形式陈述
模型与算法
有 K 个臂,臂 i 的奖励独立同分布于 [ 0 , 1 ] ,均值为 μ i 。UCB1 以累计随机赌博机遗憾 公理库 随机赌博机与伪遗憾 Stochastic bandit · Pseudo-regret 每个臂从固定分布独立取样时,以均值差和选择次数表达期望损失。 为目标,先把每臂拉一次;此后在时刻 t 选择
I t ∈ arg max i { μ ^ i ( t − 1 ) + 2 log t N i ( t − 1 ) } , 其中 N i ( t − 1 ) 是此前拉臂次数,μ ^ i 是对应奖励均值。平票规则可任意固定。指数中的常数与证明采用的置信事件必须配套;“UCB”还包括许多方差、自归一化或 KL 版本,本页只陈述 UCB1。
次优臂拉取界
令 μ ∗ = max i μ i 、Δ i = μ ∗ − μ i > 0 。若次优臂 i 在已经拉取 n 次后仍被选中,则至少发生以下之一:最优臂均值被低估、臂 i 均值被高估,或其半径尚大到 2 2 log t / n ≥ Δ i 。前两类由Hoeffding 不等式 公理库 Hoeffding 不等式 Hoeffding's inequality 独立有界随机变量和偏离期望的概率以平方偏差的指数速度衰减。 及对时间/臂的求和控制;后一项在 n > 8 log T / Δ i 2 后不再可能。由此得到
E N i ( T ) ≤ 8 log T Δ i 2 + O ( 1 ) , 以及伪遗憾
Reg ― T = ∑ i : Δ i > 0 Δ i E N i ( T ) = O ( ∑ i : Δ i > 0 log T Δ i ) . 直觉
UCB 把不确定性下的乐观原则 公理库 不确定性下的乐观原则 Optimism under uncertainty · Optimism in the face of uncertainty 在仍与数据相容的模型中按最好可能价值行动,以探索消除不确定性。 写成一个可比较指数:经验均值表示已经观测到的收益,置信半径表示仍未排除的上升空间。常拉的臂半径收缩,少拉的臂仍可能显得最好,于是探索与利用在每轮由同一条上界共同决定。
次优臂只有在估计发生罕见偏差,或它的半径仍大到足以覆盖 gap 时才会被选中。前两类事件的概率可求和,后一类在样本数达到 O ( ( log T ) / Δ i 2 ) 后消失,这正是拉取界的结构来源。
图片加载失败 最高置信上界选臂
例子与边界
自适应样本数的严谨点
N i ( t ) 由过去奖励决定,不能把它当作预先固定样本量无条件套 Hoeffding。常见处理是先为每个确定的臂内样本数 n 建立事件,再对 i , t , n 使用并集界 公理库 并集界 Union bound · Boole 不等式 多个坏事件中至少一个发生的概率,不超过各事件概率之和。 ,或使用适用于停止时间的置信序列。这样在随机时刻读取经验均值仍有保证。
边界
Δ i 很小时,上述 gap-dependent 界可能比 minimax K T 量级更差;它不是所有实例上的最佳表达。奖励范围未知、重尾、非平稳或对抗生成时,Hoeffding 半径失效,需要稳健均值或另一 bandit 模型。UCB1 控制累计 regret,也不是最佳臂识别 公理库 最佳臂识别 best-arm identification · pure exploration 以可靠选出最高均值臂为目标,研究纯探索的停止规则与样本复杂度。 的最优停止算法。
推论与应用
将每个次优臂的期望拉取次数乘以 Δ i 并求和,得到 O ( ∑ i ( log T ) / Δ i ) 的实例依赖伪遗憾。该式说明 gap 大的臂会很快被排除,真正昂贵的是与最优臂难分的近邻。
UCB 是一族算法而非单一公式。方差感知、KL-UCB、线性 UCB 与置信序列版本会改变半径和证明事件;迁移时应从奖励范围、尾部模型和自适应覆盖要求重新推导,不应只替换根号中的常数。
参考资料