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模型Model

多臂赌博机模型

Multi-armed bandit · MAB

每轮选择一个臂,并且只观察该臂结果的部分反馈序贯决策模型。

形式陈述 ​

根协议 ​

动作空间是含 K≥1 个臂的有限集。沿用在线学习协议的因果次序,第 t 轮策略依据历史

Ht−1=(I1,X1,I1,…,It−1,Xt−1,It−1)

选择 It,随后只观察被选臂的奖励 Xt,It。非预见策略不能使用未来奖励,也不能访问未选臂的反事实结果。奖励表述与损失表述可互换,但一篇分析中符号方向和范围必须固定。

一种统一写法先引入潜在奖励表 (Xt,i)t≤T,i≤K:Xt,i 表示“第 t 轮如果选臂 i 会得到什么”。学习器只实现并观察其中一个坐标 Xt,It,其余潜在结果不可见。可观察历史生成的信息族为

Ft=σ(I1,X1,I1,…,It,Xt,It),

合法策略由只以可观察历史为输入的概率核及独立新随机数实现。单说条件分布对历史可测还不够,因为任意随机变量给定历史的条件分布都会对该历史可测;实质要求是产生动作的机制不得额外访问未来奖励或未选坐标。

直觉

Bandit 的本质是反馈缺失,而不是“有多个选项”。在损失有界的共同设定下,若每轮能看到全部臂结果,就得到全信息专家问题;学习器只有实际选择某臂,才能获得关于它的新证据,因此探索本身会消耗奖励。

随机模型通常令每臂的观测是固定分布 νi 的独立样本,潜在表可在开始时随机生成;对抗模型则允许损失行任意变化,只限制对手不能看见本轮尚未抽出的 It 后再设值。两者共用可观察历史,却在概率来源、比较量和算法分析上分叉:前者有均值与 gap,后者只有相对最好固定臂的遗憾。

所选坐标的部分反馈
例子与边界

三臂广告与信息边界 ​

三臂广告例子中,第 t 轮选择版式 2 后只知道它是否被点击;版式 1 和 3 在同一用户身上的结果是反事实,数据中并不存在。若系统后台同时运行无干扰的随机对照并能观察三者结果,反馈结构才接近全信息。Bandit 的探索成本正来自必须实际选择某臂才能收窄它的不确定性。

遗漏反馈不能填成零奖励。例如两臂潜在奖励均为 1,以概率 (1/4,3/4) 选择。未选位置填零时,第一臂记录的期望只有 1/4;用估计 X^1=41{I=1},它以概率 1/4 取 4,否则取零,期望恢复为 1,方差却为 3。探索概率控制的是这种信息与方差代价,并未补出当轮真实反事实。

合法策略可写为条件分布 πt(⋅∣Ht−1),确定策略是其退化特例。探索要求算法取得足够信息,却不要求每一轮都给所有臂正概率:随机模型中的 UCB 可先逐臂初始化,再确定性地选择置信上界最大的臂;EXP3 一类随机化算法则通过正采样概率构造重要性估计。两种机制分别依赖各自的环境假设。

推论与应用

环境与目标的分支 ​

根模型不假设奖励 IID,也不假设由对手设置。随机 bandit加入固定分布与均值,对抗 bandit允许损失任意变化。把两组假设同时塞入根定义会掩盖算法为何成立。

目标也会分支。累计遗憾不愿频繁试差臂,最佳臂识别却可牺牲过程奖励来降低最终推荐错误;报告“找到了最好臂”不能代替遗憾保证,反过来也一样。全信息、随机 bandit、对抗 bandit 与纯探索因而共享动作集合,却不能共享同一条性能定理。

参考资料
  • Sébastien Bubeck and Nicolò Cesa-Bianchi, “Regret Analysis of Stochastic and Nonstochastic Multi-armed Bandit Problems,” Foundations and Trends in Machine Learning 5(1), 2012, pp. 1–122.
  • Tor Lattimore, Csaba Szepesvári, Bandit Algorithms, Cambridge University Press, 2020, Chs. 4 and 11.
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