Phase Transitions in Bandits with Switching Constraints

后悔 时间范围 数学优化 极小极大 计算机科学 数理经济学 数学 机器学习
作者
David Simchi‐Levi,Yunzong Xu
出处
期刊:Management Science [Institute for Operations Research and the Management Sciences]
卷期号:69 (12): 7182-7201 被引量:8
标识
DOI:10.1287/mnsc.2023.4755
摘要

We consider the classic stochastic multiarmed bandit problem with a constraint that limits the total cost incurred by switching between actions to be no larger than a given switching budget. For this problem, we prove matching upper and lower bounds on the optimal (i.e., minimax) regret and provide efficient rate-optimal algorithms. Surprisingly, the optimal regret of this problem exhibits a nonconventional growth rate in terms of the time horizon and the number of arms. Consequently, we discover surprising “phase transitions” regarding how the optimal regret rate changes with respect to the switching budget: when the number of arms is fixed, there are equal-length phases, in which the optimal regret rate remains (almost) the same within each phase and exhibits abrupt changes between phases; when the number of arms grows with the time horizon, such abrupt changes become subtler and may disappear, but a generalized notion of phase transitions involving certain new measurements still exists. The results enable us to fully characterize the trade-off between the regret rate and the incurred switching cost in the stochastic multiarmed bandit problem, contributing new insights to this fundamental problem. Under the general switching cost structure, the results reveal interesting connections between bandit problems and graph traversal problems, such as the shortest Hamiltonian path problem. This paper was accepted by J. George Shanthikumar, data science. Supplemental Material: The online appendix and data are available at https://doi.org/10.1287/mnsc.2023.4755 .

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