While numerous works have focused on devising efficient algorithms for reinforcement learning (RL) with uniformly bounded rewards, it remains an open question whether sample or time-efficient algorithms for RL with large state-action space exist when the rewards are \emph{heavy-tailed}, i.e., with only finite $(1+\epsilon)$-th moments for some $\epsilon\in(0,1]$. In this work, we address the challenge of such rewards in RL with linear function approximation. We first design an algorithm, \textsc{Heavy-OFUL}, for heavy-tailed linear bandits, achieving an \emph{instance-dependent} $T$-round regret of $\tilde{O}\big(d T^{\frac{1-\epsilon}{2(1+\epsilon)}} \sqrt{\sum_{t=1}^T \nu_t^2} + d T^{\frac{1-\epsilon}{2(1+\epsilon)}}\big)$, the \emph{first} of this kind. Here, $d$ is the feature dimension, and $\nu_t^{1+\epsilon}$ is the $(1+\epsilon)$-th central moment of the reward at the $t$-th round. We further show the above bound is minimax optimal when applied to the worst-case instances in stochastic and deterministic linear bandits. We then extend this algorithm to the RL settings with linear function approximation. Our algorithm, termed as \textsc{Heavy-LSVI-UCB}, achieves the \emph{first} computationally efficient \emph{instance-dependent} $K$-episode regret of $\tilde{O}(d \sqrt{H \mathcal{U}^*} K^\frac{1}{1+\epsilon} + d \sqrt{H \mathcal{V}^* K})$. Here, $H$ is length of the episode, and $\mathcal{U}^*, \mathcal{V}^*$ are instance-dependent quantities scaling with the central moment of reward and value functions, respectively. We also provide a matching minimax lower bound $\Omega(d H K^{\frac{1}{1+\epsilon}} + d \sqrt{H^3 K})$ to demonstrate the optimality of our algorithm in the worst case. Our result is achieved via a novel robust self-normalized concentration inequality that may be of independent interest in handling heavy-tailed noise in general online regression problems.


翻译:尽管已有大量工作致力于设计针对均匀有界奖励的强化学习(RL)高效算法,但在状态-动作空间巨大且奖励具有重尾性(即仅存在有限$(1+\epsilon)$阶矩,其中$\epsilon\in(0,1]$)时,样本或时间高效的RL算法是否存在仍是开放问题。本文针对线性函数逼近下的此类奖励挑战展开研究。我们首先设计了一种用于重尾线性老虎机的算法\textsc{Heavy-OFUL},实现了\emph{首个}基于实例的$T$轮遗憾界$\tilde{O}\big(d T^{\frac{1-\epsilon}{2(1+\epsilon)}} \sqrt{\sum_{t=1}^T \nu_t^2} + d T^{\frac{1-\epsilon}{2(1+\epsilon)}}\big)$,其中$d$为特征维度,$\nu_t^{1+\epsilon}$为第$t$轮奖励的$(1+\epsilon)$阶中心矩。进一步证明该界在应用于随机和确定性线性老虎机的最坏情形实例时具有极小极大最优性。随后我们将该算法扩展至线性函数逼近的RL场景,提出算法\textsc{Heavy-LSVI-UCB},实现了\emph{首个}计算高效的基于实例的$K$回合遗憾界$\tilde{O}(d \sqrt{H \mathcal{U}^*} K^\frac{1}{1+\epsilon} + d \sqrt{H \mathcal{V}^* K})$,其中$H$为回合长度,$\mathcal{U}^*, \mathcal{V}^*$为分别与奖励和值函数中心矩相关的实例依赖量。我们还给出了匹配的极小极大下界$\Omega(d H K^{\frac{1}{1+\epsilon}} + d \sqrt{H^3 K})$,以证明算法在最坏情形下的最优性。该成果依赖于一种新颖的鲁棒自归一化集中不等式,该不等式在处理一般在线回归问题的重尾噪声时可能具有独立研究价值。

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