We study the problem of best arm identification in a federated learning multi-armed bandit setup with a central server and multiple clients. Each client is associated with a multi-armed bandit in which each arm yields {\em i.i.d.}\ rewards following a Gaussian distribution with an unknown mean and known variance. The set of arms is assumed to be the same at all the clients. We define two notions of best arm -- local and global. The local best arm at a client is the arm with the largest mean among the arms local to the client, whereas the global best arm is the arm with the largest average mean across all the clients. We assume that each client can only observe the rewards from its local arms and thereby estimate its local best arm. The clients communicate with a central server on uplinks that entail a cost of $C\ge0$ units per usage per uplink. The global best arm is estimated at the server. The goal is to identify the local best arms and the global best arm with minimal total cost, defined as the sum of the total number of arm selections at all the clients and the total communication cost, subject to an upper bound on the error probability. We propose a novel algorithm {\sc FedElim} that is based on successive elimination and communicates only in exponential time steps and obtain a high probability instance-dependent upper bound on its total cost. The key takeaway from our paper is that for any $C\geq 0$ and error probabilities sufficiently small, the total number of arm selections (resp.\ the total cost) under {\sc FedElim} is at most~$2$ (resp.~$3$) times the maximum total number of arm selections under its variant that communicates in every time step. Additionally, we show that the latter is optimal in expectation up to a constant factor, thereby demonstrating that communication is almost cost-free in {\sc FedElim}. We numerically validate the efficacy of {\sc FedElim}.


翻译:我们研究在一个由中央服务器和多个客户组成的联合学习型多武装匪徒中,最好的手臂识别问题。 每个客户都与一个多武装的匪徒有关系,每只手都有收益,每只手都有未知的中值和已知的差异。 假设所有客户都有同样的武器组合。 我们定义了两种最佳手臂概念: 当地和全球。 一个客户的当地最好的手臂是当地武器中最大平均值的手臂, 而全球最好的手臂是所有客户中最大平均平均值的手臂。 我们假设每个客户只能从当地武器中看到奖赏,从而估算当地最好的手臂。 客户与一个中央服务器进行通信,每只花费1美元,每只花费1美元。 全球最好的手臂是在服务器上估计。 目标是确定当地最佳武器和全球最可靠的手臂,其总成本成本是最低的手臂数量, 在所有客户中显示总选择的手臂的总数和全部通信费用中的最大手臂的奖赏。 我们根据一个最高比率选择, 其最高比率是成本的概率, 我们根据一个最高概率, 以最高比率显示我们总成本的汇率 。

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