На протяжении всей жизни человек вынужден принимать определённые решения по самым разнообразным вопросам, начиная от бытовых споров - кто будет убирать комнаты в доме или как благоустроить свой город, и заканчивая международными переговорами, многомиллионными аукционами и даже военными действиями. И во всех этих ситуациях человек стремится максимизировать свой собственный выигрыш. Но при этом ему всегда приходится выбирать: сотрудничать с другими людьми или думать только о своей выгоде, не заботясь о выгоде других. Классическим примером, который показывает, что в погоне за личной выгодой не всегда можно достичь лучшего результата, выступает «Дилемма заключённого».

Двое заключённых А и Б подозреваются в совершении преступления, за которое им грозит до 10 лет лишения свободы. Но прямых улик пока нет. Поэтому следствие предлагает каждому из заключённых пойти на сделку - признаться в содеянном и свалить инициативу преступления на другого. Если один признается, а другой заключённый будет хранить молчание, то первому уменьшат срок заключения до трёх лет за содействие следствию, а второго посадят на 10 лет.

Если оба пойдут на сделку со следствием и сознаются в содеянном, то каждый получит по 5 лет. Однако, если оба будут молчать, то за отсутствием улик, их выпустят на свободу. Заключённые находятся в разных камерах, чтобы они не могли сговориться друг с другом и согласовать своё поведение на допросе. Ни один из них не знает точно, что сделает другой. Какое решение примет каждый из них? Что произойдёт?

У каждого заключённого есть выбор: молчать или признаться. Это и есть дилемма заключённого: должен ли он оговорить другого или должен попытать удачу и не признаваться, сильно при этом рискуя? В зависимости от выбора заключённых в этой ситуации возможны четыре исхода.

Рассмотрим их:

1. Если оба заключённых дают признательные показания, каждый из них получает по пять лет тюрьмы;

2. Если заключённый А будет хранить молчание, а заключённый Б даст показания против него, то первый сядет на 10 лет, а второй - на три года;

3. И наоборот, если заключённый А признается, а заключённый Б будет хранить молчание, то первый сядет на три года, а второй - на 10 лет;

4. А если оба будут молчать, то за отсутствием улик из выпустят на свободу.

Какой из этих исходов наиболее реален? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно знать, как рассуждает каждый из них. Вот как рассуждает заключённый А:

« Допустим, что заключённый Б признается. Если я тоже признаюсь, то получу 5 лет. Если же буду молчать - получу 10 лет. Значит, если заключённый Б признается, мне тоже лучше признаться в содеянном.

Если же заключённый Б будет хранить молчание, как следует поступить мне? Если признаюсь - получу 3 года. А если тоже буду молчать, то выйду на свободу. Это, конечно, идеальный вариант, но я не уверен, что заключённый Б будет молчать, я ему не доверяю. Поэтому мне лучше дать показания.

Значит, что бы ни делал заключённый Б, мне лучше признаться».

Ход рассуждений заключённого Б аналогичный, и он также приходит к выводу, что для него выгоднее признаться, независимо от того, что будет делать заключённый А.

Что же получается? Каждый из заключённых выбрал стратегию, которая, хотя и не приводит к самому лучшему результату (выходу на свободу), но является наилучшей для каждого из них при любом поведении соперника. Так как цель каждого заключённого - минимизировать свой срок заключения, не заботясь о другом заключённом, то признаться и оговорить другого - наиболее выгодная стратегия для каждого из них. Проще говоря, не важно, что сделает другой, каждый выиграет больше, если предаст. Поэтому заключённые выберут стратегию «Признаться» и получат по 5 лет тюрьмы.

Итак, на этом примере мы увидели, что решение, принимаемое одним игроком, влияет на решение другого (и наоборот) и в итоге влияет на конечный исход игры.

Другими примерами игр, в которых участвуют люди с несовпадающими (противоположными) целями, когда результат зависит от решений всех участников, могут послужить игра в покер, шахматы, пенальти в футболе и многие другие игры.

Но, наряду с традиционными играми, между людьми существуют и такие серьёзные отношения как рыночная конкуренция, гонка вооружений, загрязнение окружающей среды, выборы, торговля и др. Например, компании, конкурирующие на рынке, при принятии решений должны оглядываться на действия конкурентов. Или другой показательный пример - гонка вооружений между Советским Союзом и США в 1950-1990-х годах. В течение почти полувека две великие страны тратили много денег на вооружение, не отставая друг от друга. Если бы между ними было доверие, они бы не тратили столько средств на вооружение, а потратили бы их с бо льшей пользой (на образование, здравоохранение, пенсии и т. п.) и обе стороны выиграли бы от этого. Но вместо этого каждая страна, не доверяя другой, продолжала производить оружие и никто от этого не выигрывал.

Все эти серьёзные отношения тоже называют играми, поскольку в них, как и в обычных играх, результат зависит от решений (стратегий) всех участников. А наука, которая изучает эти серьёзные отношения, называется теорией игр. Поэтому слово «игра» в данном случае не должно вводить вас в смятение. Это понятие в теории игр трактуется шире, чем в повседневной жизни.

Равновесие Нэша

Итак, в «Дилемме заключённого» ситуация складывается таким образом, что, поступая по отдельности рационально и разумно, в итоге заключённые получают по пять лет тюрьмы. Однако, как мы уже отметили, это не самый оптимальный исход. Есть вариант и получше: выйти на свободу, если оба будут молчать.

Наверняка каждый из заключённых, когда принимал решение, рассуждал так: «Если мы оба будем молчать, то выйдем на свободу. Конечно, это лучше, чем сесть на пять лет. Но где гарантия, что второй тоже будет молчать? Ведь если я буду молчать, а другой даст показания, то я сяду на целых 10 лет! Нет, уж лучше я признаюсь в содеянном».

Очевидно, что взаимное недоверие друг к другу не позволяет реализоваться ситуации, когда каждый выйдет на свободу. К тому же заключённые сидят в разных камерах и каждый принимает решение, не зная о решении другого и у каждого есть соблазн дать показания против другого и получить 3 года вместо 5 или 10 лет. Получается, что самый лучший исход - выйти на свободу - является ненадёжным и нестабильным. Именно поэтому заключённые выбрали такие стратегии, которые привели пусть не к самому лучшему исходу, но зато надёжному и исключающему риск обмана и предательства. Такой исход называется равновесием Нэша.

Равновесие Нэша (Nash equilibrium ) - это такая комбинация стратегий игроков и их выигрышей, при которой ни один из игроков не может увеличить свой выигрыш, изменив свою стратегию, если при этом другие участники своих стратегий не меняют. Примечание: равновесие Нэша существует в играх, в которых игроки действуют независимо друг от друга и не могут объединяться и координировать свои действия.

Простыми словами, равновесие Нэша - это такая ситуация, когда стратегия каждого игрока является наилучшей реакцией на стратегии других игроков и ни одному игроку невыгодно в отдельности менять свою стратегию.

Равновесие Нэша - это не самый лучший исход из всех возможных, но в ситуации, когда каждый играет сам за себя, это оптимальный исход для каждого игрока, потому что сводятся к нулю риски и потери каждого игрока, которые могли бы быть, если другой игрок решит его обмануть или предать.

Равновесие Нэша - это устойчивое равновесие, потому что игрокам выгодно его сохранять, так как любое изменение ухудшит их положение. Но если в отношениях между игроками появляется сотрудничество, равновесие Нэша перестаёт быть равновесным, потому что появляется возможность достичь более лучшего результата. Например, если бы в «Дилемме заключённого» у игроков была возможность договориться о сотрудничестве, а именно - вдвоём хранить молчание, либо, если бы у них не было сомнений в том, что другой не предаст и тоже будет молчать, то ситуация могла бы закончиться для обоих с более лучшим исходом - выходом на свободу.

Вывод: Равновесие Нэша показывает, что каждый игрок может выиграть больше, если между игроками будут существовать сотрудничество, доверие и честность, и каждый игрок, делая лучше для других, сделает лучше для себя.

Иллюстрация с сайта postnauka.com

Ситуации, когда в игре существует равновесие в доминирующих стратегиях, достаточно редки. И далеко не во всех играх можно найти решение, отбрасывая строго доминируемые стратегии. Соответствующий пример игры представлен в Таблице 16.8 .

Второй игрок выберет стратегию A, если предполагает, что первый выберет стратегию Z; в то же время стратегия B для него предпочтительнее в случае, если первый выберет Y.

Таблица 16.8.

Естественно предположить, что при отсутствии у всех игроков доминирующих стратегий, выбор каждого игрока зависит от ожиданий того, какими будут выборы других. Далее мы рассмотрим концепцию решения, основанную на этой идее.

16.2.4 Равновесие по Нэшу

Кроме ситуаций, рассмотренных в предыдущем разделе, бывают ситуации14 , которые естественно моделировать, исходя из следующих предположений:

игроки при принятии решений ориентируются на предполагаемые действия партнеров;

ожидания являются равновесными (совпадают с фактически выбранными партнерами действиями).

Если считать, что все игроки рациональны, так что каждый выбирает стратегию, дающую ему наибольший выигрыш при данных ожиданиях, то эти предположения приводят к концепции решения, называемой равновесием Нэша . В равновесии у каждого игрока нет оснований пересматривать свои ожидания.

Формально равновесие Нэша определяется следующим образом.

Определение 90:

Набор стратегий x X является равновесием Нэша15 , если

1) стратегия x i каждого игрока является наилучшим для него откликом на ожидаемые им стратегии других игроков xe −i :

ui (xi , xe −i ) = max ui (xi , xe −i ) i = 1, . . . , n;

x iX i

14 Можно представить себе популяцию игроков типа А (скажем, кошки) и игроков типа Б (скажем, мышки). Игрок типа А при встрече с игроком типа Б имеет оправданные своим или чужим опытом ожидания относительно поведения партнера типа Б, и заранее на них ориентируется (и наоборот). Однако это не единственный тип ситуаций, в которых рассматриваемый подход является адекватным.

15 Американский математик Джон Нэш получил Нобелевскую премию по экономике в 1994 г. вместе с Дж. Харшаньи и Р. Зельтеном «за новаторский анализ равновесий в теории некооперативных игр». Концепция равновесия была предложена в следующих статьях: J. F. Nash: Equilibrium Points in N-Person Games,

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 36 (1950): 48–49; J. F. Nash: NonCooperative Games, Annals of Mathematics 54 (1951): 286–295 (рус. пер. Дж. Нэш: Бескоалиционные игры, в кн. Матричные игры, Н. Н. Воробьев (ред.), М.: Физматгиз, 1961: 205–221).

Следует оговориться, что сам Нэш не вводил в определение ожиданий. Исходное определение Нэша совпадает с тем свойством, о котором говорится далее.

xe −i = x−i i = 1, . . . , n

Заметим, что при использовании равновесия Нэша для моделирования игровых ситуаций вопросы о том, знают ли игроки цели партнеров, знают ли они о рациональности партнеров, умеют ли их просчитывать, и т. д., отходят на второй план. Способ формирования ожиданий выносится за рамки анализа; здесь важно только то, что ожидания являются равновесными.

Но если при анализе равновесия Нэша не важно, знает ли игрок цели других игроков, то может возникнуть сомнение в правомерности рассмотрения концепции Нэша в контексте игр с полной информацией. Все дело в том, что термин «полная информация» в теории игр имеет довольно узкое значение. Он фактически подразумевает только полноту сведений о типах партнеров (термин «тип игрока», разъясняется в параграфе, посвященном байесовским играм).

Как легко видеть, приведенное определение равновесия Нэша эквивалентно следующему свойству, которое обычно и используется в качестве определения:

Набор стратегий x X является равновесием Нэша, если стратегия xi каждого игрока является наилучшим для него откликом на стратегии других игроков x−i :

ui (xi , x−i ) = max ui (xi , x−i ) i = 1, . . . , n

x iX i

Это свойство можно также записать в терминах так называемых функций (отображений) отклика.

Определение 91:

Отображение отклика i-го игрока,

Ri : X−i 7→Xi

сопоставляет каждому набору стратегий других игроков, x−i X−i , множество стратегий i-го игрока, каждая из которых является наилучшим откликом на x−i . Другими словами,

ui (yi , x−i ) = max ui (xi , x−i ) x−i X−i , yi Ri (x−i )x i X i

Введение отображений отклика позволяет записать определение равновесия Нэша более компактно: набор стратегий x X является равновесием Нэша, если

xi Ri (x−i ) i = 1, . . . , n

Если отклик каждого игрока однозначен (является функцией), то множество равновесий Нэша совпадает с множеством решений системы уравнений:

xi = Ri (x−i ) i = 1, . . . , n.

В Таблице 16.8 отображения отклика игроков изображены подчеркиванием выигрышей, соответствующих оптимальным действиям. Равновесие Нэша в данной игре - клетка (B, Y), поскольку выигрыши обоих игроков в ней подчеркнуты.

Проиллюстрируем использование функций отклика на примере игры, в которой игроки имеют континуум стратегий.

Игра 5. «Международная торговля»

Две страны одновременно выбирают уровень таможенных пошлин, τi . Объем торговли между странами16 , x, зависит от установленных пошлин как

x = 1 − τ1 − τ2

Цель каждой страны - максимизировать доходы ui = τi x.

Максимизируем выигрыш 1-й страны,

τ1 (1 − τ1 − τ2 )

по τ1 считая фиксированным уровень пошлины, установленный 2-й страной. Условие первого порядка имеет вид

1 − 2τ1 − τ2 = 0

Поскольку максимизируемая функция строго вогнута, то условие первого порядка соответствует глобальному максимуму.

Условие первого порядка для задачи максимизации выигрыша 2-й страны находится аналогично:

1 − τ1 − 2τ2 = 0

Решив систему из двух линейных уравнений, найдем равновесие Нэша:

τ1 = τ2 = 1/3

Оптимальный отклик 1-й страны на уровень таможенной пошлины, установленной 2-й страной описывается функцией

τ1 (τ2 ) =1 − τ 2

Аналогично, функция отклика 2-й страны имеет вид

τ2 (τ1 ) =1 − τ 1 2

Чтобы найти равновесие Нэша, требуется решить систему уравнений

τ1 (τ2 ) = τ1 ,

τ2 (τ) = τ .

Графически поиск равновесия Нэша показан не Рис. 16.3 . Точки, лежащие на кривых оптимального отклика τ1 (τ2 ) и τ2 (τ1 ), характеризуются тем, что в них касательные к кривым безразличия игроков параллельны соответствующей оси координат. Напомним, что кривой безразличия называют множество точек, в которых полезность рассматриваемого индивидуума одна и та же (ui (x) = const). Равновесие находится как точка пересечения кривых отклика.

Преимущество использования концепции равновесия Нэша состоит в том, что можно найти решение и в тех играх, в которых отбрасывание доминируемых стратегий не позволяет этого сделать. Однако сама концепция может показаться более спорной, поскольку опирается на сильные предположения о поведении игроков.

Связь между введенными концепциями решений описывается следующими утверждения-

16 В этой игре мы для упрощения не делаем различия между экспортом и импортом.

		(τ2 )
				равновесия
				τ2 (τ1 )

Рис. 16.3. Равновесие Нэша в игре «Международная торговля»

Теорема 151:

Если x = (x1 , . . . , xm ) - равновесие Нэша в некоторой игре, то ни одна из составляющих его стратегий не может быть отброшена в результате применения процедуры последовательного отбрасывания строго доминируемых стратегий.

Обратная теорема верна в случае единственности.

Теорема 152:

Если в результате последовательного отбрасывания строго доминируемых стратегий у каждого игрока остается единственная стратегия, xi , то x = (x1 , . . . , xm ) - равновесие Нэша в этой игре.

Доказательства этих двух утверждений даны в Приложении B (с. 641 ). Нам важно здесь, что концепция Нэша не входит в противоречие с идеями рациональности, заложенной в процедуре отбрасывания строго доминируемых стратегий.

По-видимому, естественно считать, что разумно определенное равновесие, не может быть отброшено при последовательном отбрасывании строго доминируемых стратегий. Первую из теорем можно рассматривать как подтверждение того, что концепция Нэша достаточно разумна. Отметим, что данный результат относится только к строгому доминированию. Можно привести пример равновесия Нэша с одной или несколькими слабо доминируемыми стратегиями (см. напр. Таблицу16.11 на с.652 ).

16.2.5 Равновесие Нэша в смешанных стратегиях

Нетрудно построить примеры игр, в которых равновесие Нэша отсутствует. Следующая игра представляет пример такой ситуации.

Игра 6. «Инспекция»

В этой игре первый игрок (проверяемый) поставлен перед выбором - платить или не платить подоходный налог. Второй - налоговой инспектор, решает, проверять или не проверять именно этого налогоплательщика. Если инспектор «ловит» недобросовестного налогоплательщика, то взимает в него штраф и получает поощрение по службе, более чем компенсирующее его издержки; в случае же проверки исправного налогоплательщика, инспектор, не получая поощрения, тем не менее несет издержки, связанные с проверкой. Матрица выигрышей представлена в Таблице 16.9 .

Таблица 16.9.
			Инспектор
		проверять				не проверять
нарушать
Проверяемый
не нарушать

Если инспектор уверен, что налогоплательщик выберет не платить налог, то инспектору выгодно его проверить. С другой стороны, если налогоплательщик уверен, что его проверят, то ему лучше заплатить налог. Аналогичным образом, если инспектор уверен, что налогоплательщик заплатит налог, то инспектору не выгодно его проверять, а если налогоплательщик уверен, что инспектор не станет его проверять, то он предпочтет не платить налог. Оптимальные отклики показаны в таблице подчеркиванием соответствующих выигрышей. Очевидно, что ни одна из клеток не может быть равновесием Нэша, поскольку ни в одной из клеток не подчеркнуты одновременно оба выигрыша.

В подобной игре каждый игрок заинтересован в том, чтобы его партнер не смог угадать, какую именно стратегию он выбрал. Этого можно достигнуть, внеся в выбор стратегии элемент неопределенности.

Те стратегии, которые мы рассматривали раньше, принято называть чистыми стратегиями . Чистые стратегии в статических играх по сути дела совпадают с действиями игроков. Но в некоторых играх естественно ввести в рассмотрение также смешанные стратегии. Подсмешанной стратегией понимают распределение вероятностей на чистых стратегиях. В частном случае, когда множество чистых стратегий каждого игрока конечно,

Xi = {x1 i , . . . , xn i i }

(соответствующая игра называется конечной ,), смешанная стратегия представляется вектором вероятностей соответствующих чистых стратегий:

µi = (µ1 i , . . . , µn i i )

Обозначим множество смешанных стратегий i-го игрока через Mi :

Mi = µi µk i > 0, k = 1, . . . , ni ; µ1 i + · · · + µn i i = 1

Как мы уже отмечали, стандартное предположение теории игр (как и экономической теории) состоит в том, что если выигрыш - случайная величина, то игроки предпочитают действия, которые приносят им наибольший ожидаемый выигрыш. Ожидаемый выигрыш i-го игрока, соответствующий набору смешанных стратегий всех игроков, (µ1 , . . . , µm ), вычисляется по формуле

Ожидание рассчитывается в предположении, что игроки выбирают стратегии независимо (в статистическом смысле).

Смешанные стратегии можно представить как результат рандомизации игроком своих действий, то есть как результат их случайного выбора. Например, чтобы выбирать каждую из двух возможных стратегий с одинаковой вероятностью, игрок может подбрасывать монету.

Эта интерпретация подразумевает, что выбор стратегии зависит от некоторого сигнала, который сам игрок может наблюдать, а его партнеры - нет17 . Например, игрок может выбирать стратегию в зависимости от своего настроения, если ему известно распределение вероятностей его настроений, или от того, с какой ноги он в этот день встал18 .

Определение 92:

Набор смешанных стратегий µ = (µ1 , . . . , µm ) являетсяравновесием Нэша в смешанных стратегиях , если

1) стратегия µ i каждого игрока является наилучшим для него откликом на ожидаемые им стратегии других игроков µe −i :

U(µi , µe −i ) = max U(µi , µe −i ) i = 1, . . . , n;

µ iM i

2) ожидания совпадают с фактически выбираемыми стратегиями:

µe −i = µ−i i = 1, . . . , n.

Заметим, что равновесие Нэша в смешанных стратегиях является обычным равновесием Нэша в так называемом смешанном расширении игры, т. е. игре, чистые стратегии которой являются смешанными стратегиями исходной игры.

Найдем равновесие Нэша в смешанных стратегиях в Игре 16.2.5 .

Обозначим через µ вероятность того, что налогоплательщик не платит подоходный налог,

а через ν - вероятность того, что налоговой инспектор проверяет налогоплательщика.

В этих обозначениях ожидаемый выигрыш налогоплательщика равен

U1 (µ, ν) = µ[ν · (−1) + (1 − ν) · 1] + (1 − µ)[ν · 0 + (1 − ν) · 0] =

= µ(1 − 2ν),

а ожидаемый выигрыш инспектора равен

U2 (µ, ν) = ν[µ · 1 + (1 − µ) · (−1)] + (1 − µ)[µ · 0 + (1 − µ) · 0] = = ν(2µ − 1)

Если вероятность проверки мала (ν < 1/2), то налогоплательщику выгодно не платить налог, т. е. выбрать µ = 1. Если вероятность проверки велика, то налогоплательщику выгодно заплатить налог, т. е. выбрать µ = 0. Если же ν = 1/2, то налогоплательщику все равно, платить налог или нет, он может выбрать любую вероятность µ из интервала . Таким образом, отображение отклика налогоплательщика имеет вид:

Рассуждая аналогичным образом, найдем отклик налогового инспектора:

0, если µ < 1/2

ν(µ) = , если µ = 1/2

1, если µ > 1/2.

17 Если сигналы, наблюдаемые игроками, статистически зависимы, то это может помочь игрокам скоординировать свои действия. Это приводит к концепции коррелированного равновесия.

18 Впоследствии мы рассмотрим, как можно достигнуть эффекта рандомизации в рамках байесовского равновесия.

Графики отображений отклика обоих игроков представлены на Рис. 16.4 . По осям на этой диаграмме откладываются вероятности (ν и µ соответственно). Они имеют единственную общую точку (1/2, 1/2). Эта точка соответствует равновесию Нэша в смешанных стратегиях. В этом равновесии, как это всегда бывает в равновесиях с невырожденными смешанными стратегиями (то есть в таких равновесиях, в которых ни одна из стратегий не выбирается с вероятностью 1), каждый игрок рандомизирует стратегии, которые обеспечивают ему одинаковую ожидаемую полезность. Вероятности использования соответствующих чистых стратегий, выбранные игроком, определяются не структурой выигрышей данного игрока, а структурой выигрышей его партнера, что может вызвать известные трудности с интерпретацией данного решения.

Рис. 16.4. Отображения отклика в игре «Инспекция»

В отличие от равновесия в чистых стратегиях, равновесие в смешанных стратегиях в конечных играх существует всегда19 , что является следствием следующего общего утверждения.

Теорема 153:

Предположим, что в игре G = hI, {Xi }i I , {ui }i I i у любого игрока множество стратегий Xi непусто, компактно и выпукло, а функция выигрыша ui (·) вогнута по xi и непрерывна. Тогда в игре G существует равновесие Нэша (в чистых стратегиях).

Существование равновесия Нэша в смешанных стратегиях в играх с конечным числом чистых стратегий является следствием того, что равновесие в смешанных стратегиях является равновесием в чистых стратегиях в смешанном расширении игры.

Теорема 154 (Следствие (Теорема Нэша)):

Равновесие Нэша в смешанных стратегиях существует в любой конечной игре.

Заметим, что существование в игре равновесия в чистых стратегиях не исключает существования равновесия в невырожденных смешанных стратегиях.

Рассмотрим в Игре 16.2.1 «Выбор компьютера» случай, когда выгоды от совместимости значительны, т. е. a < c и b < c. В этом варианте игры два равновесия в чистых стратегиях: (IBM, IBM) и (Mac, Mac). Обозначим µ и ν вероятности выбора компьютера IBM PC первым и вторым игроком соответственно. Ожидаемый выигрыш 1-го игрока равен

U1 (µ, ν) = µ[ν · (a + c) + (1 − ν) · a] + (1 − µ)[ν · 0 + (1 − ν) · c] = = µ[ν · 2c − (c − a)] + (1 − ν)c

а его отклик имеет вид

µ(ν) = ,

Ожидаемый выигрыш 2-го игрока равен

если ν < (c − a)/2c

если ν = (c − a)/2c

если ν > (c − a)/2c.

U2 (µ, ν) = ν[µ · c + (1 − µ) · 0] + (1 − ν)[µ · b + (1 − µ) · (b + c)] =

= ν[µ · 2c − (b + c)] + b + (1 − µ)c

а его отклик имеет вид

ν(µ) = ,

если µ < (b + c)/2c

если µ = (b + c)/2c

если µ > (b + c)/2c.

Графики отображений отклика и точки, соответствующие трем равновесиям изображены на Рис. 16.5 . Как видно, в рассматриваемой игре кроме двух равновесий в чистых стратегиях имеется одно равновесие в невырожденных смешанных стратегиях. Соответствующие вероятности равны

µ = b + cи ν = c − a

Рис. 16.5. Случай, когда в игре «Выбор компьютера» существует три равновесия, одно из которых - равновесие в невырожденных смешанных стратегиях

Приложение A

Теорема повторяется, номер обновляется, ссылки на это приложение нет. Можно поменять местами A и B

Теорема 155:

Предположим, что в игре G = hI, {Xi }i I , {ui0 }i I i у любого игрока множество стратегий Xi непусто, компактно и выпукло, а функция выигрыша ui (·) вогнута по xi и непрерывна. Тогда существует равновесие Нэша.

Доказательство: Докажем, что отображение отклика, Ri (·), каждого игрока полунепрерывно сверху и его значение при каждом x−i X−i непусто и выпукло. Непустота следует из теоремы Вейерштрасса (непрерывная функция на компакте достигает максимума).

16.2. Статические игры с полной информацией

Докажем выпуклость. Пусть z0 , z00 Ri (x−i ). Очевидно, что u(z0 , x−i ) = u(z00 , x−i вогнутости по xi функции ui (·) следует, что при α

u(αz0 + (1 − α)z00 , x−i ) > αu(z0 , x−i ) + (1 − α)u(z00 , x−i ) =

U(z0 , x−i ) = u(z00 , x−i )

Поскольку функция ui (·) достигает максимума в точках z0 и z00 , то строгое неравенство

невозможно. Таким образом,

αz0 + (1 − α)z00 Ri (x−i )

Докажем теперь полунепрерывность сверху отображения Ri (·). Рассмотрим последовательность xn i сходящуюся к x¯i и последовательность xn −i сходящуюся к x¯−i , причем xn i Ri (xn −i ). Заметим, что в силу компактности множеств Xj x¯i Xi и x¯−i X−i . Нам нужно доказать, что x¯i Ri (x¯−i ). По определению отображения отклика

u(xn i , xn −i ) > u(xi , xn −i ) xi Xi , n

Из непрерывности функции ui (·) следует, что

u(¯xi , x¯−i ) > u(xi , x¯−i ) xi Xi

Тем самым, по введенному выше определению отображения отклика, x¯i Ri (x¯−i ). Опираясь на доказанные только что свойства отображения Ri (·) и на теорему Какутани,

докажем существование равновесия по Нэшу, то есть такого набора стратегий x X , для

которого выполнено

xi Ri (x−i ) i = 1, . . . , n

Определим отображение R(·) из X в X следующим образом:

R(x) = R1 (x−1 ) × · · · × Rn (x−n )

Отметим, что это отображение удовлетворяет тем же свойствам, что и каждое из отображений Ri (·), так как является их декартовым произведением.

Отображение R(·) и множество X удовлетворяют свойствам, которые необходимы для выполнения теоремы Какутани. Таким образом, существует неподвижная точка отображения

Очевидно, что точка x есть равновесие по Нэшу.

Приложение B

В этом приложении мы формально докажем утверждения о связи между равновесием Нэша и процедурой последовательного отбрасывания строго доминируемых стратегий.

Сначала определим формально процедуру последовательного отбрасывания строго доминируемых стратегий. Пусть исходная игра задана как

G = hI, {Xi }I , {ui }I i.

Определим последовательность игр {G[t] }t=0,1,2,... , каждая из которых получается из последующей игры отбрасыванием строго доминируемых стратегий. Игры отличаются друг от друга множествами допустимых стратегий:

G[t] = hI, {Xi [t] }I , {ui }I i

Процедура начинается с G= G.

Множество допустимых стратегий i-го игрока на шаге t + 1 рассматриваемой процедуры берется равным множеству не доминируемых строго стратегий i-го игрока в игре t-го шага. Множества не доминируемых строго стратегий будем обозначать через NDi (см. определение строго доминируемых стратегий (Определение89 , с.631 )). Формально

NDi = xi Xi yi Xi : ui (yi , x−i ) > ui (xi , x−i ) x−i X−i

Таким образом, можно записать шаг рассматриваемой процедуры следующим образом:

X i = ND i [t]

где NDi [t] - множество не доминируемых строго стратегий в игре G[t] .

Приведем теперь доказательства Теорем 151 и152 (с.636 ). Теорема151 утверждает следующее:

: Если x = (x1 , . . . , xm ) - равновесие Нэша в некоторой игре, то ни одна из стратегий не может быть отброшена в результате применения процедуры последовательного отбрасывания строго доминируемых стратегий.

Если использовать только что введенные обозначения, то Теорема 151 утверждает, что если x - равновесие Нэша в исходной игре G, то на любом шаге t выполнено

xi Xi [t] , i I, t = 1, 2, . . .

x X[t] , t = 1, 2, . . .

Доказательство (Доказательство Теоремы 151 ): Пусть есть такой шаг τ , что на нем должна быть отброшена стратегия xi некоторого игрока i I . Предполагается, что на предыдущих шагах ни одна из стратегий не была отброшена:

x X[t] , t = 1, . . . , τ.

По определению строгого доминирования существует другая стратегия игрока i, x0 i Xi [τ] , которая дает этому игроку в игре G[τ] более высокий выигрыш при любых выборах других

ui (x0 i , x−i ) > ui (xi , x−i ) x−i X− [τ i ]

В том числе, это соотношение должно быть выполнено для x−i , поскольку мы предположили, что стратегии x−i не были отброшены на предыдущих шагах процедуры (x−i X− [τ i ] ). Значит,

: Если в результате последовательного отбрасывания строго доминируемых стратегий у каждого игрока остается единственная стратегия, xi , то x = (x1 , . . . , xm ) - равновесие Нэша в этой игре.

Данная теорема относится к случаю, когда в процессе отбрасывания строго доминируемых

стратегий начиная с некоторого шага ¯ остается единственный набор стратегий, т. е. t x

Теорема утверждает, что x является единственным равновесием Нэша исходной игры.

Доказательство (Доказательство Теоремы 152 ): Поскольку, согласно доказанной только что теореме, ни одно из равновесий Нэша не может быть отброшено, нам остается только доказать, что указанный набор стратегий x является равновесием Нэша. Предположим, что это не так. Это означает, что существует стратегия x˜i некоторого игрока i, такая что

ui (xi , x−i ) < ui (˜xi , x−i )

По предположению, стратегия x˜i была отброшена на некотором шаге τ , поскольку она не совпадает с xi . Таким образом, существует некоторая строго доминирующая ее стратегия x0 i Xi [τ] , так что

ui (x0 i , x−i ) > ui (˜xi , x−i ) x−i X− [τ i ]

В том числе это неравенство выполнено при x−i = x−i :

ui (x0 i , x−i ) > ui (˜xi , x−i )

Стратегия x0 i не может совпадать со стратегией xi , поскольку в этом случае вышеприведенные неравенства противоречат друг другу. В свою очередь, из этого следует, что должна существовать стратегия x00 i , которая доминирует стратегию x0 i на некотором шаге τ0 > τ , т. е.

	(x00									[τ0 ]
								−i

В том числе

ui (x00 i , x−i ) > ui (x0 i , x−i )

Можно опять утверждать, что стратегия x00 i не может совпадать со стратегией xi , иначе вышеприведенные неравенства противоречили бы друг другу.

Продолжая эти рассуждения, мы получим последовательность шагов τ < τ0 < τ00 < . . .

и соответствующих допустимых стратегий x0 i , x00 i , x000 i , . . ., не совпадающих с xi . Это противо-

/ 667. Два игрока размещают некоторый объект на плоскости, то есть выбирают его координаты (x, y). Игрок 1 находится в точке (x 1 , y1 ), а игрок 2 - в точке (x2 , y2 ). Игрок 1 выбирает координату x, а игрок 2 - координату y. Каждый стремиться, чтобы объект находился как можно ближе к нему. Покажите, что в этой игре у каждого игрока есть строго доминирующая стратегия.

/ 668. Докажите, что если в некоторой игре у каждого из игроков существует строго доминирующая стратегия, то эти стратегии составляют единственное равновесие Нэша.

/ 669. Объясните, почему равновесие в доминирующих стратегиях должно быть также равновесием в смысле Нэша. Приведите пример игры, в которой существует равновесие в доминирующих стратегиях, и, кроме того, существуют равновесия Нэша, не совпадающие с равновесием в доминирующих стратегиях.

Найдите в следующих играх все равновесия Нэша.

/ 670. Игра 16.2.1 (с.625 ), выигрыши которой представлены в Таблице??////??

/ 671. «Орехи»

Два игрока делят между собой 4 ореха. Каждый делает свою заявку на орехи: xi = 1, 2 или 3. Если x1 + x2 6 4, то каждый получает сколько просил, в противном случае оба не получают ничего.

/ 672. Два преподавателя экономического факультета пишут учебник. Качество учебника (q) зависит от их усилий (e1 и e2 соответственно) в соответствии с функцией

q = 2(e1 + e2 ).

Целевая функция каждого имеет вид

ui = q − ei ,

т. е. качество минус усилия. Можно выбрать усилия на уровне 1, 2 или 3.

/ 673. «Третий лишний» Каждый из трех игроков выбирает одну из сторон монеты: «орёл» или «решка». Если

выборы игроков совпали, то каждому выдается по 1 рублю. Если выбор одного из игроков отличается от выбора двух других, то он выплачивает им по 1 рублю.

/ 674. Три игрока выбирают одну из трех альтернатив: A, B или C . Альтернатива выбирается голосованием большинством голосов. Каждый из игроков голосует за одну и только за одну альтернативу. Если ни одна из альтернатив не наберет большинство, то будет выбрана альтернатива A. Выигрыши игроков в зависимости от выбранной альтернативы следующие:

u1 (A) = 2, u2 (A) = 0, u3 (A) = 1,

u1 (B) = 1, u2 (B) = 2, u3 (B) = 0,

u1 (C) = 0, u2 (C) = 1, u3 (C) = 2.

/ 675. Формируются два избирательных блока, которые будут претендовать на места в законодательном собрании города N-ска. Каждый из блоков может выбрать одну из трех ориентаций: «левая» (L), «правая» (R) и «экологическая» (E). Каждая из ориентаций может привлечь 50, 30 и 20% избирателей соответственно. Известно, что если интересующая их ориентация не представлена на выборах, то избиратели из соответствующей группы не будут голосовать. Если блоки выберут разные ориентации, то каждый получит соответствующую долю голосов. Если блоки выберут одну и ту же ориентацию, то голоса соответствующей группы избирателей разделятся поровну между ними. Цель каждого блока - получить наибольшее количество голосов.

/ 676. Два игрока размещают точку на плоскости. Один игрок выбирает абсциссу, другой -

ординату. Их выигрыши заданы функциями:

а) ux (x, y) = −x2 + x(y + a) + y2 , uy (x, y) = −y2 + y(x + b) + x2 ,

б) ux (x, y) = −x2 − 2ax(y + 1) + y2 , uy (x, y) = −y2 + 2by(x + 1) + x2 , в) ux (x, y) = −x − y/x + 1/2y2 , uy (x, y) = −y − x/y + 1/2x2 ,

(a, b - коэффициенты).

/ 677. «Мороженщики на пляже»

Два мороженщика в жаркий день продают на пляже мороженое. Пляж можно представить как единичный отрезок. Мороженщики выбирают, в каком месте пляжа им находиться, т. е. выбирают координату xi . Покупатели равномерно рассредоточены по пляжу и покупают мороженое у ближайшего к ним продавца. Если x1 < x2 , то первый обслуживают (x1 + x2 )/2 долю пляжа, а второй - 1 − (x1 + x2 )/2. Если мороженщики расположатся в одной и той же точке (x1 = x2 ), покупатели поровну распределятся между ними. Каждый мороженщик стремиться обслуживать как можно большую долю пляжа.

/ 678. «Аукцион» Рассмотрите аукцион, подобный описанному в Игре 16.2.2 , при условии, что выигравший

аукцион игрок платит названную им цену.

/ 679. Проанализируйте Игру 16.2.1 «Выбор компьютера» (с.624 ) и найдите ответы на следующие вопросы:

а) При каких условиях на параметры a, b и c будет существовать равновесие в доминирующих стратегиях? Каким будет это равновесие?

б) При каких условиях на параметры будет равновесием Нэша исход, когда оба выбирают IBM? Когда это равновесие единственно? Может ли оно являться также равновесием в доминирующих стратегиях?

/ 680. Каждый из двух соседей по подъезду выбирает, будет он подметать подъезд раз в неделю или нет. Пусть каждый оценивает выгоду для себя от двойной чистоты в a > 0 денежных единиц, выгоду от одинарной чистоты - в b > 0 единиц, от неубранного подъезда - в 0, а свои затраты на личное участие в уборке - в c > 0. При каких соотношениях между a, b и c в игре сложатся равновесия вида: (0) никто не убирает, (1) один убирает, (2) оба убирают?

/ 681. Предположим, что в некоторой игре двух игроков, каждый из которых имеет 2 стратегии, существует единственное равновесие Нэша. Покажите, что в этой игре хотя бы у одного из игроков есть доминирующая стратегия.

/ 682. Каждый из двух игроков (i = 1, 2) имеет по 3 стратегии: a, b, c и x, y, z соответственно. Взяв свое имя как бесконечную последовательность символов типа иваниваниван. . . , задайте выигрыши первого игрока так: u1 (a, x) = «и», u1 (a, y) = «в», u1 (a, z) = «а», u1 (b, x) = «н», u1 (b, y) = «и», u1 (b, z) = «в», u1 (c, x) = «а», u1 (c, y) = «н», u1 (c, z) = «и». Подставьте вместо каждой буквы имени ее номер в алфавите, для чего воспользуйтесь Таблицей16.10 . Аналогично используя фамилию, задайте выигрыши второго игрока, u2 (·).

1) Есть ли в Вашей игре доминирующие и строго доминирующие стратегии? Если есть, то образуют ли они равновесие в доминирующих стратегиях?

2) Каким будет результат последовательного отбрасывания строго доминируемых страте-

3) Найдите равновесия Нэша этой игры.

Таблица 16.10.

/ 683. Составьте по имени, фамилии и отчеству матричную игру трех игроков, у каждого из которых по 2 стратегии. Ответьте на вопросы предыдущей задачи.

/ 684. Заполните пропущенные выигрыши в следующей таблице так, чтобы в получившейся игре. . .

(0) не было ни одного равновесия Нэша,

		было одно равновесие Нэша,
		было два равновесия Нэша,
		было три равновесия Нэша,

(4) было четыре равновесия Нэша.

/ 685. 1) Объясните, почему в любом равновесии Нэша выигрыш i-го игрока не может быть меньше, чем

min max ui (xi , x−i ).

x −iX −ix iX i

2) Объясните, почему в любом равновесии Нэша выигрыш i-го игрока не может быть

меньше, чем
x iX ix −iX −i

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Равновесие Нэша

Введение

1. Джон Форбс Нэш

1.1 Научные достижения Джона Нэша

2. Равновесие Нэша

2.1 Проблема существования равновесий Нэша

2.2 Проблема единственности равновесия Нэша

2.3 Проблема эффективности равновесия Нэша

2.4 Оптимальные по Парето ситуации

3. Проблемы практического применения

Заключение

Список литературы

Введение

Ученые вот уже почти шестьдесят лет используют теорию игр для расширения анализа стратегических решений, принимаемых фирмы, в частности для того, чтобы ответить на вопрос: почему на некоторых рынках фирмы и стремятся сговориться, тогда, как на других агрессивно конкурируют; использующих фирмы, чтобы не допустить вторжения потенциальных конкурентов; как должны приниматься решения о цене, когда меняются условия п опроса или расходов или, когда новые конкуренты вторгаются на рынок.

Первыми провели исследование в области теории игр Дж-Ф Нейман и О Моргенштерн и описали результаты в книге "Теория игр и экономическое поведение" (1944) Они распространили математические категории этой теории й на экономическую жизнь общества, введя понятие оптимальных стратегий, максимизации ожидаемой полезности, доминирования в игре.

Ученые стремились сформулировать основополагающие критерии рационального поведения участника на рынке с целью достижения благоприятных результатов. Они различали две основные категории игр. Первая - игра с нулевой суммой, предусматривающий такой выигрыш, состоящий исключительно из проигрыша других игроков. В связи с этим пользу одних непременно должна образовываться за счет потерь других игроков, так что общее, а сумма пользы и потерь всегда равна нулю. Вторая категория - игра с положительной суммой, когда индивидуальные игроки соревнуются за выигрыш, состоящий из их же ставок. В обоих случаях игра неизбежно сопряжена с риском, поскольку каждый из ее участников, как считали исследователи, стремится максимально повысить функцию, переменные которой им не контролируются. Если все игроки одинаково умелые, то решающим фактором становится случайность. Но так бывает редко. Почти всегда важную роль в игре играет хитрость, с помощью которой делаются попытки раскрыть замыслы противников и завуалировать свои й намерениях, а затем занять выгодные позиции, которые заставили бы этих противников действовать в ущерб самим себе.

В начале 50-х Джон Нэш разрабатывает методы анализа, в которых все участники или выигрывают, или терпят поражение. Эти ситуации получили названия «равновесие по Нэшу».

1. Джон Форбс Нэш

Очень сильная личность и Нобелевский лауреат Джон Нэш является ученым, который много и плодотворно работал в сфере дифференциальной геометрии и теории игр. Однако не все знают, что математик многие годы своей жизни посвятил трагической борьбе с собственным безумием, граничащим с гениальностью.

«Хорошие научные идеи не приходили бы мне в голову, если бы я думал как нормальные люди.» Д. Нэш

Трудовую деятельность Джон Нэш начал в корпорации "РЭНД" (Санта-Моника, Калифорния), где работал летом 1950 года, а также в 1952 и 1954 годах.

В 1950 - 1951 годах молодой человек преподавал на курсах исчисления (Принстон). В этот период времени он доказал теорему Нэша (о регулярных вложениях). Она является одной из главных в дифференциальной геометрии.

В 1951 - 1952 гг. Джон работает научным ассистентом в Кембридже (Массачусетский технологический институт).

Великому ученому было трудно уживаться в рабочих коллективах. Еще со времен студенчества он прослыл чудаковатым, обособленным, заносчивым, эмоционально холодным человеком (что уже тогда указывало на шизоидную организацию характера). Коллеги и сокурсники, мягко говоря, недолюбливали Джона Нэша за эгоистичность и замкнутость.

1.1 Научные достижения Джона Нэша

Прикладная математика имеет один из разделов - теория игр, который изучает оптимальные стратегии в играх. Эта теория широко применяется в общественных науках, экономике, изучении политико-социальных взаимодействий.

Самое большое открытие Нэша - это выведенная формула равновесия. Она описывает игровую стратегию, в которой выигрыш увеличить не может ни один участник, если изменит свое решение в одностороннем порядке. Например, рабочий митинг (требующий повышения социальных льгот) может завершиться соглашением сторон или же путчем. Для взаимной выгодности две стороны должны использовать идеальную стратегию. Ученый сделал математическое обоснование сочетаний коллективной и личной выгоды, понятий конкуренции. Также он развил "теорию торгов", которая была положена в основу современных стратегий разных сделок (аукционов и т. п.).

Научные изыскания Джона Нэша после исследований в области теории игр не остановились. Ученые считают, что труды, которые математик написал после его первого открытия, даже люди науки не могут понять, очень уж они сложны и для их восприятия.

нэш математик единственность равновесие

2. Равновесие Нэша

Основной математической моделью конфликтной ситуации является игра в нормальной форме. Эта модель задается совокупностью

где множество участников или игроков;

множество допустимых стратегий игрока;

ситуация игры, возникающая в результате выбора всеми игроками своих стратегий;

выигрыш игрока в ситуации.

Важнейшим принципом принятия решений в конфликтных ситуациях является понятие равновесия Нэша.

Равновесием Нэша в игре называется набор стратегий такой, что для каждого игрока его стратегия, входящая в набор, удовлетворяет условию:

Выражение "" читается " при условии ". Оно обозначает набор стратегий, в котором все компоненты, кроме стратегии игрока, совпадают с, а стратегия есть. Данное условие показывает, что стратегия, входящая в набор, является оптимальной для игрока при фиксированных стратегиях всех остальных игроков. Таким образом, можно сказать, что равновесие Нэша это такой набор стратегий, от которого ни одному из игроков не выгодно отклоняться индивидуально.

Обсудим, как можно использовать понятие равновесия Нэша с точки зрения принятия решений. В теории игр, как и во многих других теориях, можно выделить два подхода: нормативный и позитивный. Нормативный подход состоит в том, что теория дает рекомендации, как следует действовать в той или иной конфликтной ситуации. А при позитивном подходе теория пытается описать, как на самом деле происходит взаимодействие между игроками. Изначально теория игр развивалась как нормативная. И сейчас мы обсудим понятие равновесия Нэша именно с такой точки зрения. В этом случае правило принятия решения можно сформулировать следующим образом: в конфликтной ситуации, описываемой игрой в нормальной форме, каждому участнику следует использовать стратегию, которая входит в равновесие Нэша.

Возникают следующие вопросы: всегда ли существует равновесие Нэша и является ли оно единственным? Далее приводятся несколько примеров, которые показывают, что на оба эти вопроса ответ, вообще говоря, отрицательный.

2 .1 Проблема существования равновесий Нэша

Рассмотрим игру двух лиц (), у каждого из которых имеется конечное число стратегий: , . Такие игры двух лиц с конечным числом стратегий у каждого игрока называют биматричными, т.к. для задания функций выигрыша в этом случае удобна биматричная форма записи:

Стратегиям первого игрока соответствуют строки, а стратегиям второго игрока столбцы. Элемент матрицы равен выигрышу игрока, если первый игрок использует свою -тую стратегию, а второй игрок применяет свою -тую стратегию.

Пример игры, в которой не существует равновесий Нэша

Рассмотрим следующую биматричную игру:

Игре с такими матрицами выигрышей можно дать следующую интерпретацию: происходит игра "в монетку": второй игрок загадывает "орел" или "решку", а первый игрок отгадывает. Если он угадывает правильно, то получает от второго игрока "1", иначе отдает "1" второму игроку.

Легко видеть, что в рассматриваемой игре нет равновесий Нэша. Это можно доказать непосредственной проверкой: какую бы ситуацию мы ни взяли, одному из игроков выгодно отклониться, т.к. их интересы противоположны (если выигрывает один, то проигрывает другой) и при любой фиксированной стратегии одного из игроков у другого всегда найдется стратегия, при которой он выигрывает.

2 .2 Проблема единственности равновесия Нэша

Перейдем к ответу на второй вопрос: если существует равновесие Нэша, то является ли оно единственным?

Рассмотрим биматричную игру, называемую "семейный спор". Игроки молодая супружеская пара. Они решают проблему, куда пойти вечером: на футбол или на балет. Муж предпочитает футбол, а жена балет. Но в любом случае им хочется провести вечер вместе, т.к. если они пойдут в разные места, то все удовольствие будет испорчено.

матрица выигрышей жены,

матрица выигрышей мужа.

Легко убедиться, что в этой игре существует два равновесия Нэша: когда оба игрока используют первую стратегию (т.е. супруги идут на балет), либо когда оба игрока используют вторую стратегию (т.е. супруги идут на футбол).

Согласно принципу принятия решений, основанному на понятии равновесия Нэша, игрок должен использовать стратегию, входящую в какое-либо равновесие Нэша. Допустим, каждый игрок выберет то равновесие Нэша, которое ему больше нравится. В данной игре это может привести к самому худшему результату, т.к. жена выберет балет, муж выберет футбол, и в результате они попадут в ситуацию, когда выигрыш у обоих нулевой, т.е. меньше, чем выигрыш каждого игрока в любой из точек равновесия Нэша.

Пример показывает, что необходим какой-то механизм координации при выборе стратегии, если существует несколько равновесий Нэша. Поэтому игры, подобные данному примеру, называют также "играми на координацию".

2 .3 Проблема эффективности равновесия Нэша

Рассмотрим биматричную игру, называющуюся "Дилемма заключенного". (Эта игра достаточно знаменита. Ей посвящено несколько тысяч работ, дающих различные интерпретации этой игры.) Игроками являются два находящихся под следствием человека. У каждого из них есть две стратегии: сознаться в совершенном преступлении или не сознаваться. Следователь предлагает каждому заключенному такие условия: если он сознается, а другой подозреваемый нет, то тогда первого, учитывая его помощь следствию, осудят по минимальному обвинению (на 1 год), а второму дадут максимальный срок (10 лет). Если сознаются оба, то их обоих осудят и дадут срок, соответствующий их преступлению (по 5 лет лишения свободы каждому). Наконец, если оба подследственных не сознаются, то их смогут осудить за недостаточностью улик только по части обвинения (например, за незаконное хранение оружия вместо более тяжкого преступления, которое они на самом деле совершили). В этом случае оба получат по 2 года.

Получаем следующие матрицы выигрышей ("С" сознаться, "Н" не сознаваться):

для первого игрока

для второго игрока

В этой игре существует единственная точка равновесия Нэша обоим сознаться. Но есть ситуация, которая выгоднее обоим игрокам это обоим не сознаваться. Следовательно, точки равновесия Нэша могут быть неэффективны в том смысле, что за счет отклонения обоих игроков от точки равновесия Нэша можно улучшить выигрыши каждого из них.

Описанная в примере игра имеет следующую структуру:

2.4 Оптимальные по Парето ситуации

Чтобы сформулировать обнаруженное свойство неэффективности равновесий Нэша более формально, введем понятие Парето-оптимальной ситуации.

Пусть задана игра в нормальной форме. Набор стратегий называется Парето-оптимальным, если для любого

Фактически оптимальность некоторой ситуации по Парето означает, что за счет изменения стратегий нельзя увеличить выигрыши хотя бы части игроков так, чтобы при этом не уменьшить выигрыши для остальных.

Рассмотренный пример "дилемма заключенного" показывает, что для некоторых игр не существует точек равновесий Нэша, являющихся Парето-оптимальными. В этом случае любая точка равновесия Нэша может быть улучшена за счет совместного выбора стратегий.

3 . Проблемы практического применения

Мы отметили три недостатка понятия равновесия по Нэшу:

равновесий Нэша в игре может не существовать;

равновесие Нэша может быть не единственно;

равновесие Нэша может быть неэффективно.

Но, несмотря на эти недостатки, указанное понятие играет центральную роль в теории принятия решений в конфликтных ситуациях. В 1999 году Джон Нэш, предложивший данное понятие равновесия и известный в основном именно благодаря этому, получил Нобелевскую премию по экономике.

Безусловно, следует указать и на наличие определенных границ применения аналитического инструментария теории игр. В следующих случаях он может быть использован лишь при условии получения дополнительной информации.

Во-первых, это тот случай, когда у игроков сложились разные представления об игре, в которой они участвуют, или, когда они недостаточно информированы о возможностях друг друга. Например, может иметь место неясная информация о платежах конкурента (структуре издержек). Если неполнотой характеризуется не слишком сложная информация, то можно применять опыт подобных случаев с учетом определенных различий.

Во-вторых, теорию игр трудно применять при множестве ситуаций равновесия. Эта проблема может возникнуть даже в ходе простых игр с одновременным выбором стратегических решений.

В-третьих, если ситуация принятия стратегических решений очень сложна, то игроки часто не могут выбрать лучшие для себя варианты. Например, на рынок в разные сроки могут вступить несколько предприятий или реакция уже действующих там предприятий может оказаться более сложной, нежели быть агрессивной или дружественной.

Экспериментально доказано, что при расширении игры до десяти и более этапов игроки уже не в состоянии пользоваться соответствующими алгоритмами и продолжать игру с равновесными стратегиями.

К сожалению, ситуации реального мира зачастую очень сложны и настолько быстро изменяются, что невозможно точно спрогнозировать, как отреагируют конкуренты на изменение тактики. Тем не менее, теория игр полезна, когда требуется определить наиболее важные и требующие учета факторы в ситуации принятия решений в условиях конкурентной борьбы. Эта информация важна, поскольку позволяет учесть дополнительные переменные или факторы, имеющие возможность повлиять на ситуацию, и тем самым повысить эффективность решения.

Заключение

В заключение следует особо подчеркнуть, что теория игр является очень сложной областью знания. При обращении к ней надо соблюдать известную осторожность и четко знать границы применения. Слишком простые толкования таят в себе скрытую опасность. Анализ и консультации на основе теории игр из-за их сложности рекомендуются лишь для особо важных проблемных областей. Опыт показывает, что использование соответствующего инструментария предпочтительно при принятии однократных, принципиально важных плановых стратегических решений, в том числе при подготовке крупных кооперационных договоров.

Где же сегодня применяются открытия Нэша?

Пережив бум в семидесятых-восьмидесятых, теория игр заняла прочные позиции в некоторых отраслях социального знания. Эксперименты, в которых команда Нэша в свое время фиксировала особенности поведения игроков, в начале пятидесятых были расценены как провал. Сегодня они легли в основание «экспериментальной экономики». «Равновесие Нэша» активно используется в анализе олигополий: поведении небольшого количества конкурентов в отдельном секторе рынка.

Кроме того, на Западе теория игр активно используется при выдаче лицензий на вещание или связь: выдающий орган математически высчитывает наиболее оптимальный вариант распределения частот.

Список литературы

1. Васин А. А., Морозов В. В. Теория игр и модели математической экономики. -- М.: МГУ, 2005, 272 с.

2. Воробьёв Н. Н. Теория игр для экономистов-кибернетиков. -- М.: Наука, 1985

3. http://dic.academic.ru/dic.nsf/econ_dict/22119

4. http://economicportal.ru/ponyatiya-all/nash_equilibrium.html

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Проблемы неравномерного распределения доходов среди населения. Закон распределения Парето: зависимость между размером доходов и количеством людей. Распределение Парето в теории катастроф. Методы обработки данных с распределением с тяжелыми хвостами.

курсовая работа , добавлен 06.01.2012


Особенности формирования математической модели принятия решений, постановка задачи выбора. Понятие оптимальности по Парето и его роль в математической экономике. Составление алгоритма поиска парето-оптимальных решений, реализация программного средства.

контрольная работа , добавлен 11.06.2011


Разработка математической модели оптимальной расстановки игроков футбольной команды на поле с учетом распределения игровых обязанностей между футболистами и индивидуальных особенностей каждого для достижения максимальной эффективности игры всей команды.

курсовая работа , добавлен 04.08.2011


Сравнительная характеристика эффективности и простоты применения зажиточных за Кондорсе правил голосования Копленда и Симпсона, законов Бордо и оптимальности по Парето с целью разработки автоматизированной программы для нахождения победителя выборов.

курсовая работа , добавлен 20.08.2010


Условия равновесия в экономической модели. Методы регулирования совокупного спроса. Исследование возможностей получения эффективных равновесий в макроэкономике. Использование монетарной и фискальной политик в процессе регулирования рыночных отношений.

дипломная работа , добавлен 18.11.2017


Экономическое равновесие, условия и методы его достижения, ценовые и неценовые причины нарушения. Общая модель рынка по Вальрасу, ее применение в обосновании экономического равновесия, отличия от модели Эрроу-Дебре. Устойчивость конкурентного равновесия.

курсовая работа , добавлен 19.06.2009


Цель сервисной деятельности, формы обслуживания потребителей. Анализ эффективности работы организации в сфере обслуживания. Понятие системы массового обслуживания, ее основные элементы. Разработка математической модели. Анализ полученных результатов.

контрольная работа , добавлен 30.03.2016


Типы многокритериальных задач. Принцип оптимальности Парето и принцип равновесия по Нэшу при выборе решения. Понятие функции предпочтения (полезности) и обзор методов решения задачи векторной оптимизации с использованием средств программы Excel.

реферат , добавлен 14.02.2011


Классическая теория оптимизации. Функция скаляризации Чебышева. Критерий Парето-оптимальность. Марковские процессы принятия решений. Метод изменения ограничений. Алгоритм нахождения кратчайшего пути. Процесс построения минимального остовного дерева сети.

контрольная работа , добавлен 18.01.2015


Рассмотрение теоретических и практических аспектов задачи принятия решения. Ознакомление со способами решения с помощью построения обобщенного критерия и отношения доминирования по Парето; примеры их применения. Использование критерия ожидаемого выигрыша.

И Оскар Моргенштерн стали основателями нового интересного направления математики, которое получило название "теория игр". В 1950-е годы этим направлением заинтересовался молодой математик Джон Нэш. Теория равновесия стала темой его диссертации, которую он написал, будучи в возрасте 21 год. Так родилась новая стратегия игр под названием «Равновесие по Нэшу», заслужившая Нобелевскую премию спустя много лет - в 1994 году.

Долгий разрыв между написанием диссертации и всеобщим признанием стал испытанием для математика. Гениальность без признания вылилась в серьезные ментальные нарушения, но и эту задачу Джон Нэш смог решить благодаря прекрасному логическуму разуму. Его теория "равновесие по Нэшу" удостоилась премии Нобеля, а его жизнь экранизации в фильме «Beautiful mind» («Игры разума»).

Кратко о теории игр

Поскольку теория равновесия Нэша объясняет поведение людей в условиях взаимодействия, поэтому стоит рассмотреть основные понятия теории игр.

Теория игр изучает поведение участников (агентов) в условиях взаимодействия друг с другом по типу игры, когда исход зависит от решения и поведения нескольких людей. Участник принимает решения, руководствуясь своими прогнозами относительно поведения остальных, что и называется игровой стратегией.

Существует также доминирующая стратегия, при которой участник получает оптимальный результат при любом поведении других участников. Это наилучшая безпроигрышная стратегия игрока.

Дилемма заключенного и научный прорыв

Дилемма заключенного - это случай с игрой, когда участники вынуждены принимать рациональные решения, достигая общей цели в условии конфликта альтернатив. Вопрос заключается в том, какой из этих вариантов он выберет, осознавая личный и общий интерес, а также невозможность получить и то, и другое. Игроки словно заключены в жесткие игровые условия, что порой заставляет их мыслить очень продуктивно.

Эту дилемму исследовал американский математик Равновесие, которое он вывел, стало революционным в своем роде. Особенно ярко эта новая мысль повлияла на мнение экономистов о том, как делают выбор игроки рынка, учитывая интересы других, при плотном взаимодействии и пересечении интересов.

Лучше всего изучать теорию игр на конкретных примерах, поскольку сама эта математическая дисциплина не является сухо-теоретической.

Пример дилеммы заключенного

Пример, два человека совершили грабеж, попали в руки полиции и проходят допрос в отдельных камерах. При этом служители полиции предлагают каждому участнику выгодные условия, при которых он выйдет на свободу в случае дачи показаний против своего напарника. У каждого из преступников существует следующий набор стратегий, которые он будет рассматривать:

1. Оба одновременно дают показания и получают по 2,5 года в тюрьме.
2. Оба одновременно молчат и получают по 1 году, поскольку в таком случае доказательная база их вины будет мала.
3. Один дает показания и получает свободу, а другой молчит и получает 5 лет тюрьмы.

Очевидно, что исход дела зависит от решения обоих участников, но сговориться они не могут, поскольку сидят в разных камерах. Также ярко виден конфликт их личных интересов в борьбе за общий интерес. У каждого из заключенных есть два варианта действий и 4 варианта исходов.

Цепь логических умозаключений

Итак, преступник А рассматривает следующие варианты:

1. Я молчу и молчит мой напарник — мы оба получим по 1 году тюрьмы.
2. Я сдаю напарника и он сдает меня — мы оба получим по 2,5 года тюрьмы.
3. Я молчу, а напарник меня сдает — я получу 5 лет тюрьмы, а он свободу.
4. Я сдаю напарника, а он молчит - я получаю свободу, а он 5 лет тюрьмы.

Приведем матрицу возможных решений и исходов для наглядности.

Таблица вероятных исходов дилеммы заключенного.

Вопрос состоит в том, что выберет каждый участник?

«Молчать, нельзя говорить» или «молчать нельзя, говорить»

Чтобы понять выбор участника, нужно пройти по цепочке его размышлений. Следуя рассуждениям преступника А: если я промолчу и промолчит мой напарник, мы получим минимум срока (1 год), но я не могу узнать, как он себя поведет. Если он даст показания против меня, то мне также лучше дать показания, иначе я могу сесть на 5 лет. Лучше мне сесть на 2,5 года, чем на 5 лет. Если он промолчит, то мне тем более нужно дать показания, поскольку так я получу свободу. Точно так же рассуждает и участник B.

Нетрудно понять, что доминирующая стратегия для каждого из преступников - это дача показаний. Оптимальная точка этой игры наступает тогда, когда оба преступника дают показания и получают свой «приз» — 2,5 года тюрьмы. Теория игр Нэша называет это равновесием.

Неоптимальное оптимальное решение по Нэшу

Революционность нэшевского взгляда в том, не является оптимальным, если рассмотреть отдельного участника и его личный интерес. Ведь наилучший вариант - это промолчать и выйти на свободу.

Равновесие по Нэшу - это точка соприкосновения интересов, где каждый участник выбирает такой вариант, который для него оптимальный только при условии, что другие участники выбирают определенную стратегию.

Рассматривая вариант, когда оба преступника молчат и получают всего по 1 году, можно назвать него Парето-оптимальным вариантом. Однако он возможен, только если преступники смогли бы сговориться заранее. Но даже это не гарантировало бы этого исхода, поскольку соблазн отступить от уговора и избежать наказания велик. Отсутствие полного доверия друг к другу и опасность получить 5 лет вынуждает выбрать вариант с признанием. Размышлять о том, что участники будут придерживаться варианта с молчанием, действуя согласованно, просто нерационально. Такой вывод можно сделать, если изучать равновесие Нэша. Примеры только доказывают правоту.

Эгоистично или рационально

Теория равновесия Нэша дала потрясающие выводы, опровергнувшие существующие до этого принципы. Например, Адам Смит рассматривал поведение каждого из участников как абсолютно эгоистичное, что и приводило систему в равновесие. Эта теория носила название «невидимая рука рынка».

Джон Нэш увидел, что если все участники будут действовать, преследуя только свои интересы, то это никогда не приведет к оптимальному групповому результату. Учитывая, что рациональное мышление присуще каждому участнику, более вероятен выбор, который предлагает стратегия равновесия Нэша.

Чисто мужской эксперимент

Ярким примером может служить игра «парадокс блондинки», которая хотя и кажется неуместной, но является яркой иллюстрацией, показывающей, как работает теория игр Нэша.

В этой игре нужно представить, что компания свободных парней пришла в бар. Рядом оказывается компания девушек, одна из которых предпочтительнее других, скажем блондинка. Как парням повести себя, чтобы получить наилучшую подругу для себя?

Итак, рассуждения парней: если все начнут знакомиться с блондинкой, то, скорее всего, она никому не достанется, тогда и ее подруги не захотят знакомства. Никто не хочет быть вторым запасным вариантом. Но если парни выберут избегать блондинку, то вероятность каждому из парней найти среди девушек хорошую подругу высока.

Ситуация равновесия по Нэшу неоптимальна для парней, поскольку, преследуя лишь свои эгоистические интересы, каждый выбрал бы именно блондинку. Видно, что преследование только эгоистичных интересов будет равнозначно краху групповых интересов. Равновесие по Нэшу будет значить то, что каждый парень действует в своих личных интересах, которые соприкасаются с интересами всей группы. Это неоптимальный вариант для каждого лично, но оптимальный для каждого, исходя из общей стратегии успеха.

Вся наша жизнь игра

Принятие решений в реальных условиях очень напоминает игру, когда вы ожидаете определенного рационального поведения и от других участников. В бизнесе, в работе, в коллективе, в компании и даже в отношениях с противоположным полом. От больших сделок и до обычных жизненных ситуаций все подчиняется тому или иному закону.

Конечно, рассмотренные игровые ситуации с преступниками и баром - это всего лишь отличные иллюстрации, демонстрирующие равновесие Нэша. Примеры таких дилемм очень часто возникают на реальном рынке, а особенно это работает в случаях с двумя монополистами, контролирующими рынок.

Смешанные стратегии

Часто мы вовлекаемы не в одну, а сразу в несколько игр. Выбирая один из вариантов одной игре, руководствуясь рациональной стратегией, но попадаете в другую игру. После нескольких рациональных решений вы можете обнаружить, что ваш результат вас не устраивает. Что же предпринимать?

Рассмотрим два вида стратегии:

• Чистая стратегия - это поведение участника, которое исходит из размышления над возможным поведением других участников.
• Смешанная стратегия или случайная стратегия - это чередование чистых стратегий случайным образом или выбор чистой стратегии с определенной вероятностью. Такую стратегию еще называют рэндомизированной.

Рассматривая такое поведение, мы получаем новый взгляд на равновесие по Нешу. Если ранее говорилось о том, что игрок выбирает стратегию один раз, то можно представить и другое поведение. Можно допустить тот вариант, что игроки выбирают стратегию случайно с определенной вероятностью. Игры, в которых нельзя найти равновесия Нэша в чистых стратегиях, всегда имеют их в смешанных.

Равновесие Нэша в смешанных стратегиях называется смешанным равновесием. Это такое равновесие, где каждый участник выбирает оптимальную частоту выбора своих стратегий при условии, что другие участники выбирают свои стратегии с заданной частотой.

Пенальти и смешанная стратегия

Пример смешанной стратегии можно привести в игре в футбол. Лучшая иллюстрация смешанной стратегии - это, пожалуй, серия пенальти. Так, у нас есть вратарь, который может прыгнуть только в один угол, и игрок, который будет бить пенальти.

Итак, если в первый раз игрок выберет стратегию сделать удар в левый угол, а вратарь также упадет в этот угол и словит мяч, то как могут развиваться события во второй раз? Если игрок будет бить в противоположный угол, это, скорее всего, слишком очевидно, но и удар в тот же угол не менее очевиден. Поэтому и вратарю, и бьющему ничего не остается, как положиться на случайный выбор.

Так, чередуя случайный выбор с определенной чистой стратегией, игрок и вратарь пытаються получить максимальный результат.

Определение 2.10. Пусть задана игра G в нормальной форме (N,Sj , Исход s = (s, s 2 > > %)е5 называется равновесием

Нэша (NE - Nash Equilibrium) игры G, если Vi е 1.....N, Уу, е 5,

Иначе говоря, каждый из игроков максимизирует свою функцию полезности

на множестве своих стратегий.

В точке равновесия Нэша стратегия х,- - одна из лучших для игрока i стратегий в ответ на х_ ; =(х 1 ,х 2 ,--.,^_ 1 ,х 1+1 ,...,х лг) - стратегии остальных игроков. Игрок i рассматривает стратегии из х_ ; как заданную вполне определенную совокупность стратегий «внешнего мира», на которую он не может активно воздействовать. Он может активно выбирать лишь свою стратегию в, которая будет наилучшим выбором, если остальные игроки выберут s_j. При этом игрок i полагает, что аналогично выбирают свои стратегии и все остальные игроки.

В точке равновесия Нэша игроку i невыгодно в одиночку отклоняться от стратегии s it если остальные игроки придерживаются стратегий 5 1 ,s 2 ,...s,-_ 1 ,s i+1 ...s N . Действия «в одиночку» могут только уменьшить выигрыш игрока i. Поиск точки равновесия Нэша, таким образом, сводится к решению системы из N задач максимизации функций полезности по соответствующим переменным

Пусть G - (N, 5,-, Uj , i - 1,..N) - конечная игра в нормальной форме.

Назовем X,- множеством смешанных стратегий игрока i, а множество X = X,-Х 2 -...-X jV - множеством профилей всех смешанных стратегий. Обозначим аеХ - элементы этого множества.

Назовем игру G = (N; X; и) смешанным расширением игры G. Тогда равновесие в смешанных стратегиях в игре G - это равновесие Нэша в ее смешанном расширении.

Пример 2.17. Задана биматричная игра

Какие выигрыши будут у игроков при выборе ими стратегий т = 0,а + 0,6Ь и п = 0,25с + 0,75d ?

Решение

Запишем рядом с чистыми стратегиями вероятности их выбора:

Поскольку выбор стратегий осуществляется игроками независимо, вероятность профиля (а; с) равна 0,4-0,25 = 0,1. Аналогично рассчитываются вероятности выигрышей игроков при остальных наборах чистых стратегий. Для удобства выигрыши игроков представим в виде вектор-столбца:

Ответ: щ - 2; и 2 = 0,25.

Наряду с равновесием Нэша введем еще одно важное понятие - доминирования по Парето.

Пусть задана игра в нормальной форме G = (N,Si, u it i = l,...,N). Рассмотрим два профиля стратегий x = (x,x 2 ,...,x jY)e5 и i/ = (i/ v i/ 2 ,...,yy)&S.

Определение 2.11. Профиль стратегий х доминирует по Парето профиль стратегий у, если

Последняя система неравенств означает, что для всех игроков профиль х не хуже, чем профиль у, но при этом хотя бы для одного из игроков профиль х лучше, чем у.

Определение 2.12. Профиль стратегий х называется оптимальным по Парето (Парето-оптимальным), если он недоминируем но Парето.

Если исход оптимален но Парето, то он характеризуется следующим свойством: невозможно улучшить положение ни одного из игроков без ухудшения положения хотя бы одного из других игроков.

Пример 2.18. Найти точки равновесия Нэша, точки равновесия в строго доминирующих стратегиях и Парето-оптимальные точки в матричной игре двух игроков с заданными платежными матрицами:

Решение

Очевидно, ни одна из стратегий не является строго доминируемой. Поэтому равновесия в строго доминирующих стратегиях нет.

Для определения равновесий Нэша подчеркнем наибольшие выигрыши каждого из игроков при фиксированных ходах противника:

Исходы с двойными подчеркиваниями будут равновесиями Нэша: (a; d) (b; с); (b;d ).

Для определения Парето-оптимальных исходов удобно изобразить все точки биматричной игры в критериальной плоскости (рис. 2.21 - по осям откладываем выигрыши игроков).

Рис. 2.21

Парето-оптимальными являются точки, в направлении штриховки от которых (к «северо-востоку») нет других точек. Таковыми являются исходы (а ; d) (а; с); (Ь; с). Введем для краткости обозначения для Парето- оптимальных точек - Р и для равновесных по Нэшу - N. Получим

Выясним, существуют ли в этой игре равновесные по Нэшу профили смешанных стратегий.

Пусть стратегии а и b играются с вероятностями р и 1 - р соответственно, а стратегии с и d - с вероятностями q и 1 - q.

Максимизируем функцию щ(р, q) = 3q - 2pq по переменной р е при постоянном значении q

К аналогичному результату приводит рассмотрение рационального поведения второго игрока, оптимизирующего u 2 (p,q ) по переменной q при постоянном значении р

Изобразим полученный результат (рис. 2.22) в координатах (q, р ):

Рис. 2.22

Как видим, оба графика совпали.

Равновесия Нэша:

Пример 2.19. Найти точки равновесия Нэша (в смешанных стратегиях) и Парето-оптимальные точки в матричной игре двух игроков с заданными платежными матрицами:

Решение

Очевидно, доминирующих стратегий в игре нет. Точек равновесия Нэша в чистых стратегиях также нет. Парето-оптимальные профили: (а ; d) и {b d).

Рассмотрим смешанные стратегии игроков.

Пусть стратегии а и b играются с вероятностями р и 1 - р соответственно, а стратегии cud - с вероятностями q и 1 - q. Запишем матрицу ожидаемых выигрышей первого и второго игроков:

Очевидно, первый игрок решает задачу

Решением задачи является

Эти три случая представлены на рис. 2.23.

Рис. 2.23

Аналогично второй игрок решает задачу Решением задачи является

Эти три случая представлены на рис. 2.24.

Рис. 2.24

Совмещая рисунки, получим рис. 2.25.

Рис. 2.25

Точка N (р = 0,75; q = 0,6), очевидно, является точкой равновесия Нэша в смешанных стратегиях, поскольку она получена в результате решения задач максимизации функции u x (p,q ) пори u 2 (p,q) по q.

Ответ: равновесие Нэша:

Как соотносятся между собой решения игр в чистых стратегиях, полученные методом итерационного исключения строго доминируемых стратегий (если они существуют) и равновесий Нэша? Ответ на этот вопрос дают следующие две теоремы.

Теорема 2.3. Если существует процедура итерационного исключения строго доминируемых стратегий в игре G - (S ;, щ;i - 1,...,N), которая приводит к единственному исходу s = (s i ,s 2 ,...,s N), то этот исход является единственным равновесием Нэша.

Доказательство теоремы достаточно очевидно, поскольку процедура итерационного исключения строго доминируемых стратегий в конечной игре не может исключить равновесия Нэша. И в силу единственности получаемого исхода он будет единственным равновесием Нэша.

Замечание. Если в теореме 2.3 исключить слово «строго», то она перестает быть справедливой. Например, в игре

исходы (а; с) и (Ь; с) являются точками равновесия Нэша, хотя стратегия b доминируема.

Теорема 2.4. Если исход явля

ется равновесием Нэша, то он не может быть исключен в процедуре итерационного исключения строго доминируемых стратегий.

Доказательство теоремы следует из определения строгой доминируемости стратегии.

Пример 2.20. Рассмотрим матричную игру:

Точка равновесия Нэша - (а,х). Однако стратегия а первого игрока доминируема (не строго) стратегией с, а стратегия х второго игрока доминируема стратегией у. Тем самым мы показали, что условие строгой доминируемое™ в теореме существенно.

Пример 2.21. Рассмотрим игру двух игроков, называемую «битва полов» (или «семейный спор»). Саша и Маша пытаются решить, как им проводить выходной день, - пойти на футбол или на балет. Конечно, Саше больше хочется пойти на футбол, Маша же получает большее удовольствие от балета. Но совсем никакого удовольствия они не получат, если будут развлекаться порознь (бывает же такое!). Саша и Маша выбирают место развлечения одновременно и независимо друг от друга, не сговариваясь. Матрица выигрышей имеет следующий вид :

В данной игре исход (Футбол; футбол) является точкой равновесия Нэша. Это значит, что если игроки договорились о выборе каждым из них первой стратегии, то ни одному из них невыгодно будет отклоняться от нее, если другой ее придерживается. Аналогично и исход (Балет; балет) будет точкой равновесия Нэша. Рассмотрим теперь возможность выбора игроками смешанных стратегий. Пусть первый игрок (Саша) выбирает первую и вторую чистые стратегии с вероятностями соответственно р и 1 - р. Второй игрок (Маша) выбирает первую и вторую чистые стратегии с вероятностями соответственно q и 1 -q. Получаем матрицу

Выигрыш Саши равен

Стратегия Саши определяется выбором вероятности р. Функция выигрыша Саши и с (р, q) р ,

если , и, следовательно, приСаша выберет максимальное значение вероятности, т.е.р = 1.

Аналогично если, то функция u c (p,q) - убывающая по переменной/;, и, следовательно, при Саша, максимизируя свой выигрыш, выберет минимальное значение вероятности, т.е. р = 0.

При функция и с (р> q) не зависит от р и Сашу удовлетворяет любое значение р е . Таким образом, имеем

Все сказанное наглядно представляется диаграммой (рис. 2.26).

Рис. 2.26

Выигрыш Маши равен

Стратегия Маши определяется выбором вероятности q. Функция выигрыша Маши u M (p,q) является монотонно возрастающей по переменной q,

если , и, следовательно, приМаша выберет максимальное значение вероятности, т.е.q = 1.

Аналогично если , то функция u M (p,q) - убывающая по переменной q, и, следовательно, приМаша выберет минимальное значение

вероятности, т.е.

При функция и и (р, q) не зависит от q и Машу удовлетворяет

любое значение

Все сказанное наглядно представляется диаграммой (рис. 2.27). Совмещение диаграмм на рис. 2.26 и 2.27 дает три точки пересечения наилучших выборов игроков на всевозможные действия другого игрока (рис. 2.28).

Имеем три точки равновесия Нэша. Первые

две из них соответствуют выбору чистых стратегий (Балет; балет) и (Футбол; футбол). Третья точка представляет собой точку равновесия Нэша в смешанных стратегиях.

Заметим, что значения платежных функций обоих игроков в точке В соседней точке, например , значения платежных функций игроков равны Однако

эта точка не будет точкой равновесия, поскольку если Маша будет придерживаться стратегии , то Саше будет более выгодна стратегия р = 1,

поскольку

Рис. 2.27

Пример 2.22. Рассмотрим пример биматричной игры, в которой существует бесконечно много равновесий 11эша:

Выигрыш первого игрока равен

р получим

Графически этот выбор изображается следующим образом (рис. 2.29).

Рис. 2.29

q вторым игроком. Но первый игрок не знает, каков выбор второго игрока. Он лишь знает, что второй игрок будет также максимизировать свою функцию выигрыша по переменной q.

Выигрыш второго игрока равен

Из условия максимизации функции выигрыша по переменной q получим

Графически этот выбор изображается следующим образом (рис. 2.30).

Рис. 230

Совместим графики на рис. 2.29 и 2.30 (рис. 2.31).

Рис. 2.31

Графики совпадают на отрезке АВ и в начале координат. Все эти точки и будут равновесиями Нэша в смешанных стратегиях. Точка p = q = 0 означает выбор профиля чистых стратегий (b;d ). Поэтому получим: NE:{(b;d), (pa + (l-p)b ; с), ре }.

Следующая теорема дает ответ на вопрос о существовании равновесия Нэша в довольно широком классе игр.

Теорема 2.5 (Нэш, 1950). Для любой конечной игры (т.е. множество игроков и множества их чистых стратегий конечны) в нормальной форме G = (N,S jt Uj,i = 1,..., N) всегда существует по крайней мере одна точка равновесия Нэша, возможно, в смешанных стратегиях.

Чистые стратегии могут быть строго доминируемы смешанными стратегиями, даже если в чистых стратегиях не существует доминируемых стратегий. Покажем это на следующем примере.

Пример 2.23. Дана биматричная игра:

Найти все равновесия Нэша в смешанных стратегиях.

Решение

В данной биматричной игре невозможно, рассматривая только чистые стратегии игроков, исключить строго доминируемые стратегии. Попробуем найти смешанную стратегию, которая доминирует чистую стратегию.

Сначала рассмотрим возможность исключения строго доминируемых строк. Выпишем для удобства матрицу выигрышей первого игрока (он выбирает строки):

Очевидно, никакая смешанная стратегия ра + (1- р)Ь не сможет доминировать чистую стратегию с, поскольку неравенство /?-0 + (1-/?)-2>14 невыполнимо ни при каких значениях р е . Значит, стратегия с не может быть строго доминируема даже с применением смешанных стратегий.

Как было доказано выше, величина f(p) = p-A + (l-p) B при /?е, {А и В - действительные числа) может принимать все значения между числами А и В. Действительно, поскольку /(/?) - линейная функция, то множеством ее значений является отрезок E(f) = .

Аналогично стратегия а не может быть доминируема смешанной стратегией pb + (l-р)с, поскольку (при выборе вторым игроком стратегии е) потребуется выполнение неравенства 4/?+ 4(1-/?) >6.

Предполагая, что смешанная стратегия pa + (1 - р)с может строго доминировать чистую стратегию Ь, также получим невыполнимое неравенство 2/?+ 4(1-/?) >8.

Следовательно, в данной игре не существует строго доминируемых стратегий первого игрока.

Рассмотрим стратегии второго игрока. Выпишем матрицу его выигрышей:

Очевидно, стратегии ей/ недоминируемы. Поскольку 2 е , 1 е , то можем предположить, что существует смешанная стратегия qe + (l-q)f, строго доминирующая чистую стратегию d. Проверим наше предположение. Для этого требуется выполнение системы неравенств:

Необязательно было решать систему неравенств. Достаточно догадаться, что эта система имеет какое-нибудь решение. Например, в данной задаче

видно, что смешанная стратегия строго доминирует стратегию d.

Важно понимать, что не только второй игрок исключает стратегию d, но и первый игрок, поставив себя на место второго и выполнив за него все указанные операции, может прийти к вывод}" об исключении стратегии d.

Вычеркнув первый столбец, получим матрицу

Нетрудно увидеть, что в этой матрице смешанная стратегия первого

игрока строго доминирует стратегию с (это стало очевидным только

после исключения стратегии d). Игра сократилась до биматричной игры размерности 2x2:

Теперь е>/. Получим

И наконец, а >- Ь.

Равновесие Нэша: (а; е). Этот исход будет единственным равновесием Нэша в исходной игре, поскольку процедура исключения строго доминируемых стратегий не может исключить равновесный по Нэшу профиль стратегий.

Пример 2.24. Последовательным исключением строго доминируемых чистых стратегий привести биматричную игру к игре размерности 2x2 (смешанная стратегия может доминировать чистую). Найти все равновесия Нэша в смешанных стратегиях.

5) Пусть первый игрок играет смешанную стратегию рА + ( 1 - р)С, а второй - qE + (-q)F.

Выигрыш первого игрока равен

Из условия максимизации функции выигрыша по переменной р получим

Графически этот выбор изображается следующим образом (рис. 2.32).

Рис. 2.32

Это наилучшее для первого игрока действие, зависящее от выбора вероятности q вторым игроком.

Выигрыш второго игрока равен

Из условия максимизации функции выигрыша по переменной q получим Графически этот выбор изображается следующим образом (рис. 2.33).

Рис. 2.33

Совместим графики на рис. 2.32 и 2.33 (рис. 2.34).

Рис. 2.34

Графики совпадают в трех точках. Эти точки и будут определять равновесия Нэша:

Пример 2.25. Найти все равновесия Нэша в смешанных стратегиях в биматричной игре

Решение

Способ 1. Нетрудно видеть, что в данной игре не существует строго доминируемых стратегий. Введем смешанные стратегии игроков:

Выигрыш первого игрока максимизируем по переменной р:

Выигрыш второго игрока максимизируем по переменным q и г.

Рассмотрим различные значения р (рис. 2.35).

Рис. 235

Случай 1. Пусть р 0,5. Тогда из (2) и (3) получим р - 0. Итак, (р = ();q = 0;г = 1) - равновесие Нэша. Это исход (b, d).

Случай 2. Пусть р = 0,5. Тогда из (2) получим q = 0, а из (1) 5г= 3, или г = 0,6. Следовательно, (р = 0,5; q = 0; г = 0,6) - равновесие Нэша. Это исход (0,5а + 0,56, 0,6d + 0,4е).

Случай 3. Пусть р е (0,5; 1). Тогда из (2) и (3) получим q = 0; г= 0. Но тогда из (1) имеем р = 1, что противоречит исходному условию.

Случай 4. Пусть р = 1. Тогда из (3) получим г = 0, а из (1) q 3, что выполняется при всех допустимых q. Итак, (р = 1; е;г = 0) - равновесия Нэша. Это исходы (a, qc + (-q)e), qe[ 0; 1].

Ответ: (6, d) (0,5а + 0,56, 0,6с/ + 0,4с); (a,qc + (-q)e), ^е.

Покажем еще один способ нахождения равновесий Нэша в таких играх.

Способ 2 (решения примера 2.25). Рассмотрим выигрыши второго игрока при условии выбора первым игроком смешанной стратегии ра + (-р)Ь. Выигрыш второго игрока при выборе им чистой стратегии с равен U - 3 р при выборе чистой стратегии d - = р + 3(- р)] при выборе чистой стратегии е - U? 2 =Зр + (-р).

Построим графики функций выигрыша второго игрока (рис. 2.36).

Рис. 2.36

Случай 1. Пусть р d. Но наилучшим ответом первого игрока на стратегию второго d является чистая стратегия b (2 > 0), т.е. р- 0, что удовлетворяет исходному условию р 0,5. Следовательно, (b , d) - равновесие Нэша.

Случай 2. Пусть р е (0,5; 1). Тогда второй игрок выбирает чистую стратегию е. Но наилучшим ответом первого игрока на стратегию второго е является чистая стратегия а (4 > 1), т.е. р = 1, что не удовлетворяет исходному условию. В данном промежутке нет равновесий Нэша.

Случай 3. Пусть р = 0.5. Тогда вторым игроком не будет играться стратегия с, г.е. q - 0. Рассмотрим игру

Математическое ожидание выигрыша первого игрока равно

Значение р = 0,5 может быть наилучшим ответом на смешанную стратегию второго игрока только при г = 0,6. Тогда исход (0,5а + 0,56, 0,6d + + 0,4с) - равновесие Нэша.

К тому же результату мы придем и из других рассуждений. А именно, для первого игрока значение р = 0,5 возможно только в случае его безразличия к выбору стратегии а или Ь. Э го значит:

Случай 4. Пусть р= 1. Тогда вторым игроком не будет играться стратегия d, т.е. г = 0. Матрица принимает вид

Тогда (a, qc + (1 - q)e) - равновесие Нэша при любых

Пример 2.26. Найти все равновесия Нэша в смешанных стратегиях в биматричной игре

Решение

Рассмотрим выигрыши второго игрока при использовании им чистых стратегий в ответ на смешанную стратегию первого игрока:

Построим графики этих функций (рис. 2.37).

Рис. 2.37

В точке А пересекаются прямые d не. Найдем точку пересечения:

В точке В пересекаются прямые сие. Найдем точку пересечения:

Ломаная линия MABN - наилучший ответ второго игрока при различных значениях р. Рассмотрим несколько случаев.

Случай 1:

чистая стратегия d. d й, что соответствует значению b, d).

Случай 2: . Тогда наилучшим ответом второго игрока является

чистая стратегия е. Но наилучшим ответом первого игрока на чистую стратегию е второго игрока является чистая стратегия а , что соответствует значению . В этом промежутке нет равновесий Нэша.

Случай 3: . Тогда наилучшим ответом второго игрока является

чистая стратегия с. Но наилучшим ответом первого игрока на чистую стратегию с второго игрока является чистая стратегия а , что соответствует значению . В этом промежутке получили единственное равновесие Нэша (а } с).

Случай 4: (точка Л). В этой точке заведомо не играется стратегия с. Матрица игры принимает вид

Рассмотрим математическое ожидание выигрыша первого игрока:

При равновесном по Нэшу исходе первый игрок максимизирует по р свою функцию полезности:

Очевидно, если является оптимальным для первого игрока, то

. Это значение можно получить из условия равенства значений функции выигрыша первого игрока при выборе им а и /;. Иными словами, первому игроку безразлично, выберет он а или b :

Следовательно, профиль стратегий является равно

весием Нэша.

Случай 5: (точка В). В этой точке заведомо не играется стратегия d. Матрица игры принимает вид

Поскольку а >- b , то р = 1 , что противоречит исходному условию Следовательно, не существует равновесия Нэша, при котором второй игрок выбирает

Этот метод решения можно применять для нахождения равновесий Нэша в любых биматричных играх размерности 2 хп или п х 2, и, следовательно, он более универсален, чем метод, примененный в способе 1 решения предыдущего примера.

• Здесь и далее в аналогичных примерах стратегии Саши (Футбол, Балет) обозначенысловом, начинающимся с заглавной буквы, стратегии Маши - со строчной.