On impact of mixing times in continual reinforcement learning

Le temps de mélange de la chaîne de Markov induite par une politique limite ses performances dans les scénarios réels d'apprentissage continu. Pourtant, l'effet des temps de mélange sur l'apprentissage dans l'apprentissage par renforcement (RL) continu reste peu exploré. Dans cet article, nous caractérisons des problèmes qui sont d'un intérêt à long terme pour le développement de l'apprentissage continu, que nous appelons processus de décision markoviens (MDP) « extensibles » (scalable), à travers le prisme des temps de mélange. En particulier, nous établissons théoriquement que les MDP extensibles ont des temps de mélange qui varient de façon polynomiale avec la taille du problème. Nous démontrons ensuite que les temps de mélange polynomiaux présentent des difficultés importantes pour les approches existantes, qui souffrent d'un biais myope et d'estimations à base de ré-échantillonnage avec remise ensembliste (bootstrapping) périmées. Pour valider notre théorie, nous étudions la complexité des temps de mélange en fonction du nombre de tâches et de la durée des tâches pour des politiques très performantes déployées sur plusieurs jeux Atari. Notre analyse démontre à la fois que des temps de mélange polynomiaux apparaissent en pratique et que leur existence peut conduire à un comportement d'apprentissage instable, comme l'oubli catastrophique dans des contextes d'apprentissage continu.The mixing time of the Markov chain induced by a policy limits performance in real-world continual learning scenarios. Yet, the effect of mixing times on learning in continual reinforcement learning (RL) remains underexplored. In this paper, we characterize problems that are of long-term interest to the development of continual RL, which we call scalable MDPs, through the lens of mixing times. In particular, we theoretically establish that scalable MDPs have mixing times that scale polynomially with the size of the problem. We go on to demonstrate that polynomial mixing times present significant difficulties for existing approaches, which suffer from myopic bias and stale bootstrapped estimates. To validate our theory, we study the empirical scaling behavior of mixing times with respect to the number of tasks and task duration for high performing policies deployed across multiple Atari games. Our analysis demonstrates both that polynomial mixing times do emerge in practice and how their existence may lead to unstable learning behavior like catastrophic forgetting in continual learning settings

Multi-Objective GFlowNets

We study the problem of generating diverse candidates in the context of Multi-Objective Optimization. In many applications of machine learning such as drug discovery and material design, the goal is to generate candidates which simultaneously optimize a set of potentially conflicting objectives. Moreover, these objectives are often imperfect evaluations of some underlying property of interest, making it important to generate diverse candidates to have multiple options for expensive downstream evaluations. We propose Multi-Objective GFlowNets (MOGFNs), a novel method for generating diverse Pareto optimal solutions, based on GFlowNets. We introduce two variants of MOGFNs: MOGFN-PC, which models a family of independent sub-problems defined by a scalarization function, with reward-conditional GFlowNets, and MOGFN-AL, which solves a sequence of sub-problems defined by an acquisition function in an active learning loop. Our experiments on wide variety of synthetic and benchmark tasks demonstrate advantages of the proposed methods in terms of the Pareto performance and importantly, improved candidate diversity, which is the main contribution of this work.Comment: 23 pages, 8 figures. ICML 2023. Code at: https://github.com/GFNOrg/multi-objective-gf