Optimal Policies Tend to Seek Power โ part 9/16
Cleaned-text code points [124570, 140463). Bibliography omitted here; source.md includes it.
Equation 60 holds because ฯ \phi is an involution. Equation 61 and eq. 63 hold by applying Lemma E.27 with permutation ฯ \phi . Equation 62 holds by assumption. Therefore, p ๐ any ( A โฅ C ) โค most : ๐ any p ๐ any ( B โฅ C ) p_{\mathcal{D}_{\text{any}}}\left(A\geq C\right)\leq_{\text{{most}}\text{: }\mathfrak{D}_{\text{any}}}p_{\mathcal{D}_{\text{any}}}\left(B\geq C\right) by Lemma E.16 .
Suppose B โฒ โ C B^{\prime}\subseteq C and ND โ ( C ) โฉ ( B โ B โฒ ) \text{{ND}}\left(C\right)\cap\left(B\setminus B^{\prime}\right) is non-empty, and let ๐ X โ - iid \mathcal{D}_{X\text{-}\textsc{iid}} be any continuous distribution which distributes reward independently and identically across states. Let ฯ โฒ โ S | ๐ฎ | \phi^{\prime}\in S_{\left|\mathcal{S}\right|} . p ฯ โฒ โ
๐ X โ - iid โ ( A โฅ C ) \displaystyle p_{\phi^{\prime}\cdot\mathcal{D}_{X\text{-}\textsc{iid}}}\left(A\geq C\right) = p ๐ X โ - iid โ ( A โฅ C ) \displaystyle=p_{\mathcal{D}_{X\text{-}\textsc{iid}}}\left(A\geq C\right) (64) < p ฯ โ
๐ X โ - iid โ ( B โฅ C ) \displaystyle<p_{\phi\cdot\mathcal{D}_{X\text{-}\textsc{iid}}}\left(B\geq C\right) (65) = p ฯ โฒ โ
๐ X โ - iid โ ( A โฅ C ) . \displaystyle=p_{\phi^{\prime}\cdot\mathcal{D}_{X\text{-}\textsc{iid}}}\left(A\geq C\right). (66)
Equation 64 and eq. 66 hold because ๐ X โ - iid \mathcal{D}_{X\text{-}\textsc{iid}} distributes reward identically across states, โ ฯ x โ S | ๐ฎ | : ฯ x โ
๐ X โ - iid = ๐ X โ - iid \forall\phi_{x}\in S_{\left|\mathcal{S}\right|}\mathrel{\mathop{\ordinarycolon}}\phi_{x}\cdot\mathcal{D}_{X\text{-}\textsc{iid}}=\mathcal{D}_{X\text{-}\textsc{iid}} . By Lemma E.22 , โ b < c : ( b , c ) | ๐ฎ | โ supp โก ( ๐ X โ - iid ) \exists b<c\mathrel{\mathop{\ordinarycolon}}(b,c)^{\left|\mathcal{S}\right|}\subseteq\optSupp(\mathcal{D}_{X\text{-}\textsc{iid}}) . Therefore, apply Lemma E.27 to conclude that eq. 65 holds.
Therefore, โ ฯ โฒ โ S | ๐ฎ | : p ฯ โฒ โ
๐ X โ - iid โ ( A โฅ C ) < p ฯ โฒ โ
๐ X โ - iid โ ( B โฅ C ) \forall\phi^{\prime}\in S_{\left|\mathcal{S}\right|}\mathrel{\mathop{\ordinarycolon}}p_{\phi^{\prime}\cdot\mathcal{D}_{X\text{-}\textsc{iid}}}\left(A\geq C\right)<p_{\phi^{\prime}\cdot\mathcal{D}_{X\text{-}\textsc{iid}}}\left(B\geq C\right) . In particular, p ๐ any ( A โฅ C ) โฑ most : ๐ any p ๐ any ( B โฅ C ) p_{\mathcal{D}_{\text{any}}}\left(A\geq C\right)\not\geq_{\text{{most}}\text{: }\mathfrak{D}_{\text{any}}}p_{\mathcal{D}_{\text{any}}}\left(B\geq C\right) by definition 6.5 . โ
###### Lemma E.29 (Limit probability inequalities which hold for most distributions) .
Let I โ โ I\subseteq\mathbb{R} , let ๐ โ ฮ โก ( โ | ๐ฎ | ) \mathfrak{D}\subseteq\Delta(\mathbb{R}^{\left|\mathcal{S}\right|}) be closed under permutation, and let F A , F B , F C F_{A},F_{B},F_{C} be finite sets of vector functions I โฆ โ | ๐ฎ | I\mapsto\mathbb{R}^{\left|\mathcal{S}\right|} . Let ฮณ \gamma be a limit point of I I such that f 1 โ ( ๐ ) โ lim ฮณ โ โ ฮณ p ๐ โ ( F B โ ( ฮณ โ ) โฅ F C โ ( ฮณ โ ) ) , f 2 โ ( ๐ ) โ lim ฮณ โ โ ฮณ p ๐ โ ( F A โ ( ฮณ โ ) โฅ F C โ ( ฮณ โ ) ) f_{1}(\mathcal{D})\coloneqq\lim_{\gamma^{*}\to\gamma}p_{\mathcal{D}}\left(F_{B}(\gamma^{*})\geq F_{C}(\gamma^{*})\right),f_{2}(\mathcal{D})\coloneqq\lim_{\gamma^{*}\to\gamma}p_{\mathcal{D}}\left(F_{A}(\gamma^{*})\geq F_{C}(\gamma^{*})\right) are well-defined for all ๐ โ ๐ \mathcal{D}\in\mathfrak{D} .
Let F Z F_{Z} satisfy ND โ ( F C ) โ F Z โ F C \text{{ND}}\left(F_{C}\right)\subseteq F_{Z}\subseteq F_{C} . Suppose F B F_{B} contains a copy of F A F_{A} via ฯ \phi such that ฯ โ
( F Z โ ( F B โ ฯ โ
F A ) ) = F Z โ ( F B โ ฯ โ
F A ) \phi\cdot\left(F_{Z}\setminus\left(F_{B}\setminus\phi\cdot F_{A}\right)\right)=F_{Z}\setminus\left(F_{B}\setminus\phi\cdot F_{A}\right) . Then f 2 ( ๐ ) โค most : ๐ f 1 ( ๐ ) f_{2}(\mathfrak{D})\leq_{\text{{most}}\text{: }\mathfrak{D}}f_{1}(\mathfrak{D}) .
###### Proof.
Suppose ๐ โ ๐ \mathcal{D}\in\mathfrak{D} is such that f 2 โ ( ๐ ) > f 1 โ ( ๐ ) f_{2}(\mathcal{D})>f_{1}(\mathcal{D}) . f 2 โ ( ฯ โ
๐ ) \displaystyle f_{2}\left(\phi\cdot\mathcal{D}\right) = f 2 โ ( ฯ โ 1 โ
๐ ) \displaystyle=f_{2}\left(\phi^{-1}\cdot\mathcal{D}\right) (67) โ lim ฮณ โ โ ฮณ p ฯ โ 1 โ
๐ โ ( F A โ ( ฮณ โ ) โฅ F C โ ( ฮณ โ ) ) \displaystyle\coloneqq\lim_{\gamma^{*}\to\gamma}p_{\phi^{-1}\cdot\mathcal{D}}\left(F_{A}(\gamma^{*})\geq F_{C}(\gamma^{*})\right) (68) โค lim ฮณ โ โ ฮณ p ๐ โ ( F B โ ( ฮณ โ ) โฅ F C โ ( ฮณ โ ) ) \displaystyle\leq\lim_{\gamma^{*}\to\gamma}p_{\mathcal{D}}\left(F_{B}(\gamma^{*})\geq F_{C}(\gamma^{*})\right) (69) < lim ฮณ โ โ ฮณ p ๐ โ ( F A โ ( ฮณ โ ) โฅ F C โ ( ฮณ โ ) ) \displaystyle<\lim_{\gamma^{*}\to\gamma}p_{\mathcal{D}}\left(F_{A}(\gamma^{*})\geq F_{C}(\gamma^{*})\right) (70) โค lim ฮณ โ โ ฮณ p ฯ โ
๐ โ ( F B โ ( ฮณ โ ) โฅ F C โ ( ฮณ โ ) ) \displaystyle\leq\lim_{\gamma^{*}\to\gamma}p_{\phi\cdot\mathcal{D}}\left(F_{B}(\gamma^{*})\geq F_{C}(\gamma^{*})\right) (71) โ f 1 โ ( ฯ โ
๐ ) . \displaystyle\eqqcolon f_{1}\left(\phi\cdot\mathcal{D}\right). (72) By the assumption that ๐ \mathfrak{D} is closed under permutation and f 2 f_{2} is well-defined for all ๐ โ ๐ \mathcal{D}\in\mathfrak{D} , f 2 โ ( ฯ โ
๐ ) f_{2}(\phi\cdot\mathcal{D}) is well-defined. Equation 67 follows since ฯ = ฯ โ 1 \phi=\phi^{-1} because ฯ \phi is an involution. For all ฮณ โ โ I \gamma^{*}\in I , let A โ F A โ ( ฮณ โ ) , B โ F B โ ( ฮณ โ ) , C โ F C โ ( ฮณ โ ) , Z โ F Z โ ( ฮณ โ ) A\coloneqq F_{A}(\gamma^{*}),B\coloneqq F_{B}(\gamma^{*}),C\coloneqq F_{C}(\gamma^{*}),Z\coloneqq F_{Z}(\gamma^{*}) (by definition E.13 , ND โ ( C ) โ Z โ C \text{{ND}}\left(C\right)\subseteq Z\subseteq C ). Since ฯ โ
A โ B \phi\cdot A\subseteq B by assumption, and since ND โ ( A ) โ A \text{{ND}}\left(A\right)\subseteq A , B B also contains a copy of ND โ ( A ) \text{{ND}}\left(A\right) via ฯ \phi . Furthermore, ฯ โ
( Z โ ( B โ ฯ โ
A ) ) = Z โ ( B โ ฯ โ
A ) \phi\cdot\left(Z\setminus\left(B\setminus\phi\cdot A\right)\right)=Z\setminus\left(B\setminus\phi\cdot A\right) (by assumption), and so apply Lemma E.27 to conclude that p ฯ โ 1 โ
๐ โ ( F A โ ( ฮณ โ ) โฅ F C โ ( ฮณ โ ) ) โค p ๐ โ ( F B โ ( ฮณ โ ) โฅ F C โ ( ฮณ โ ) ) p_{\phi^{-1}\cdot\mathcal{D}}\left(F_{A}(\gamma^{*})\geq F_{C}(\gamma^{*})\right)\leq p_{\mathcal{D}}\left(F_{B}(\gamma^{*})\geq F_{C}(\gamma^{*})\right) . Therefore, the limit inequality eq. 69 holds. Equation 70 follows because we assumed that f 1 โ ( ๐ ) < f 2 โ ( ๐ ) f_{1}(\mathcal{D})<f_{2}(\mathcal{D}) . Equation 71 holds by reasoning similar to that given for eq. 69 .
Therefore, f 2 โ ( ๐ ) > f 1 โ ( ๐ ) f_{2}(\mathcal{D})>f_{1}(\mathcal{D}) implies that f 2 โ ( ฯ โ
๐ ) < f 1 โ ( ฯ โ
๐ ) f_{2}\left(\phi\cdot\mathcal{D}\right)<f_{1}\left(\phi\cdot\mathcal{D}\right) , and so apply Lemma E.16 to conclude that f 2 ( ๐ ) โค most : ๐ f 1 ( ๐ ) f_{2}(\mathcal{D})\leq_{\text{{most}}\text{: }\mathfrak{D}}f_{1}(\mathcal{D}) . โ
#### E.1.3 โฑ nd \Fndop results
\transferDiscount
###### Proof.
Let R R be any reward function. Suppose ฮณ โ โ ( 0 , 1 ) \gamma^{*}\in(0,1) and construct R โฒ โ ( s ) โ V R โ โ ( s , ฮณ ) โ ฮณ โ โ max a โ ๐ โ ๐ผ s โฒ โผ T โก ( s , a ) [ V R โ โ ( s โฒ , ฮณ ) ] R^{\prime}(s)\coloneqq V^{*}_{R}\left(s,\gamma\right)-\gamma^{*}\max_{a\in\mathcal{A}}\opE_{s^{\prime}\sim T(s,a)}\left[V^{*}_{R}\left(s^{\prime},\gamma\right)\right] .
Let ฯ โ ฮ \pi\in\Pi be any policy. By the definition of optimal policies, ฯ โ ฮ โ โ ( R โฒ , ฮณ โ ) \pi\in\Pi^{*}\left(R^{\prime},\gamma^{*}\right) iff for all s s : R โฒ โ ( s ) + ฮณ โ โ ๐ผ s โฒ โผ T โก ( s , ฯ โก ( s ) ) [ V R โฒ โ โ ( s โฒ , ฮณ โ ) ] \displaystyle R^{\prime}(s)+\gamma^{*}\opE_{s^{\prime}\sim T\left(s,\pi(s)\right)}\left[V^{*}_{R^{\prime}}\left(s^{\prime},\gamma^{*}\right)\right] = R โฒ โ ( s ) + ฮณ โ โ max a โ ๐ โ ๐ผ s โฒ โผ T โก ( s , a ) [ V R โฒ โ โ ( s โฒ , ฮณ โ ) ] \displaystyle=R^{\prime}(s)+\gamma^{*}\max_{a\in\mathcal{A}}\opE_{s^{\prime}\sim T\left(s,a\right)}\left[V^{*}_{R^{\prime}}\left(s^{\prime},\gamma^{*}\right)\right] (73) R โฒ โ ( s ) + ฮณ โ โ ๐ผ s โฒ โผ T โก ( s , ฯ โก ( s ) ) [ V R โ โ ( s โฒ , ฮณ ) ] \displaystyle R^{\prime}(s)+\gamma^{*}\opE_{s^{\prime}\sim T\left(s,\pi(s)\right)}\left[V^{*}_{R}\left(s^{\prime},\gamma\right)\right] = R โฒ โ ( s ) + ฮณ โ โ max a โ ๐ โ ๐ผ s โฒ โผ T โก ( s , a ) [ V R โ โ ( s โฒ , ฮณ ) ] \displaystyle=R^{\prime}(s)+\gamma^{*}\max_{a\in\mathcal{A}}\opE_{s^{\prime}\sim T\left(s,a\right)}\left[V^{*}_{R}\left(s^{\prime},\gamma\right)\right] (74) ฮณ โ โ ๐ผ s โฒ โผ T โก ( s , ฯ โก ( s ) ) [ V R โ โ ( s โฒ , ฮณ ) ] \displaystyle\gamma^{*}\opE_{s^{\prime}\sim T\left(s,\pi(s)\right)}\left[V^{*}_{R}\left(s^{\prime},\gamma\right)\right] = ฮณ โ โ max a โ ๐ โ ๐ผ s โฒ โผ T โก ( s , a ) [ V R โ โ ( s โฒ , ฮณ ) ] \displaystyle=\gamma^{*}\max_{a\in\mathcal{A}}\opE_{s^{\prime}\sim T(s,a)}\left[V^{*}_{R}\left(s^{\prime},\gamma\right)\right] (75) ๐ผ s โฒ โผ T โก ( s , ฯ โก ( s ) ) [ V R โ โ ( s โฒ , ฮณ ) ] \displaystyle\opE_{s^{\prime}\sim T\left(s,\pi(s)\right)}\left[V^{*}_{R}\left(s^{\prime},\gamma\right)\right] = max a โ ๐ โก ๐ผ s โฒ โผ T โก ( s , a ) [ V R โ โ ( s โฒ , ฮณ ) ] . \displaystyle=\max_{a\in\mathcal{A}}\opE_{s^{\prime}\sim T(s,a)}\left[V^{*}_{R}\left(s^{\prime},\gamma\right)\right]. (76)
By the Bellman equations, R โฒ โ ( s ) = V R โฒ โ โ ( s , ฮณ โ ) โ ฮณ โ โ max a โ ๐ โ ๐ผ s โฒ โผ T โก ( s , a ) [ V R โฒ โ โ ( s โฒ , ฮณ โ ) ] R^{\prime}(s)=V^{*}_{R^{\prime}}\left(s,\gamma^{*}\right)-\gamma^{*}\max_{a\in\mathcal{A}}\opE_{s^{\prime}\sim T(s,a)}\left[V^{*}_{R^{\prime}}\left(s^{\prime},\gamma^{*}\right)\right] . By the definition of R โฒ R^{\prime} , V R โฒ โ โ ( โ
, ฮณ โ ) = V R โ โ ( โ
, ฮณ ) V^{*}_{R^{\prime}}\left(\cdot,\gamma^{*}\right)=V^{*}_{R}\left(\cdot,\gamma\right) must be the unique solution to the Bellman equations for R โฒ R^{\prime} at ฮณ โ \gamma^{*} . Therefore, eq. 74 holds. Equation 75 follows by plugging in R โฒ โ V R โ โ ( s , ฮณ ) โ ฮณ โ โ max a โ ๐ โ ๐ผ s โฒ โผ T โก ( s , a ) [ V R โ โ ( s โฒ , ฮณ ) ] R^{\prime}\coloneqq V^{*}_{R}\left(s,\gamma\right)-\gamma^{*}\max_{a\in\mathcal{A}}\opE_{s^{\prime}\sim T(s,a)}\left[V^{*}_{R}\left(s^{\prime},\gamma\right)\right] to eq. 74 and doing algebraic manipulation. Equation 76 follows because ฮณ โ > 0 \gamma^{*}>0 .
Equation 76 shows that ฯ โ ฮ โ โ ( R โฒ , ฮณ โ ) \pi\in\Pi^{*}\left(R^{\prime},\gamma^{*}\right) iff โ s : ๐ผ s โฒ โผ T โก ( s , ฯ โก ( s ) ) [ V R โ โ ( s โฒ , ฮณ ) ] = max a โ ๐ โก ๐ผ s โฒ โผ T โก ( s , a ) [ V R โ โ ( s โฒ , ฮณ ) ] \forall s\mathrel{\mathop{\ordinarycolon}}\opE_{s^{\prime}\sim T(s,\pi(s))}\left[V^{*}_{R}\left(s^{\prime},\gamma\right)\right]=\max_{a\in\mathcal{A}}\opE_{s^{\prime}\sim T(s,a)}\left[V^{*}_{R}\left(s^{\prime},\gamma\right)\right] . That is, ฯ โ ฮ โ โ ( R โฒ , ฮณ โ ) \pi\in\Pi^{*}\left(R^{\prime},\gamma^{*}\right) iff ฯ โ ฮ โ โ ( R , ฮณ ) \pi\in\Pi^{*}\left(R,\gamma\right) . โ
###### Definition E.30 (Evaluating sets of visit distribution functions at ฮณ \gamma ) .
For ฮณ โ ( 0 , 1 ) \gamma\in(0,1) , define โฑ โก ( s , ฮณ ) โ { ๐ โก ( ฮณ ) โฃ ๐ โ โฑ โก ( s ) } \Fop(s,\gamma)\coloneqq\left\{\mathbf{f}(\gamma)\mid\mathbf{f}\in\Fop(s)\right\} and โฑ nd โก ( s , ฮณ ) โ { ๐ โก ( ฮณ ) โฃ ๐ โ โฑ nd โก ( s ) } \Fndop(s,\gamma)\coloneqq\left\{\mathbf{f}(\gamma)\mid\mathbf{f}\in\Fndop(s)\right\} . If F โ โฑ โก ( s ) F\subseteq\Fop(s) , then F โก ( ฮณ ) โ { ๐ โก ( ฮณ ) โฃ ๐ โ F } F(\gamma)\coloneqq\left\{\mathbf{f}(\gamma)\mid\mathbf{f}\in F\right\} .
###### Lemma E.31 (Non-domination across ฮณ \gamma values for expectations of visit distributions) .
Let ฮ d โ ฮ โก ( โ | ๐ฎ | ) \Delta_{d}\in\Delta\left(\mathbb{R}^{\left|\mathcal{S}\right|}\right) be any state distribution and let F โ { ๐ผ s d โผ ฮ d [ ๐ ฯ , s d ] โฃ ฯ โ ฮ } F\coloneqq\left\{\opE_{s_{d}\sim\Delta_{d}}\left[\mathbf{f}^{\pi,s_{d}}\right]\mid\pi\in\Pi\right\} . ๐ โ ND โ ( F ) \mathbf{f}\in\text{{ND}}\left(F\right) iff โ ฮณ โ โ ( 0 , 1 ) : ๐ โก ( ฮณ โ ) โ ND โ ( F โก ( ฮณ โ ) ) \forall\gamma^{*}\in(0,1)\mathrel{\mathop{\ordinarycolon}}\mathbf{f}(\gamma^{*})\in\text{{ND}}\left(F(\gamma^{*})\right) .
###### Proof.
Let ๐ ฯ โ ND โ ( F ) \mathbf{f}^{\pi}\in\text{{ND}}\left(F\right) be strictly optimal for reward function R R at discount rate ฮณ โ ( 0 , 1 ) \gamma\in(0,1) : ๐ ฯ โ ( ฮณ ) โค โ ๐ซ > max ๐ ฯ โฒ โ F โ { ๐ ฯ } โก ๐ ฯ โฒ โ ( ฮณ ) โค โ ๐ซ . \displaystyle\mathbf{f}^{\pi}(\gamma)^{\top}\mathbf{r}>\max_{\mathbf{f}^{\pi^{\prime}}\in F\setminus\left\{\mathbf{f}^{\pi}\right\}}\mathbf{f}^{\pi^{\prime}}(\gamma)^{\top}\mathbf{r}. (77)
Let ฮณ โ โ ( 0 , 1 ) \gamma^{*}\in(0,1) . By section D.1.2 , we can produce R โฒ R^{\prime} such that ฮ โ โ ( R โฒ , ฮณ โ ) = ฮ โ โ ( R , ฮณ ) \Pi^{*}\left(R^{\prime},\gamma^{*}\right)=\Pi^{*}\left(R,\gamma\right) . Since the optimal policy sets are equal, Lemma E.1 implies that ๐ ฯ โ ( ฮณ โ ) โค โ ๐ซ โฒ > max ๐ ฯ โฒ โ F โ { ๐ ฯ } โก ๐ ฯ โฒ โ ( ฮณ โ ) โค โ ๐ซ โฒ . \displaystyle\mathbf{f}^{\pi}(\gamma^{*})^{\top}\mathbf{r}^{\prime}>\max_{\mathbf{f}^{\pi^{\prime}}\in F\setminus\left\{\mathbf{f}^{\pi}\right\}}\mathbf{f}^{\pi^{\prime}}(\gamma^{*})^{\top}\mathbf{r}^{\prime}. (78)
Therefore, ๐ ฯ โ ( ฮณ โ ) โ ND โ ( F โก ( ฮณ โ ) ) \mathbf{f}^{\pi}(\gamma^{*})\in\text{{ND}}\left(F(\gamma^{*})\right) .
The reverse direction follows by the definition of ND โ ( F ) \text{{ND}}\left(F\right) . โ
###### Lemma E.32 ( โ ฮณ โ ( 0 , 1 ) : ๐ โ โฑ nd โก ( s , ฮณ ) \forall\gamma\in(0,1)\mathrel{\mathop{\ordinarycolon}}\mathbf{d}\in\Fndop(s,\gamma) iff ๐ โ ND โ ( โฑ โก ( s , ฮณ ) ) \mathbf{d}\in\text{{ND}}\left(\Fop(s,\gamma)\right) ) .
###### Proof.
By definition E.30 , โฑ nd โก ( s , ฮณ ) โ { ๐ โก ( ฮณ ) โฃ ๐ โ ND โ ( โฑ โก ( s ) ) } \Fndop(s,\gamma)\coloneqq\left\{\mathbf{f}(\gamma)\mid\mathbf{f}\in\text{{ND}}\left(\Fop(s)\right)\right\} . By applying Lemma E.31 with ฮ d โ ๐ s \Delta_{d}\coloneqq\mathbf{e}_{s} , ๐ โ ND โ ( โฑ โก ( s ) ) \mathbf{f}\in\text{{ND}}\left(\Fop(s)\right) iff โ ฮณ โ ( 0 , 1 ) : ๐ โก ( ฮณ ) โ ND โ ( โฑ โก ( s , ฮณ ) ) \forall\gamma\in(0,1)\mathrel{\mathop{\ordinarycolon}}\mathbf{f}(\gamma)\in\text{{ND}}\left(\Fop(s,\gamma)\right) . โ
\optVfFndRestrict
###### Proof.
ND โ ( โฑ โก ( s , ฮณ ) ) = โฑ nd โก ( s , ฮณ ) \text{{ND}}\left(\Fop(s,\gamma)\right)=\Fndop(s,\gamma) by Lemma E.32 , so apply Corollary E.11 with X โ โฑ โก ( s , ฮณ ) X\coloneqq\Fop(s,\gamma) . โ
### E.2 Some actions have greater probability of being optimal
###### Lemma E.33 (Optimal policy shift bound) .
For fixed R R , ฮ โ โ ( R , ฮณ ) \Pi^{*}\left(R,\gamma\right) can take on at most ( 2 โ | ๐ฎ | + 1 ) โ โ s ( | โฑ โก ( s ) | 2 ) (2\left|\mathcal{S}\right|+1)\sum_{s}\binom{\left|\Fop(s)\right|}{2} distinct values over ฮณ โ ( 0 , 1 ) \gamma\in(0,1) .
###### Proof.
By Lemma E.1 , ฮ โ โ ( R , ฮณ ) \Pi^{*}\left(R,\gamma\right) changes value iff there is a change in optimality status for some visit distribution function at some state. Lippman [1968] showed that two visit distribution functions can trade off optimality status at most 2 โ | ๐ฎ | + 1 2\left|\mathcal{S}\right|+1 times. At each state s s , there are ( | โฑ โก ( s ) | 2 ) \binom{\left|\Fop(s)\right|}{2} such pairs. โ
###### Proposition E.34 (Optimality probabilityโs limits exist) .
Let F โ โฑ โก ( s ) F\subseteq\Fop(s) . โ ๐ any ( F , 0 ) = lim ฮณ โ 0 โ ๐ any ( F , ฮณ ) \Prb\nolimits_{\mathcal{D}_{\text{any}}}\left(F,0\right)=\lim_{\gamma\to 0}\Prb\nolimits_{\mathcal{D}_{\text{any}}}\left(F,\gamma\right) and โ ๐ any ( F , 1 ) = lim ฮณ โ 1 โ ๐ any ( F , ฮณ ) \Prb\nolimits_{\mathcal{D}_{\text{any}}}\left(F,1\right)=\lim_{\gamma\to 1}\Prb\nolimits_{\mathcal{D}_{\text{any}}}\left(F,\gamma\right) .
###### Proof.
First consider the limit as ฮณ โ 1 \gamma\to 1 . Let ๐ any \mathcal{D}_{\text{any}} have probability measure F any F_{\text{any}} , and define ฮด โก ( ฮณ ) โ F any โ ( { R โ โ ๐ฎ โฃ โ ฮณ โ โ [ ฮณ , 1 ) : ฮ โ โ ( R , ฮณ โ ) โ ฮ โ โ ( R , 1 ) } ) \delta(\gamma)\coloneqq F_{\text{any}}\left(\left\{R\in\mathbb{R}^{\mathcal{S}}\mid\exists\gamma^{*}\in[\gamma,1)\mathrel{\mathop{\ordinarycolon}}\Pi^{*}\left(R,\gamma^{*}\right)\neq\Pi^{*}\left(R,1\right)\right\}\right) . Since F any F_{\text{any}} is a probability measure, ฮด โก ( ฮณ ) \delta(\gamma) is bounded [ 0 , 1 ] [0,1] , and ฮด โก ( ฮณ ) \delta(\gamma) is monotone decreasing. Therefore, lim ฮณ โ 1 ฮด โก ( ฮณ ) \lim_{\gamma\to 1}\delta(\gamma) exists.