A New Learning Algorithm for Optimal Stopping
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A New Learning Algorithm for Optimal Stopping
DiscreteEventDynSyst(2009)19:91–113
DOI10.1007/s10626-008-0055-2
ANewLearningAlgorithmforOptimalStopping
VivekS.Borkar·JervisPinto·TarunPrabhu
Received:1July2007/Accepted:14October2008/
Publishedonline:1November2008
©SpringerScience+BusinessMedia,LLC2008
http://wendang.chazidian.comingthisformulation,areinforcementlearningschemebasedonaprimal-dualmethodandincorporatingasamplingdevicecalled‘splitsampling’isproposedandanalyzed.Anillustrativeexamplefromoptionpricingisalsoincluded.
KeywordsLearningalgorithm·Optimalstopping·Linearprogramming·
Primal-dualmethods·Splitsampling·Optionpricing
1Introduction
Inrecentyears,therehasbeenmuchactivityindevelopingreinforcementlearningalgorithmsforapproximatedynamicprogrammingforMarkovdecisionprocesses,basedonrealorsimulateddata.Thisisusefulwhenexactanalyticalornumericalsolutioniseitherinfeasibleorexpensive.SeeBertsekasandTsitsiklis(1996),SuttonResearchsupportedinpartbyagrantfromGeneralMotorsIndiaPvt.Ltd.ThisauthorthanksArnabBasuforsomeusefulinputs.
V.S.Borkar(B)
TataInstituteofFundamentalResearch,HomiBhabhaRoad,Mumbai400005,India
e-mail:borkar@tifr.res.in
J.Pinto·T.Prabhu
St.FrancisInstituteofTechnology,Mumbai400103,India
PresentAddress:
J.Pinto
SchoolofElectricalEngineeringandComputerScience,
OregonStateUniversity,Corvallis,OR97331,USA
e-mail:pinto@eecs.oregonstate.edu
PresentAddress:
T.Prabhu
SchoolofComputing,UniversityofUtah,SaltLakeCity,UT84112,USA
e-mail:tarunp@cs.utah.edu
92DiscreteEventDynSyst(2009)19:91–113andBarto(1998)forbooklengthtreatmentsofthisissueandoverview.Someexamplesofsuchschemesare:Q-learning,actor-critic,orTD(λ)(BertsekasandTsitsiklis1996).ThesecanbeviewedasbeingderivedfromthetraditionaliterativeschemesforMDPssuchasthevalueorpolicyiteration,withadditionalstructure(suchasapproximationarchitectureoradditionalaveraging)builtontopofit.Thereis,however,athirdcomputationalschemeforclassicalMDPssuchas?nite/in?nitehorizondiscountedcostoraveragecost,viz.,thelinearprogrammingapproach.The‘primal’formulationofthisisalinearprogram(LPforshort)overthesocalled‘occupationmeasures’.Its‘dual’isanLPoverfunctions.AnextensiveaccountofthesedevelopmentsmaybefoundinHernández-LermaandLasserre(1996).Ouraimhereistoformulatealearningschemefortheoptimalstoppingproblembasedonanoldformulationofoptimalstoppingasalinearprograminthespiritoftheaforementioned.
Somerelevantliteratureisasfollows:
?TheLPformulationofoptimalstoppingisthesameasthe‘minimalexcessive
majorantfunction’characterizationofthevaluefunction(formaximizationproblems)thatdatesbacktoDynkin(1963),orthe‘maximalsubsolution’(forminimizationproblems)asinBensoussan(1982),ChapterIII,Section5.1.ThecomputationalimplicationshavebeenexploredinChoandStockbridge(2002).Ourschemeleadstoanalternativetothoseproposedin,e.g.,ChoiandVanRoy(2006),LongstaffandSchwartz(2001),TsitsiklisandVanRoy(1999,2001),YuandBertsekas(2007),foroptionpricing,whichisperhapstheprimeapplicationareaforoptimalstoppingatpresent.ThesearebasedontheclassicallearningalgorithmssuchasQ-learning,notontheLPformulation.
Alsomotivatedby?nanceproblems,AndersenandBroadie(2004),HaughandKogan(2004),Rogers(2002)arriveataformulationakintooursviaanabstractdualityresult,buttheiremphasisison?ndingboundsonthesolutionviaMonteCarlo.Ourschemediffersfroma‘pure’MonteCarlointhatitisareinforcementlearningscheme.AsobservedinAhamedetal.(2006),suchaschemecanbeviewedasacrossbetweenpureMonteCarloandpure(deterministic)numericalschemes,withitsperiteratecomputationmorethantheformer,butlessthanthelatter,andits?uctuations(variance)morethanthelatter(whichiszero)andlessthantheformer.ThekeydifferencewithpureMonteCarloisthatourschemeisbasedononestepconditionalaveragingratherthanaveraging,whichleadstothedifferencesmentionedabove.??
WepresenttheLPformulationandthealgorithminthenextsection.Section3providesthemathematicaljusti?cationforthescheme.Thefocusofthisworkisprimarilytheoretical.Nevertheless,Section4describesnumericalexperimentsforasimpleillustrativeoptionpricingmodel.Section5sketchesanextensiontothein?nitehorizondiscountedcostproblemtoindicatethebroaderapplicabilityoftheapproach.
2Thealgorithm
ConsideradiscretetimeMarkovchain{Xn}takingvaluesinacompactmetricspaceSwiththetransitionprobabilitykernelp(dy|x).LetN>0beaprescribedinteger.
DiscreteEventDynSyst(2009)19:91–11393Givenaboundedcontinuousfunctiong:S→Randadiscountfactor0<α<1,ourobjectiveisto?ndtheoptimalstoppingtimeτ?thatmaximizes
????(1)EαN∧τg(XN∧τ)
overallstoppingtimesτw.r.t.thenatural?ltrationof{Xn}.Astandarddynamicprogrammingargumentthentellsusthatthevaluefunction
????def?Vn(x)=supEα(N∧τ?n)g(XN∧τ)|Xn=x,
wherethesupremumisoverallstoppingtimes≥n,satis?es
????Vn(x)=g(x)∨αVn+1(y)p(dy|x),0≤n<N,
?(x)=g(x).VN(2)(3)
OurschemewillbebasedonthefollowingobservationthatessentiallygoesbacktoDynkin,whoseproofisincludedforthesakeofcompleteness:
?Theorem1{Vn}aboveisgivenbythesolutiontotheLP:
MinimizeV0(i0)s.t.
Vn(x)≥g(x),0≤n≤N
Vn(x)≥α??
y
?}isfeasibleforthisLP.Atthesametime,if{Vn}isanyotherProofNotethat{Vnsolution,then??
Vn(x)=ζn(x)+g(i)∨αVn+1(y)p(dy|x),0≤n<N,p(dy|x)Vn+1(y),0≤n<N
VN(x)=ζN(x)+g(x),
forsomeζn(·)≥0,0≤n≤N.Thisissimplythedynamicprogrammingequationfortheoptimalstoppingproblemwithreward
??N∧τ??αmζm(Xm)+αN∧τg(XN∧τ).E
m=n
(Notethatforthedecisiontostopattimeninstatex,the‘runningreward’ζn(x)willalsobegrantedinadditiontothe‘stoppingreward’g(x).)Astandardargumentthenshowsthat??N∧τ ???V0(x)=supEαmζm(Xm)+αN∧τg(XN∧τ)|X0=x≥V0(x)
m=n
wherethesupremumisoverallstoppingtimes.ThusthesolutionoftheaboveLPdoesindeedcoincidewiththevaluefunction.????
94DiscreteEventDynSyst(2009)19:91–113Itisworthnotingthat:(i)theconstraintsaboveneedholdonlya.s.withrespecttothelawofXnforeachn,and,(ii)thenonnegativityconstraintsVn(·)≥0donothavetobeexplicitlyincorporated.ByLagrangemultipliertheory(Luenberger1968,pp.216),theaboveoptimizationproblembecomes
minmax[L(V,??)]Vλ(4)
where??=[??1(N,dx),??2(n,dx),??3(n,dx),0≤n<N]istheLagrangemultiplier(astringofpositivemeasuresonS)andtheLagrangianL(V,??)isgivenby
??defL(V,λ)=V0(x0)+??1(N,dx)(g(x)?VN(x))
+N?1????
n=0????2(n,dx)g(x)?Vn(x)??
+N?1????
n=0????????3(n,dx)αp(dy|x)Vn+1(y)?Vn(x).(5)
NowweshalldescribeagradientschemeforestimatingVn(x)usinglinearfunctionapproximationsfor{Vn}andthesquare-rootsoftheLagrangemultipliers.Forthis,?rstsupposethat??i(n,dx)=λi(n,x)m(dx),1≤i≤3,forsomeprobabilitymeasurem(dx)onSwith√full√support.1√Inparticular,λi(n,·)’sarenonnegative.Approxi-mateVn(x)and1,2and3asfollows.Letr∈Rt,q1∈Rs1,q2∈Rs2andq3∈Rs3,with
t??????rk??φk??(n,x),Vn(x)≈
k??=1
??λ1n,x)≈s1??
j=1q1(j)?1j(n,x),??λ2n,x)≈s2??
j=1q2(j)?2j(n,x),??λ3n,x)≈s3??
j=1q3(j)?3j(n,x),
where{φk,?ij}arebasisfunctionsor‘features’selectedapriori.Squaringthelastthreeexpressionsabovegivesanapproximationtoλ1(n,x),λ2(n,x)andλ3(n,x),ensuringtheirnonnegativityautomatically.
itselfcanbethe?rststepoftheapproximationprocedureifthe??(i,dx)arenotabsolutelycontinuousw.r.t.m(dx),thelatterusuallybeingsome‘natural’candidatesuchasthenormalizedLebesguemeasure.Forexample,whenm(dx)=thenormalizedLebesguemeasure,convolutionof??i(n,dx)withasmoothapproximationofDiracmeasurewouldgivethedesiredapproximation.1This
DiscreteEventDynSyst(2009)19:91–11395
ThentheoriginalLagrangianEq.5isapproximatedintermsofr,q1,q2,q3by
??
L(r,q)=r(k??)φk??(0,x0)
k??
??+
?????2????
?????q1(l)?1l(N,x)r(k??)φk??(N,x)g(x)?
lN?1??n=0
+
??
??????
ll
??2??
q2(l)?2l(n,x)
k??
g(x)?
??
k??
??
r(k??)φk??(n,x)
+
N?1??n=0
????2??????
??
αp(dy|x)q3(l)?3l(n,x)r(k??)φk??(n+1,y)
?? m(dx).
k??
?
??
k??
r(k??)φk??(n,x)
(6)
Considerthefollowing‘primal-dual’recursiveschemeforsolvingthisproblem:????2??????
????
q1,m(l)?1l(N,x)rm+1(j)=rm(j)?am?φj(0,x0)+??φj(N,x)
N?1??n=0
??
+
??
l
??2
q2,m(l)?2l(n,x)????2
?1????????N
?φj(n,x)+q3,m(l)?3l(n,x)
n=0
l
l
?????? ??
×αp(dy|x)φj(n+1,y)?φj(n,x)+ηrm(j)m(dx)
??????
q1,m+1(j)=q1,m(j)+bm
2?1j(N,x)??×??????N?1??
n=0
(7)
??
??
l
??
q1,m(l)?1l(N,x)
????
m(dx)??
q2,m(l)?2l(n,x)
????
m(dx)
(9)(8)
g(x)?
??
k??
rm(k??)φk??(N,x)
q2,m+1(j)=q2,m(j)+bm2?2j(n,x)g(x)?
??
??
l
??
×
??????N?1??
n=0
??
k??
rm(k??)φk??(n,x)
q3,m+1(j)=q3,m(j)+bm
??×
??
k??
2?3j(n,x)
??
??
??
l
??????
q3,m(l)?3l(n,x)αp(dy|x)
????
m(dx)
(10)
rm(k??)φk??(n+1,y)?
??
k??
rm(k??)φk??(n,x)
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