Parameterized Indexed Value Function for Efficient Exploration in Reinforcement Learning

It is well known that quantifying uncertainty in the action-value estimates is crucial for efficient exploration in reinforcement learning. Ensemble sampling offers a relatively computationally tractable way of doing this using randomized value functions. However, it still requires a huge amount of computational resources for complex problems. In this paper, we present an alternative, computationally efficient way to induce exploration using index sampling. We use an indexed value function to represent uncertainty in our action-value estimates. We first present an algorithm to learn parameterized indexed value function through a distributional version of temporal difference in a tabular setting and prove its regret bound. Then, in a computational point of view, we propose a dual-network architecture, Parameterized Indexed Networks (PINs), comprising one mean network and one uncertainty network to learn the indexed value function. Finally, we show the efficacy of PINs through computational experiments.Comment: 17 pages, 4 figures, Proceedings of the 34th AAAI Conference on Artificial Intelligenc

Deep Exploration for Recommendation Systems

Modern recommendation systems ought to benefit by probing for and learning from delayed feedback. Research has tended to focus on learning from a user's response to a single recommendation. Such work, which leverages methods of supervised and bandit learning, forgoes learning from the user's subsequent behavior. Where past work has aimed to learn from subsequent behavior, there has been a lack of effective methods for probing to elicit informative delayed feedback. Effective exploration through probing for delayed feedback becomes particularly challenging when rewards are sparse. To address this, we develop deep exploration methods for recommendation systems. In particular, we formulate recommendation as a sequential decision problem and demonstrate benefits of deep exploration over single-step exploration. Our experiments are carried out with high-fidelity industrial-grade simulators and establish large improvements over existing algorithms

Making Linear MDPs Practical via Contrastive Representation Learning

It is common to address the curse of dimensionality in Markov decision processes (MDPs) by exploiting low-rank representations. This motivates much of the recent theoretical study on linear MDPs. However, most approaches require a given representation under unrealistic assumptions about the normalization of the decomposition or introduce unresolved computational challenges in practice. Instead, we consider an alternative definition of linear MDPs that automatically ensures normalization while allowing efficient representation learning via contrastive estimation. The framework also admits confidence-adjusted index algorithms, enabling an efficient and principled approach to incorporating optimism or pessimism in the face of uncertainty. To the best of our knowledge, this provides the first practical representation learning method for linear MDPs that achieves both strong theoretical guarantees and empirical performance. Theoretically, we prove that the proposed algorithm is sample efficient in both the online and offline settings. Empirically, we demonstrate superior performance over existing state-of-the-art model-based and model-free algorithms on several benchmarks.Comment: ICML 2022. The first two authors contribute equall

Large state spaces and self-supervision in reinforcement learning

L'apprentissage par renforcement (RL) est un paradigme d'apprentissage orienté agent qui s'intéresse à l'apprentissage en interagissant avec un environnement incertain. Combiné à des réseaux de neurones profonds comme approximateur de fonction, l'apprentissage par renforcement profond (Deep RL) nous a permis récemment de nous attaquer à des tâches très complexes et de permettre à des agents artificiels de maîtriser des jeux classiques comme le Go, de jouer à des jeux vidéo à partir de pixels et de résoudre des tâches de contrôle robotique. Toutefois, un examen plus approfondi de ces remarquables succès empiriques révèle certaines limites fondamentales. Tout d'abord, il a été difficile de combiner les caractéristiques souhaitables des algorithmes RL, telles que l'apprentissage hors politique et en plusieurs étapes, et l'approximation de fonctions, de manière à obtenir des algorithmes stables et efficaces dans de grands espaces d'états. De plus, les algorithmes RL profonds ont tendance à être très inefficaces en raison des stratégies d'exploration-exploitation rudimentaires que ces approches emploient. Enfin, ils nécessitent une énorme quantité de données supervisées et finissent par produire un agent étroit capable de résoudre uniquement la tâche sur laquelle il est entrainé. Dans cette thèse, nous proposons de nouvelles solutions aux problèmes de l'apprentissage hors politique et du dilemme exploration-exploitation dans les grands espaces d'états, ainsi que de l'auto-supervision dans la RL. En ce qui concerne l'apprentissage hors politique, nous apportons deux contributions. Tout d'abord, pour le problème de l'évaluation des politiques, nous montrons que la combinaison des méthodes populaires d'apprentissage hors politique et à plusieurs étapes avec une paramétrisation linéaire de la fonction de valeur pourrait conduire à une instabilité indésirable, et nous dérivons une variante de ces méthodes dont la convergence est prouvée. Deuxièmement, pour l'optimisation des politiques, nous proposons de stabiliser l'étape d'amélioration des politiques par une régularisation de divergence hors politique qui contraint les distributions stationnaires d'états induites par des politiques consécutives à être proches les unes des autres. Ensuite, nous étudions l'apprentissage en ligne dans de grands espaces d'états et nous nous concentrons sur deux hypothèses structurelles pour rendre le problème traitable : les environnements lisses et linéaires. Pour les environnements lisses, nous proposons un algorithme en ligne efficace qui apprend activement un partitionnement adaptatif de l'espace commun en zoomant sur les régions les plus prometteuses et fréquemment visitées. Pour les environnements linéaires, nous étudions un cadre plus réaliste, où l'environnement peut maintenant évoluer dynamiquement et même de façon antagoniste au fil du temps, mais le changement total est toujours limité. Pour traiter ce cadre, nous proposons un algorithme en ligne efficace basé sur l'itération de valeur des moindres carrés pondérés. Il utilise des poids exponentiels pour oublier doucement les données qui sont loin dans le passé, ce qui pousse l'agent à continuer à explorer pour découvrir les changements. Enfin, au-delà du cadre classique du RL, nous considérons un agent qui interagit avec son environnement sans signal de récompense. Nous proposons d'apprendre une paire de représentations qui mettent en correspondance les paires état-action avec un certain espace latent. Pendant la phase non supervisée, ces représentations sont entraînées en utilisant des interactions sans récompense pour encoder les relations à longue portée entre les états et les actions, via une carte d'occupation prédictive. Au moment du test, lorsqu'une fonction de récompense est révélée, nous montrons que la politique optimale pour cette récompense est directement obtenue à partir de ces représentations, sans aucune planification. Il s'agit d'une étape vers la construction d'agents entièrement contrôlables. Un thème commun de la thèse est la conception d'algorithmes RL prouvables et généralisables. Dans la première et la deuxième partie, nous traitons de la généralisation dans les grands espaces d'états, soit par approximation de fonctions linéaires, soit par agrégation d'états. Dans la dernière partie, nous nous concentrons sur la généralisation sur les fonctions de récompense et nous proposons un cadre d'apprentissage non-supervisé de représentation qui est capable d'optimiser toutes les fonctions de récompense.Reinforcement Learning (RL) is an agent-oriented learning paradigm concerned with learning by interacting with an uncertain environment. Combined with deep neural networks as function approximators, deep reinforcement learning (Deep RL) allowed recently to tackle highly complex tasks and enable artificial agents to master classic games like Go, play video games from pixels, and solve robotic control tasks. However, a closer look at these remarkable empirical successes reveals some fundamental limitations. First, it has been challenging to combine desirable features of RL algorithms, such as off-policy and multi-step learning with function approximation in a way that leads to both stable and efficient algorithms in large state spaces. Moreover, Deep RL algorithms tend to be very sample inefficient due to the rudimentary exploration-exploitation strategies these approaches employ. Finally, they require an enormous amount of supervised data and end up producing a narrow agent able to solve only the task that it was trained on. In this thesis, we propose novel solutions to the problems of off-policy learning and exploration-exploitation dilemma in large state spaces, as well as self-supervision in RL. On the topic of off-policy learning, we provide two contributions. First, for the problem of policy evaluation, we show that combining popular off-policy and multi-step learning methods with linear value function parameterization could lead to undesirable instability, and we derive a provably convergent variant of these methods. Second, for policy optimization, we propose to stabilize the policy improvement step through an off-policy divergence regularization that constrains the discounted state-action visitation induced by consecutive policies to be close to one another. Next, we study online learning in large state spaces and we focus on two structural assumptions to make the problem tractable: smooth and linear environments. For smooth environments, we propose an efficient online algorithm that actively learns an adaptive partitioning of the joint space by zooming in on more promising and frequently visited regions. For linear environments, we study a more realistic setting, where the environment is now allowed to evolve dynamically and even adversarially over time, but the total change is still bounded. To address this setting, we propose an efficient online algorithm based on weighted least squares value iteration. It uses exponential weights to smoothly forget data that are far in the past, which drives the agent to keep exploring to discover changes. Finally, beyond the classical RL setting, we consider an agent interacting with its environments without a reward signal. We propose to learn a pair of representations that map state-action pairs to some latent space. During the unsupervised phase, these representations are trained using reward-free interactions to encode long-range relationships between states and actions, via a predictive occupancy map. At test time, once a reward function is revealed, we show that the optimal policy for that reward is directly obtained from these representations, with no planning. This is a step towards building fully controllable agents. A common theme in the thesis is the design of provable RL algorithms that generalize. In the first and the second part, we deal with generalization in large state spaces either by linear function approximation or state aggregation. In the last part, we focus on generalization over reward functions and we propose a task-agnostic representation learning framework that is provably able to solve all reward functions

Bayesian Exploration Networks

Bayesian reinforcement learning (RL) offers a principled and elegant approach for sequential decision making under uncertainty. Most notably, Bayesian agents do not face an exploration/exploitation dilemma, a major pathology of frequentist methods. A key challenge for Bayesian RL is the computational complexity of learning Bayes-optimal policies, which is only tractable in toy domains. In this paper we propose a novel model-free approach to address this challenge. Rather than modelling uncertainty in high-dimensional state transition distributions as model-based approaches do, we model uncertainty in a one-dimensional Bellman operator. Our theoretical analysis reveals that existing model-free approaches either do not propagate epistemic uncertainty through the MDP or optimise over a set of contextual policies instead of all history-conditioned policies. Both approximations yield policies that can be arbitrarily Bayes-suboptimal. To overcome these issues, we introduce the Bayesian exploration network (BEN) which uses normalising flows to model both the aleatoric uncertainty (via density estimation) and epistemic uncertainty (via variational inference) in the Bellman operator. In the limit of complete optimisation, BEN learns true Bayes-optimal policies, but like in variational expectation-maximisation, partial optimisation renders our approach tractable. Empirical results demonstrate that BEN can learn true Bayes-optimal policies in tasks where existing model-free approaches fail

AI alignment and generalization in deep learning

This thesis covers a number of works in deep learning aimed at understanding and improving generalization abilities of deep neural networks (DNNs). DNNs achieve unrivaled performance in a growing range of tasks and domains, yet their behavior during learning and deployment remains poorly understood. They can also be surprisingly brittle: in-distribution generalization can be a poor predictor of behavior or performance under distributional shifts, which typically cannot be avoided in practice. While these limitations are not unique to DNNs -- and indeed are likely to be challenges facing any AI systems of sufficient complexity -- the prevalence and power of DNNs makes them particularly worthy of study. I frame these challenges within the broader context of "AI Alignment": a nascent field focused on ensuring that AI systems behave in accordance with their user's intentions. While making AI systems more intelligent or capable can help make them more aligned, it is neither necessary nor sufficient for alignment. However, being able to align state-of-the-art AI systems (e.g. DNNs) is of great social importance in order to avoid undesirable and unsafe behavior from advanced AI systems. Without progress in AI Alignment, advanced AI systems might pursue objectives at odds with human survival, posing an existential risk (``x-risk'') to humanity. A core tenet of this thesis is that the achieving high performance on machine learning benchmarks if often a good indicator of AI systems' capabilities, but not their alignment. This is because AI systems often achieve high performance in unexpected ways that reveal the limitations of our performance metrics, and more generally, our techniques for specifying our intentions. Learning about human intentions using DNNs shows some promise, but DNNs are still prone to learning to solve tasks using concepts of "features" very different from those which are salient to humans. Indeed, this is a major source of their poor generalization on out-of-distribution data. By better understanding the successes and failures of DNN generalization and current methods of specifying our intentions, we aim to make progress towards deep-learning based AI systems that are able to understand users' intentions and act accordingly.Cette thèse discute quelques travaux en apprentissage profond visant à comprendre et à améliorer les capacités de généralisation des réseaux de neurones profonds (DNN). Les DNNs atteignent des performances inégalées dans un éventail croissant de tâches et de domaines, mais leur comportement pendant l'apprentissage et le déploiement reste mal compris. Ils peuvent également être étonnamment fragiles: la généralisation dans la distribution peut être un mauvais prédicteur du comportement ou de la performance lors de changements de distribution, ce qui ne peut généralement pas être évité dans la pratique. Bien que ces limitations ne soient pas propres aux DNN - et sont en effet susceptibles de constituer des défis pour tout système d'IA suffisamment complexe - la prévalence et la puissance des DNN les rendent particulièrement dignes d'étude. J'encadre ces défis dans le contexte plus large de «l'alignement de l'IA»: un domaine naissant axé sur la garantie que les systèmes d'IA se comportent conformément aux intentions de leurs utilisateurs. Bien que rendre les systèmes d'IA plus intelligents ou capables puisse aider à les rendre plus alignés, cela n'est ni nécessaire ni suffisant pour l'alignement. Cependant, être capable d'aligner les systèmes d'IA de pointe (par exemple les DNN) est d'une grande importance sociale afin d'éviter les comportements indésirables et dangereux des systèmes d'IA avancés. Sans progrès dans l'alignement de l'IA, les systèmes d'IA avancés pourraient poursuivre des objectifs contraires à la survie humaine, posant un risque existentiel («x-risque») pour l'humanité. L'un des principes fondamentaux de cette thèse est que l'obtention de hautes performances sur les repères d'apprentissage automatique est souvent un bon indicateur des capacités des systèmes d'IA, mais pas de leur alignement. En effet, les systèmes d'IA atteignent souvent des performances élevées de manière inattendue, ce qui révèle les limites de nos mesures de performance et, plus généralement, de nos techniques pour spécifier nos intentions. L'apprentissage des intentions humaines à l'aide des DNN est quelque peu prometteur, mais les DNN sont toujours enclins à apprendre à résoudre des tâches en utilisant des concepts de «caractéristiques» très différents de ceux qui sont saillants pour les humains. En effet, c'est une source majeure de leur mauvaise généralisation sur les données hors distribution. En comprenant mieux les succès et les échecs de la généralisation DNN et les méthodes actuelles de spécification de nos intentions, nous visons à progresser vers des systèmes d'IA basés sur l'apprentissage en profondeur qui sont capables de comprendre les intentions des utilisateurs et d'agir en conséquence

Active inference and learning

This paper offers an active inference account of choice behaviour and learning. It focuses on the distinction between goal-directed and habitual behaviour and how they contextualise each other. We show that habits emerge naturally (and autodidactically) from sequential policy optimisation when agents are equipped with state-action policies. In active inference, behaviour has explorative (epistemic) and exploitative (pragmatic) aspects that are sensitive to ambiguity and risk respectively, where epistemic (ambiguity-resolving) behaviour enables pragmatic (reward-seeking) behaviour and the subsequent emergence of habits. Although goal-directed and habitual policies are usually associated with model-based and model-free schemes, we find the more important distinction is between belief-free and belief-based schemes. The underlying (variational) belief updating provides a comprehensive (if metaphorical) process theory for several phenomena, including the transfer of dopamine responses, reversal learning, habit formation and devaluation. Finally, we show that active inference reduces to a classical (Bellman) scheme, in the absence of ambiguity