Off-Policy Evaluation (OPE) serves as one of the cornerstones in Reinforcement Learning (RL). Fitted Q Evaluation (FQE) with various function approximators, especially deep neural networks, has gained practical success. While statistical analysis has proved FQE to be minimax-optimal with tabular, linear and several nonparametric function families, its practical performance with more general function approximator is less theoretically understood. We focus on FQE with general differentiable function approximators, making our theory applicable to neural function approximations. We approach this problem using the Z-estimation theory and establish the following results: The FQE estimation error is asymptotically normal with explicit variance determined jointly by the tangent space of the function class at the ground truth, the reward structure, and the distribution shift due to off-policy learning; The finite-sample FQE error bound is dominated by the same variance term, and it can also be bounded by function class-dependent divergence, which measures how the off-policy distribution shift intertwines with the function approximator. In addition, we study bootstrapping FQE estimators for error distribution inference and estimating confidence intervals, accompanied by a Cramer-Rao lower bound that matches our upper bounds. The Z-estimation analysis provides a generalizable theoretical framework for studying off-policy estimation in RL and provides sharp statistical theory for FQE with differentiable function approximators.


翻译:虽然统计分析证明FQE与表格式、线性和若干非对称函数组的最小最大最佳性能,但其实际性能在理论上不太理解。我们侧重于具有一般差异功能匹配器的FQE,使我们的理论适用于神经功能近似。我们使用Z-估计理论来解决这个问题,并确立以下结果:FQE估计错误是微不足道的正常的,由地面函数类的相近空间、奖赏结构以及因离政策学习而产生的分布变化共同决定的明显差异。

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