We study non-parametric estimation of the value function of an infinite-horizon $\gamma$-discounted Markov reward process (MRP) using observations from a single trajectory. We provide non-asymptotic guarantees for a general family of kernel-based multi-step temporal difference (TD) estimates, including canonical $K$-step look-ahead TD for $K = 1, 2, \ldots$ and the TD$(\lambda)$ family for $\lambda \in [0,1)$ as special cases. Our bounds capture its dependence on Bellman fluctuations, mixing time of the Markov chain, any mis-specification in the model, as well as the choice of weight function defining the estimator itself, and reveal some delicate interactions between mixing time and model mis-specification. For a given TD method applied to a well-specified model, its statistical error under trajectory data is similar to that of i.i.d. sample transition pairs, whereas under mis-specification, temporal dependence in data inflates the statistical error. However, any such deterioration can be mitigated by increased look-ahead. We complement our upper bounds by proving minimax lower bounds that establish optimality of TD-based methods with appropriately chosen look-ahead and weighting, and reveal some fundamental differences between value function estimation and ordinary non-parametric regression.


翻译:我们利用单一轨迹的观察,研究对以美元计价的无穷分量的Markov奖励进程(MRP)的价值函数的非参数估计。我们为基于内核的多步时间差异(TD)估计(包括以美元=1、2美元计价的Canonical $-k$-step-ahead TD),对美元=1,2,\ldots美元和以美元计价(lambda)美元计价的TD$(lambda)家庭[0,1美元)的特殊案例。我们的界限反映了其对Bellman波动的依赖,混合了Markov链链中的任何时间、模型中的任何错误区分以及界定估量本身的权重函数的选择,并揭示了混合时间和模型误差之间的一些微妙互动。对于适用于一个精确模型的某种特定的TD法方法,其轨迹数据中的统计错误类似于i.d.样本过渡配对,而根据错误的外观,在数据中的时间依赖性使统计价值不增缩,而缩小了统计结构上的误差。然而,任何这种退化都能够适当地评估。

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