순차적 의사결정 문제에서 학습자(또는 에이전트)는 환경과 직접 상호작용하며 과제를 학습하는 데 필요한 데이터를 획득한다. 다른 머신러닝 패러다임과의 가장 큰 차이점은 학습자가 환...

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서울 : 서울대학교 대학원, 2025
2025
영어
005
서울
ix, 180 ; 26 cm
지도교수: 오민환
I804:11032-000000189755
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순차적 의사결정 문제에서 학습자(또는 에이전트)는 환경과 직접 상호작용하며 과제를 학습하는 데 필요한 데이터를 획득한다. 다른 머신러닝 패러다임과의 가장 큰 차이점은 학습자가 환경으로부터의 피드백을 활용하여 학습에 적합한 데이터를 직접 수집해야 한다는 점이다. 이러한 순차적 의사결정 문제를 위한 알고리즘을 설계할 때 다음 세 가지 주요 도전 과제가 존재한다: (i) 탐색-활용 균형(Exploration-Exploitation Trade-off): 더 나은 데이터를 획득하기 위해 학습자는 현재의 지식을 활용하여 최적의 결정을 내리는 것과 새로운 정보를 탐색하여 학습을 촉진하는 것 사이에서 균형을 유지해야 한다. (ii) 일반화(Generalization): 현실 세계의 의사결정 문제에서는 선택해야 할 옵션의 집합이 방대하며, 학습 과정에서 동일한 데이터를 반복적으로 마주칠 가능성이 낮다. 따라서 알고리즘은 이전에 본 적 없는 데이터에 대해서도 성능을 보장할 수 있어야 한다. (iii) 지연된 피드백(Delayed Feedback): 바둑과 같은 보드게임 환경에서는 학습자의 초기 행동에 대한 피드백이 게임이 끝난 후에야 주어지는 경우가 있다. 이러한 도전 과제를 해결하는 것뿐만 아니라, 현실 세계의 의사결정 문제를 위한 알고리즘은 성능 보장을 제공해야 한다. 이는 게임과 같은 시뮬레이션 환경과 비교했을 때, 현실 세계에서의 의사결정이 훨씬 더 중요한 영향을 미치기 때문이다. 본 논문에서는 두 가지 주요 순차적 의사결정 문제에 대해 성능 보장을 갖춘 알고리즘을 설계하는 데 초점을 맞춘다.
조합적 컨텍츄얼 밴딧 문제(Contextual Combinatorial Bandits, 2장): 학습 환경에서 제공되는 피드백에 대한 모델링 가정에 의존하지 않는 조합적 컨텍츄얼 밴딧 알고리즘을 논의한다. 심층 신경망의 강력한 표현력을 활용하여 제안된 알고리즘은 뛰어난 일반화 성능을 보이며, UCB 및 톰슨 샘플링을 활용한 효율적인 탐색을 통해 리그렛(regret) 유계에 대한 성능을 보장을 달성한다.
비선형 함수 근사 기반 강화학습(Reinforcement Learning with Non-linear Function Approximation, 3장 \& 4장): 비선형 함수 근사를 기반으로 한 강화학습 알고리즘을 소개한다. 먼저, 기존의 선형 함수 근사 기반 강화학습 알고리즘의 한계를 분석하고, 이를 극복하기 위한 새로운 비선형 강화학습 프레임워크를 제안한다. UCB 및 무작위 탐색 전략을 활용함으로써 제안된 알고리즘이 계산 및 통계적으로 효율적임을 보인다.
다국어 초록 (Multilingual Abstract)
In sequential decision-making problems, a learner (or agent) acquires the data required to learn a task by directly interacting with the environment. A key distinction from other machine learning paradigms is that the learner must actively collect dat...
In sequential decision-making problems, a learner (or agent) acquires the data required to learn a task by directly interacting with the environment. A key distinction from other machine learning paradigms is that the learner must actively collect data conducive to learning by leveraging feedback from the environment. Designing algorithms for such sequential decision-making problems involves three major challenges: (i) Exploration-Exploitation Trade-off: To acquire better data, the learner must balance exploiting the current knowledge to make the best decision and exploring new information to facilitate learning. (ii) Generalization: In real-world decision-making problems, the set of options to choose from is often vast. Moreover, it is unlikely to encounter the same data twice during the learning process. Thus, algorithms must ensure performance guarantees even on unseen data. (iii) Delayed Feedback: In some environments, such as board games like Go, feedback on the learner's initial actions is only available after the game ends. In addition to addressing these challenges, algorithms for real-world decision-making problems must come with performance guarantees. This is because the impact of decision-making in real-world settings is far more significant than in simulated environments like games. In this thesis, we focus on designing sequential decision-making algorithms with performance guarantees for two primary classes of sequential decision-making problems:
Contextual Combinatorial Bandits (Chapter 2): We discuss contextual combinatorial bandit algorithms that do not rely on modeling assumptions about the feedback received from the interactive environment. Leveraging the powerful representational capacity of deep neural networks, the proposed algorithms excel in generalization. Furthermore, by utilizing UCB and Thompson sampling for efficient exploration, the algorithms achieve rigorous performance guarantees.
Reinforcement Learning with Non-linear Function Approximation (Chapters 3 \& 4): We introduce reinforcement learning algorithms based on non-linear function approximation. We first outline the limitations of existing RL algorithms that rely on linear function approximation and propose a novel non-linear RL framework to overcome these challenges. By employing UCB and randomized exploration strategies, we demonstrate the proposed algorithms are computationally tractable and statistically efficient.
목차 (Table of Contents)
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