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UCB 算法

UCB1 · upper confidence bound algorithm

在有界随机多臂赌博机中选择经验均值加置信半径最大的手臂。

条目类型
算法

形式陈述

模型与算法

K 个臂,臂 i 的奖励独立同分布于 [0,1],均值为 μi。UCB1 以累计随机赌博机遗憾为目标,先把每臂拉一次;此后在时刻 t 选择

Itargmaxi{μ^i(t1)+2logtNi(t1)},

其中 Ni(t1) 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

μ=maxiμiΔi=μμi>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 22logt/nΔi。前两类由Hoeffding 不等式及对时间/臂的求和控制;后一项在 n>8logT/Δi2 后不再可能。由此得到

ENi(T)8logTΔi2+O(1),

以及伪遗憾

RegT=i:Δi>0ΔiENi(T)=O(i:Δi>0logTΔi).
直觉

UCB 把不确定性下的乐观原则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((logT)/Δi2) 后消失,这正是拉取界的结构来源。

最高置信上界选臂
例子与边界

自适应样本数的严谨点

Ni(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,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

Δi 很小时,上述 gap-dependent 界可能比 minimax KT 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 Δi 并求和,得到 O(i(logT)/Δi) 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
关系图谱12 个相邻概念 · 3 类关系

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