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確率的バンディット問題
- 1. 確率的バンディット問題 小宮山 純平 (東京大学中川研究室 D2) junpeikomiyama atmark gmail.com
- 5. 確率的バンディット問題 アーム数: 𝐾, ラウンド数: 𝑇 予測者（システム）は各ラ ウンド 𝑡=1,2,…Tに、アーム 𝐼𝑡 ∈ {1, . . , 𝐾}を選択し、報 酬𝑋𝐼 𝑡 𝑡 を受け取る. 目的: 総報酬の最大化 Maximize 𝑡=1 𝑇 𝑋𝐼 𝑡 (𝑡) 5 (image from http://www.directgamesroom.com ) arm
- 7. バンディット問題と確率分布 確率的設定: ・各アームごとに確率分布 を持っていて、選んだアー ムの確率分布からi.i.d.で報 酬が引かれる 𝑋𝐼 𝑡 𝑡 ∼ 𝜈𝐼𝑡 7 (image from http://www.directgamesroom.com ) arm
- 8. バンディット問題と確率分布 (続) アームの報酬確率分布が何らかの族に入っていることを 仮定 例１：Bernoulli分布族（確率𝜇𝑖で報酬1, 確率1 − 𝜇𝑖で報 酬0、１パラメータの推定） 例２：正規分布族（平均と分散の２パラメータを推定） 先ほどのオンライン広告の場合はBernoulli分布族（ク リック/非クリックの２値） この発表では簡単のためBernoulli分布族を仮定 8
- 9. バンディット問題の最適戦略 各アームの期待報酬を 𝜇1 > 𝜇2 > 𝜇3 > ⋯ > 𝜇 𝐾とす る（注. アルゴリズムはこの順番を知らない） もし{𝜇𝑖}を全て知っているなら →常に𝜇1を選び続けるのが最善 Tラウンドでの期待累計報酬=𝜇1 𝑇 ・実際は各アームの期待報酬を知らないので、それ ぞれの期待報酬を類推しながらアームを選んでいく 必要がある 9
- 10. 探索と活用のトレードオフ 探索：全アームを均等に調べる →𝜇1, … . , 𝜇 𝐾を正確に推定したい 活用：一番良いアームを選びたい →アームの報酬予測を{ 𝜇𝑖}とすると、argmaxi 𝜇𝑖を引く →高い確率でargmaxi 𝜇𝑖 = 𝜇1だが、稀にそれ以外のアー ムがたまたま良いように見えてしまうことがある 良いアルゴリズム＝探索と活用をバランスできるアルゴ リズム 10
- 11. Regret (評価手法) 最適なアーム選択（＝𝜇1を毎回選ぶ）とアルゴ リズムの選択の差 𝑅𝑒𝑔𝑟𝑒𝑡 𝑇 = 𝜇1 𝑇 − 𝑖 𝐾 𝜇𝑖 𝑁 𝑇 (𝑖) アルゴリズムの目標 →𝐸 𝑅𝑒𝑔𝑟𝑒𝑡 𝑇 の最小化（小さいほど良い） →最適でないアームを引く数𝐸[𝑁𝑖(𝑇)]の最小化 11
- 13. Regret下限 [Lai&Robbins 1985] 強一致性を持つ（任意のアーム集合と𝛼 > 0に対 してregretが𝑜(𝑇 𝛼)になる）アルゴリズムに関し て 𝐸 𝑁𝑖(𝑇) ≥ log 𝑇 𝑑(𝜇𝑖, 𝜇1) この下限と一致する満たすアルゴリズムが最適 なアルゴリズム ・𝑜(log 𝑇 )な項は無視 13
- 14. Regret下限の直観的イメージ 期待値が𝜇𝑖のベルヌーイ分布からサンプルした とき、その経験期待値 𝜇𝑖が𝜇1以下だと確信でき るために必要なサンプル数が log 𝑇 𝑑(𝜇 𝑖,𝜇1) 程度 14 𝜇1 𝜇𝑖 𝜇𝑖
- 15. Cramer-Chernoffの定理 確率分布𝜇𝑖の推定値 𝜇𝑖 = 1 𝑁(𝑖) 𝑠=1 𝑁(𝑖) 𝑋𝑖,𝑠 に対して Pr 𝜇𝑖 > 𝑎 ≤ exp −𝑁 𝑖 sup 𝜃 𝜃𝑎 − 𝜆 𝜃 , where 𝜆 𝜃 = 𝑙𝑜𝑔𝐸[exp 𝜃𝑋𝑖], Bernoulli分布なら sup 𝜃 𝜃𝑎 − 𝜆 𝜃 = 𝑑 𝜇𝑖, 𝑎 なので 以下のChernoffのバウンドが得られる Pr 𝜇𝑖 > 𝜇1 ≤ exp(−𝑁(𝑖)𝑑 𝜇𝑖, 𝜇1 ) 15
- 16. Chernoffのバウンドと情報複雑性 Chernoffのバウンド Pr 𝜇𝑖 > 𝜇1 ≤ exp(−𝑁(𝑖)𝑑 𝜇𝑖, 𝜇1 ) から、 𝑁(𝑖)= log 𝑇 𝑑(𝜇 𝑖,𝜇1) のとき Pr 𝜇𝑖 > 𝜇1 = 1/𝑇 これよりほんの少しだけたくさんサンプルすると Pr 𝜇𝑖 > 𝜇1 = 1 𝑇1+𝛼 (𝛼 > 0)になり、 𝑡 1/𝑡1+𝛼 = 𝑂(1) 16
- 17. Chernoffのバウンドと情報複雑性 (続) 情報複雑性 (information complexity)＝アームiが アームj (j<i)の平均𝜇 𝑗を上回らないことを確認す るためのサンプル数 IC(i, j) = log 𝑇 𝑑(𝜇 𝑖,𝜇 𝑗) 17
- 19. アルゴリズム: UCB1 [Auer+2002] 各アームに次のUCB1 indexを設定し、各ラウン ドで最大indexのアームを選択する 𝐵 𝑈𝐶𝐵 𝑖 = 𝜇𝑖 + 2log(𝑇) 𝑁 𝑖(𝑡) 経験期待値（活用）＋あまり引いていないアー ムの不確定性（探索） 19 活用 探索
- 20. UCB1のregret アームを引く数：𝐸 𝑁 𝑇 𝑖 ≤ 8log(𝑇) 𝜇1−𝜇 𝑖 2 Regret： 𝐸 𝑅 𝑖 = 𝑖≠1 (𝜇1 − 𝜇𝑖)𝐸 𝑁 𝑇 𝑖 ≤ 𝑖≠1 8log(𝑇) (𝜇1 − 𝜇𝑖) UCB1はRegretがO(log 𝑇 )のアルゴリズム 20
- 21. UCB1のregret （再掲）𝐸 𝑁 𝑇 𝑖 ≤ 8log(𝑇) 𝜇1−𝜇 𝑖 2 Pinskerの不等式 𝑑 𝑝, 𝑞 ≥ 2 𝜇1 − 𝜇𝑖 2により 8log(𝑇) 𝜇1 − 𝜇𝑖 2 ≥ 16 log 𝑇 𝑑 𝜇𝑖, 𝜇1 > log 𝑇 𝑑(𝜇𝑖, 𝜇1) というわけで、UCB1のregretはtightではない これ以降紹介する3つのアルゴリズムは以下の点で最適 lim 𝑇→∞ 𝐸 𝑁𝑖(𝑇) / log 𝑇 → 1 𝑑(𝜇𝑖, 𝜇1) 21
- 22. DMED (Deterministic Minimum Empirical Divergence) [Honda&Takemura 2010] アームiの経験分布 𝐹𝑖と一番経験平均が高いアー ムの経験平均 𝜇𝑖∗の間のKL divergenceが 𝑑 𝐹𝑖, 𝜇𝑖∗ ≤ log 𝑡 /𝑇𝑖(𝑡)程度のアームを「最適で ある可能性があるアームのリスト」として持つ 𝑑 𝐹𝑖, 𝜇𝑖∗ は双対問題𝑑′ 𝐹𝑖, 𝜇𝑖∗ が数値的に (e.g. Newton法、二分法)解けて、双対問題の解と主 問題の解が一致 22
- 23. KL-UCB [Garivier+ 2011] UCBの信頼上限をKL divergenceをもとに厳密化 各ラウンドで、次のKL-UCB indexが最大のアームを 選ぶ 𝐵 𝐾𝐿−𝑈𝐶𝐵 𝑖 = max 𝑞∈[ 𝜇 𝑖,1] {𝑁𝑖 𝑑 𝜇𝑖, 𝑞 ≤ log 𝑡 + 3log(log 𝑡 )} 𝑢𝑖 = 𝜇𝑖からdivergenceがlog 𝑡 /𝑁𝑖 程度の値 ・𝐵 𝐾𝐿−𝑈𝐶𝐵 𝑖 は数値的に解ける ・3log(log 𝑡 )項は理論的な産物（実際必要かどうか は不明） 23
- 24. Thompson sampling [Thompson 1933] Bayes推定＋Posterior sampling 1. 各アームiの報酬の確率分布を初期化(𝛼𝑖 = 1, 𝛽𝑖 = 1) 2. 各ラウンドで確率分布のposteriorからサンプルし、そのサンプルの最大 なものを選ぶ 𝜃𝑖 ∼ 𝐵𝑒𝑡𝑎(𝛼𝑖, 𝛽𝑖), and 𝐼 𝑡 =argmax 𝜃𝑖 3. 報酬を見て確率分布を更新 If 𝑋𝐼 𝑡 𝑡 =1 then 𝛼𝑖=𝛼𝑖+1 else 𝛽𝑖=𝛽𝑖+1 太古から知られているアルゴリズムだが、最適性の証明はごく最近 [Agrawal&Goyal 2011, Kaufmann+2012] 24
- 25. 補足：Beta分布 平均: 𝛼 𝑖 𝛼 𝑖+𝛽𝑖 , 最頻値: 𝛼 𝑖−1 𝛼 𝑖+𝛽𝑖+2 , 分散 𝛼 𝑖 𝛽𝑖 𝛼 𝑖+𝛽𝑖 2(𝛼 𝑖+𝛽𝑖+1) 25 (図はwolfram alphaから引用)
- 27. バンディット問題のregret 基本的に2アーム (アーム1とアームi) だけ考えれ ばOK {アームiが選ばれる} = {アーム1が過小評価され る} or {アームiが過大評価される} 27 𝜇1 𝜇𝑖
- 28. バンディット問題のregret (続) 以下の構造はすべての最適なアルゴリズムで（おそら く）同一 アーム1はO(T)でサンプルされるので経験期待値が真の 期待値に近い→{アーム1が過小評価される}ことは少ない →𝑂 1 {アームiが過大評価される}イベントはアームiの経験期待 値が 𝜇1 ∼ 𝜇1に近づくかどうか→先ほどの情報複雑性に依 存 → log 𝑇 𝑑(𝜇 𝑖,𝜇1) + 𝑜(log 𝑇 ) 28
- 29. Thompson samplingのregret アームiが引かれるイベントを分解 𝐼𝑡 = 𝑖 ≤ 𝑁1 𝑡 ≤ 𝑡 𝑏 ∪ 𝜃1 ≤ 𝜇1 − Δ ∪ 𝜃𝑖 > 𝜇1 − Δ 29 アーム1が O(t)のペースで 引かれていない →𝑂 1 アームiを 過大評価 → (1+𝜖)log 𝑇 𝑑(𝜇 𝑖,𝜇1) + 𝑂( 1 𝜖2) (アーム1がO(t)で 引かれる仮定で) アーム1を 過小評価→𝑂 1 (Δはとても小さい値)
- 30. まとめ 確率的バンディット問題について解説した Regret=最適でないアームを引いた回数でアルゴ リズムを評価 最適でないアームを引く回数の下限（理論上 限）は、情報複雑性によって決められる UCB1はO(log 𝑇 )だが、最適ではない DMED, KL-UCB, TSは最適（情報複雑性による下 限と一致するregret上限を持つ） 30