We propose a new model, independent linear Markov game, for multi-agent reinforcement learning with a large state space and a large number of agents. This is a class of Markov games with independent linear function approximation, where each agent has its own function approximation for the state-action value functions that are marginalized by other players' policies. We design new algorithms for learning the Markov coarse correlated equilibria (CCE) and Markov correlated equilibria (CE) with sample complexity bounds that only scale polynomially with each agent's own function class complexity, thus breaking the curse of multiagents. In contrast, existing works for Markov games with function approximation have sample complexity bounds scale with the size of the \emph{joint action space} when specialized to the canonical tabular Markov game setting, which is exponentially large in the number of agents. Our algorithms rely on two key technical innovations: (1) utilizing policy replay to tackle non-stationarity incurred by multiple agents and the use of function approximation; (2) separating learning Markov equilibria and exploration in the Markov games, which allows us to use the full-information no-regret learning oracle instead of the stronger bandit-feedback no-regret learning oracle used in the tabular setting. Furthermore, we propose an iterative-best-response type algorithm that can learn pure Markov Nash equilibria in independent linear Markov potential games. In the tabular case, by adapting the policy replay mechanism for independent linear Markov games, we propose an algorithm with $\widetilde{O}(\epsilon^{-2})$ sample complexity to learn Markov CCE, which improves the state-of-the-art result $\widetilde{O}(\epsilon^{-3})$ in Daskalakis et al. 2022, where $\epsilon$ is the desired accuracy, and also significantly improves other problem parameters.


翻译:我们提出了一种新模型——独立线性马尔可夫博弈,用于处理具有大规模状态空间和大量智能体的多智能体强化学习问题。这是一类具有独立线性函数逼近的马尔可夫博弈,其中每个智能体对由其他智能体策略边缘化的状态-动作价值函数使用自身独立的函数逼近。我们设计了新的算法来学习马尔可夫粗糙关联均衡(CCE)和马尔可夫关联均衡(CE),其样本复杂度界限仅随每个智能体自身函数类复杂度多项式增长,从而打破了多智能体诅咒。相比之下,现有关于带函数逼近的马尔可夫博弈的工作,在标准表格型马尔可夫博弈设置中,样本复杂度界限随**联合动作空间**的大小增长,而该空间在智能体数量上呈指数级庞大。我们的算法依赖于两项关键技术创新:(1)利用策略重播技术应对多智能体和函数逼近带来的非平稳性;(2)将马尔可夫均衡的学习与马尔可夫博弈中的探索分离,从而允许我们使用全信息无遗憾学习预言机,而非表格设置中使用的更强反馈型无遗憾学习预言机。此外,我们提出了一种迭代最优响应型算法,可在独立线性马尔可夫势博弈中学习纯马尔可夫纳什均衡。在表格型情形下,通过将策略重播机制适配至独立线性马尔可夫博弈,我们提出了一种样本复杂度为$\widetilde{O}(\epsilon^{-2})$的算法来学习马尔可夫CCE,这改进了Daskalakis等人2022年的最优结果$\widetilde{O}(\epsilon^{-3})$(其中$\epsilon$为期望精度),并显著优化了其他问题参数。

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