Q-learning, which seeks to learn the optimal Q-function of a Markov decision process (MDP) in a model-free fashion, lies at the heart of reinforcement learning. When it comes to the synchronous setting (such that independent samples for all state-action pairs are drawn from a generative model in each iteration), substantial progress has been made towards understanding the sample efficiency of Q-learning. Consider a $\gamma$-discounted infinite-horizon MDP with state space $\mathcal{S}$ and action space $\mathcal{A}$: to yield an entrywise $\varepsilon$-approximation of the optimal Q-function, state-of-the-art theory for Q-learning requires a sample size exceeding the order of $\frac{|\mathcal{S}||\mathcal{A}|}{(1-\gamma)^5\varepsilon^{2}}$, which fails to match existing minimax lower bounds. This gives rise to natural questions: what is the sharp sample complexity of Q-learning? Is Q-learning provably sub-optimal? This paper addresses these questions for the synchronous setting: (1) when $|\mathcal{A}|=1$ (so that Q-learning reduces to TD learning), we prove that the sample complexity of TD learning is minimax optimal and scales as $\frac{|\mathcal{S}|}{(1-\gamma)^3\varepsilon^2}$ (up to log factor); (2) when $|\mathcal{A}|\geq 2$, we settle the sample complexity of Q-learning to be on the order of $\frac{|\mathcal{S}||\mathcal{A}|}{(1-\gamma)^4\varepsilon^2}$ (up to log factor). Our theory unveils the strict sub-optimality of Q-learning when $|\mathcal{A}|\geq 2$, and rigorizes the negative impact of over-estimation in Q-learning. Finally, we extend our analysis to accommodate asynchronous Q-learning (i.e., the case with Markovian samples), sharpening the horizon dependency of its sample complexity to be $\frac{1}{(1-\gamma)^4}$.


翻译:摘要:Q学习作为强化学习的核心方法,旨在以无模型方式学习马尔可夫决策过程的最优Q函数。针对同步设置(即每次迭代中从生成模型独立采样所有状态-动作对),学界在理解Q学习的样本效率方面取得了重要进展。考虑一个具有状态空间$\mathcal{S}$和动作空间$\mathcal{A}$的$\gamma$-折扣无限时域MDP:为获得最优Q函数的逐元素$\varepsilon$-近似,当前Q学习理论所需的样本量超过$\frac{|\mathcal{S}||\mathcal{A}|}{(1-\gamma)^5\varepsilon^{2}}$量级,未能匹配现有的极小极大下界。这自然引发两个问题:Q学习的精确样本复杂度是多少?Q学习是否被证明是次优的?本文针对同步设置回答这些问题:(1)当$|\mathcal{A}|=1$时(此时Q学习退化为TD学习),我们证明TD学习的样本复杂度达到极小极大最优,其缩放比例为$\frac{|\mathcal{S}|}{(1-\gamma)^3\varepsilon^2}$(忽略对数因子);(2)当$|\mathcal{A}|\geq 2$时,我们确定Q学习的样本复杂度为$\frac{|\mathcal{S}||\mathcal{A}|}{(1-\gamma)^4\varepsilon^2}$量级(忽略对数因子)。理论揭示了当$|\mathcal{A}|\geq 2$时Q学习的严格次优性,并严谨化了Q学习中过估计的负面影响。最后,我们将分析扩展至异步Q学习(即马尔可夫样本情形),将其样本复杂度的时域依赖性优化至$\frac{1}{(1-\gamma)^4}$。

0
下载
关闭预览

相关内容

【2023新书】随机模型基础,815页pdf
专知会员服务
105+阅读 · 2023年5月10日
【2022新书】强化学习工业应用,408页pdf
专知会员服务
232+阅读 · 2022年2月3日
专知会员服务
15+阅读 · 2021年9月23日
Fariz Darari简明《博弈论Game Theory》介绍,35页ppt
专知会员服务
112+阅读 · 2020年5月15日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
强化学习扫盲贴:从Q-learning到DQN
夕小瑶的卖萌屋
52+阅读 · 2019年10月13日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
腊月廿八 | 强化学习-TRPO和PPO背后的数学
AI研习社
18+阅读 · 2019年2月2日
无监督元学习表示学习
CreateAMind
27+阅读 · 2019年1月4日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
vae 相关论文 表示学习 1
CreateAMind
12+阅读 · 2018年9月6日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
【推荐】深度学习目标检测概览
机器学习研究会
10+阅读 · 2017年9月1日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
17+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
18+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2008年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年5月8日
Arxiv
0+阅读 · 2023年5月5日
VIP会员
最新内容
超越网格:作战环境对炮兵的影响
专知会员服务
1+阅读 · 今天15:35
KDD 2026 | MixRAGRec:面向LLM推荐的混合专家KG-RAG框架
BES:让语言模型通过双向进化搜索自我改进
专知会员服务
4+阅读 · 5月30日
以色列-美国-伊朗战争中的无人机:关键要点
专知会员服务
4+阅读 · 5月30日
《Palantir任务保障性软件安全标准(MA-S2)》
专知会员服务
14+阅读 · 5月30日
基于声学的无人机检测技术综述
专知会员服务
8+阅读 · 5月30日
《当代混合战争分析框架:俄乌战争经验教训》
相关资讯
强化学习扫盲贴:从Q-learning到DQN
夕小瑶的卖萌屋
52+阅读 · 2019年10月13日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
腊月廿八 | 强化学习-TRPO和PPO背后的数学
AI研习社
18+阅读 · 2019年2月2日
无监督元学习表示学习
CreateAMind
27+阅读 · 2019年1月4日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
vae 相关论文 表示学习 1
CreateAMind
12+阅读 · 2018年9月6日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
【推荐】深度学习目标检测概览
机器学习研究会
10+阅读 · 2017年9月1日
相关基金
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
17+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
18+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2008年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员