分析来处理数据间的长程时间依赖性并避免对回报跨度$h$的多项式依赖。具体而言,我们利用依赖子高斯向量构成的循环矩阵的受限等距性质,建立了具有独立意义的新保证。

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