We provide a theoretical framework for Reinforcement Learning with Human Feedback (RLHF). Our analysis shows that when the true reward function is linear, the widely used maximum likelihood estimator (MLE) converges under both the Bradley-Terry-Luce (BTL) model and the Plackett-Luce (PL) model. However, we show that when training a policy based on the learned reward model, MLE fails while a pessimistic MLE provides policies with improved performance under certain coverage assumptions. Additionally, we demonstrate that under the PL model, the true MLE and an alternative MLE that splits the $K$-wise comparison into pairwise comparisons both converge. Moreover, the true MLE is asymptotically more efficient. Our results validate the empirical success of existing RLHF algorithms in InstructGPT and provide new insights for algorithm design. Furthermore, our results unify the problem of RLHF and max-entropy Inverse Reinforcement Learning (IRL), and provide the first sample complexity bound for max-entropy IRL.


翻译:我们提供了一个强化学习与人类反馈(RLHF)的理论框架。我们的分析表明,当真实的奖励函数是线性的时候,在 Bradley-Terry-Luce(BTL)模型和 Plackett-Luce(PL)模型下广泛使用的最大似然估计器(MLE)均收敛。然而,我们展示了当基于学习的奖励模型训练策略时,MLE 会失败,而一种悲观的 MLE 则在某些覆盖率假设下提供了性能更好的策略。此外,我们证明在 PL 模型下,真实的MLE 和将 $K$-元比较分成 配对比较的备选MLE 都收敛。而且,真实的MLE渐近效率更高。我们的结果验证了现有RLHF算法在InstructGPT中的经验成功,并为算法设计提供了新的见解。此外,我们的结果统一了RLHF和最大熵逆强化学习(IRL)问题,并为最大熵IRL提供了第一个样本复杂性界。

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极大似然估计方法(Maximum Likelihood Estimate,MLE)也称为最大概似估计或最大似然估计,是求估计的另一种方法,最大概似是1821年首先由德国数学家高斯(C. F. Gauss)提出,但是这个方法通常被归功于英国的统计学家罗纳德·费希尔(R. A. Fisher) 它是建立在极大似然原理的基础上的一个统计方法,极大似然原理的直观想法是,一个随机试验如有若干个可能的结果A,B,C,... ,若在一次试验中,结果A出现了,那么可以认为实验条件对A的出现有利,也即出现的概率P(A)较大。极大似然原理的直观想法我们用下面例子说明。设甲箱中有99个白球,1个黑球;乙箱中有1个白球.99个黑球。现随机取出一箱,再从抽取的一箱中随机取出一球,结果是黑球,这一黑球从乙箱抽取的概率比从甲箱抽取的概率大得多,这时我们自然更多地相信这个黑球是取自乙箱的。一般说来,事件A发生的概率与某一未知参数theta有关, theta取值不同,则事件A发生的概率P(A/theta)也不同,当我们在一次试验中事件A发生了,则认为此时的theta值应是t的一切可能取值中使P(A/theta)达到最大的那一个,极大似然估计法就是要选取这样的t值作为参数t的估计值,使所选取的样本在被选的总体中出现的可能性为最大。
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