Учебное пособие: Матричные игры

Теорема Нэша. В каждой бескоалиционной игре существует хотя бы одна ситуация равновесия в классе смешанных стратегий.

Если, кроме того, функции Н_i(х) выпуклые вверх, то решение по Нэшу достигается в классе чистых стратегий.

Заметим, что принципиальная важность теоремы Нэша ограничивается существованием ситуации равновесия. Непосредственно применять ее для нахождения таких ситуаций не удается.

Дж. Нэшем была доказана также следующая теорема.

Теорема 2. Конечная бескоалиционная игра имеет симметричные ситуации равновесия, в которых игроки, равноправно входящие в игру согласно ее условиям, фактически оказываются в одинаковом положении.

Ее применение позволяет избежать отдельных ошибок при решении конечных бескоалиционных игр.

Одним из простых классов бескоалиционных игр ход решения которых поддается элементарному описанию являются биматричные игры, представляющие собой бескоалиционную игру двух игроков с ненулевой суммой.

5.4 Описание биматричных игр

Пусть в биматричной игре игрок 1 имеет m чистых А_і, , а игрок 2 имеет n чистых стратегий В_j, и в каждой ситуации (A_i, B_j) игрок 1 получает выигрыш a_ij, а игрок 2 - выигрыш b_ij. Значение обеих функций выигрыша игроков естественно представить в виде пары матриц

Поэтому такие игры и называются биматричными. Используют также запись платежных матриц А и В в следующем виде:

где “северо-западное” число в каждой клетке обозначает выигрыш первого игрока, а “юго-восточное” - выигрыш второго игрока.

Смешанные стратегии X и Y, естественно, понимаются как векторы, причем

и .

Выигрыш игроков 1 и 2 при применении смешанных стратегий равны:

где Т - означает транспонирование, т.е. вектор строка записывается как вектор столбец; - смешанные стратегии игроков 1 и 2 соответственно.

Определение ситуации равновесия для случая биматричной игры приобретает следующую формулировку. Ситуация (X,Y) в биматричной игре с матрицами выигрышей А и В является равновесной, если

. (5.4)

. (5.5)

Очевидно, что при В = -А биматричная игра превращается в матричную.

В качестве примера рассмотрим биматричную игру «Торг».

Пример. Игра «Торг»

Игрок 1 продает неделимый товар игроку 2. Игрок 1 должен решить, какую назначить цену: высокую или низкую. Для покупателя в принципе приемлемы обе цены. Покупатель не может спорить о цене, он может либо сделать покупку, либо отказаться от нее.

Платежные матрицы игроков имеют вид:

Описание всех возможных ситуаций в этой игре позволяет определить, что ситуация (А₁, В₁) является оптимальной по Парето и по Нэшу. Ситуация (А₂, В₂) также является оптимальной по Парето, но не является устойчивой, т.е. оптимальной по Нэшу.

Рассмотрим способ нахождения устойчивых ситуаций для биматричных игр с произвольным количеством чистых стратегий игроков.

5.5 Решение биматричных игр

Рассмотрим вначале биматричную игру 2х2 с матрицами выигрышей

,

соответственно игроков 1 и 2. Как и в случае матричных игр, смешанные стратегии полностью описываются вероятностями p и q выбора игроками своих первых чистых стратегий (вторые чистые стратегии выбираются, очевидно, с вероятностями 1-p и 1-q.

Опишем порознь множество приемлемых ситуаций, для каждого из игроков и изобразим эти множества на единичном квадрате p, q, где p[0,1] и q[0,1].

Начнем с описания ситуаций, приемлемых в игре для игрока 1.

Приемлемость ситуации (X,Y) для игрока 1 в биматричной игре означает, что

; (5.6)

, (5.7)

где А₁ и А₂ - вектор строки, соответствующие первой и второй строке матрицы А, соответственно.

Подчеркнем, что эти условия приемлемости никак не связаны с матрицей В выигрышей игрока 2. Поэтому они будут совпадать с аналогичными условиями матричной игры с платежной матрицей А.

Приемлемость ситуации (X,Y) для игрока 2 означает, что

(5.8)

(5.9)

где В₁ и В₂ - вектор-столбцы, соответствующие первому и второму столбцу матрицы В, соответственно.

В общем случае, Х=Ip, 1 - pI. Рассмотрим три случая:

а) р = 1, (Х=|1,0|). Тогда выражение (5.6) превращается в тождественное равенство, а условием приемлемости данной ситуации для игрока 1 оказывается неравенство (5.7). Для рассматриваемого случая его можно записать как

; (5.10)

б) р = 0 (Х=|1,0|). В этом случае выражение (5.7) превращается в тождественное равенство, а условием приемлемости данной ситуации для игрока 2 оказывается неравенство (5.6). Для рассматриваемого случая оно имеет вид

; (5.11)

в) 0 р 1 (Х=Ip, 1 - pI). В этом случае оба неравенства (5.6) и (5.7) превращаются в равенство, и условием приемлемости становится

. (5.12)

Опишем ситуации приемлемости (5.10), (5.11) и (5.12) в развернутом виде. Так как

то соотношения (5.10), (5.11) и (5.12) можно соответственно записать как

(5.14)

(5.15)

(5.16)

Таким образом, приемлемые для игрока 1 ситуации (X,Y) могут быть одного из трех типов:

(5.17)

(5.18)

(5.19)

Неравенства (5.17) и (5.18) верны в случае, если а₁₁ + а₂₂ - а₁₂ - а₂₁ > 0. Если а₁₁ + а₂₂ - а₁₂ - а₂₁ < 0, то знак неравенства в соотношениях (5.17) и (5.18) необходимо поменять на противоположный.

Если величина а₁₁ + а₂₂ - а₁₂ - а₂₁ = 0, а а₂₂ - а₁₂ 0, то (5.19) не имеет место, поэтому будет выполняться или (5.17) и (5.18), и притом со знаком строгого неравенства.

Если же а₁₁ + а₂₂ - а₁₂ - а₂₁ = 0 и а₂₂ - а₁₂ = 0, то все условия (5.17), (5.18) и (5.19) выполняются тождественно, и приемлемыми для игрока 1 будут вообще все ситуации.

Описание ситуаций приемлемости в развернутом виде для игрока 2 получаем аналогично из неравенств (5.8) и (5.9).

В общем случае Y=|q, 1-q|. Для трех случая получаем:

а) q=1 (Y=|1,0|). В этом случае приемлемость ситуации (X,Y) равносильна неравенству

(5.20)

или в развернутом виде

|p, 1-p|

. (5.21)

б) q=0 (Y=|0,1|). В этом случае приемлемость ситуации (X,Y) определяется неравенством

(5.22)

или в развернутом виде

. (5.23)

в) 0q1 (Y = |q,1-q|).

Условие приемлемости

(5.24)

в развернутом виде

. (5.25)

Таким образом, приемлемые для игрока 2 ситуации (X,Y) могут быть одного из трех типов:

(5.26)

(5.27)

(5.28)

Вновь подчеркнем, что неравенства (5.26) и (5.27) справедливы, если их знаменатель больше нуля. Если в₁₁ + в₂₂ - в₁₂ - в₂₁ < 0, то знак неравенства в выражениях (5.26) и (5.27) необходимо поменять на противоположный.

Для определения ситуаций, приемлемых одновременно как для первого, так и для второго игроков, удобно все найденные приемлемые ситуации представить на единичном квадрате (рис. 5.3).

Рис. 5.3

Для случаев, когда а₁₁ + а₂₂ - а₁₂ - а₂₁ 0 и b₁₁ + b₂₂ - b₁₂ - b₂₁ 0 приемлемые ситуации игроков 1 и 2 составляют трехзвенные зигзаги. Причем, ситуации равновесия во вполне смешанных стратегиях игрока 2 совпадают с поведением игрока 2 в матричной игре с матрицей выигрыша А, а поведение игрока 1 - с поведением игрока 1 в матричной игре с матрицей выигрышей В.

Таким образом, описанное равновесное поведение игроков оказывается ориентированным не столько на максимализацию собственного выигрыша, сколько на минимизацию выигрыша противника. Так, “антагонизм поведения” может возникнуть и при отсутствии “антагонизма интересов”.

В приведенном на рис. 5.3 решении игры три ситуации равновесия, соответствуют точкам R₁, R₂, R₃.

Если бы зигзаги приемлемых ситуаций были одинаковой ориентации, как показано на рис. 5.4, то пересечение приемлемых ситуаций игрока 1 и игрока 2 состояло бы из одной точки R.

Рис. 5.4

При решении биматричных игр большей размерности необходимо решать большую систему линейных неравенств, определяемых выражениями (5.6), (5.7) и (5.8), (5.9), а затем таким же конечно-рациональным путем находить точки пересечения приемлемых ситуаций игрока 1 и игрока 2. Причем, любая конечная бескоалиционная игра имеет конечное и нечетное чисто ситуаций равновесия (решений игры). Поиск ситуаций равновесия в этом случае следует осуществлять с применением ПЭВМ.

5.5 Пример решения биматричной игры

Формулировка игры “Борьба за рынки”

Небольшая фирма (игрок 1) намерена сбыть крупную партию товара на одном из двух рынков, контролируемых другой, более крупной фирмой (игрок 2). Для этого оно может предпринять на одном из рынков соответствующие действия (например, развернуть рекламную кампанию). Господствующий на рынках игрок 2 может попытаться воспрепятствовать этому, предприняв на одном из двух рынков предупредительные меры. Игрок 1, не встретивший на рынке препятствий, захватывает его; встретившись с сопротивлением - терпит поражение. Выборы фирмами рынков являются их чистыми стратегиями.

Пусть проникновение игрока 1 на первый рынок более выгодно для него, чем проникновение на второй, но борьба за первый рынок требует больших средств. Например, победа игрока 1 на первом рынке принесет ему вдвое больший выигрыш, чем на втором, но зато поражение на первом рынке полностью его разоряет (проигрыш равен 10), а игрока 2 избавляет от конкурента (выигрыш равен 5).

Описанная биматричная игра может быть задана матрицами выигрышей

Решение игры. В соответствии с выражениями (5.6) и (5.7) приемлемыми ситуациями для игрока 1 будут те, которые удовлетворяют условиям

Рассмотрим три случая:

а) р=1 (X=|1, 0|). В соответствии с выражением (5.10) имеем

Откуда .

б) р = 0 (X=|0, 1|). В соответствии с выражением (5.11) имеем

или .

в) 0 р1 (X=|р, 1 - р|). В соответствии с выражением (5.12) или в развернутом виде (5.19) получаем

Приемлемые ситуации для игрока 2 в соответствии с выражениями (5.26), (5.27) и (5.27) следующие:

а)

б)

в)

Множества всех приемлемых ситуаций игрока 1 и игрока 2 изображены на рис. 5.5 (для игрока 2 соответствующее множество показано пунктиром).

Рис. 5.5

Зигзаги приемлемых ситуаций пересекаются в единственной точке , которая и оказывается единственной ситуацией равновесия. Эта ситуация равновесия является ситуацией равновесия в смешанных стратегиях. Таким образом, оптимальными стратегиями по Нэшу являются и . При этом цена игры для игрока 1

.

Цена игры для игрока 2

.

5.6 Метастратегии и метарасширения

Смешанные стратегии определяются как случайные величины, реализующиеся в виде чистых стратегий. Дальнейшее расширение понятия стратегии сводится к пониманию новых, обобщенных стратегий, как функции, в которой исходные стратегии принимаются константами. В качестве аргументов, от которых целесообразно рассматривать функции - стратегии, можно брать стратегии других игроков.

Далее мы ограничимся случаем, когда каждый раз рассматривается функция от стратегии только одного игрока.

Определение 9. В бескоалиционной игре всякая функция F_kij : X_k X_j (которая исходя из стратегии X_k игрока k определяет стратегию X_j игрока j называется метастратегией игрока j (в ответ на стратегию игрока k).

Содержательно всякую метастратегию F_kij можно понимать как способ выбора игроком j некоторой своей стратегии в зависимости от получаемой им информации о стратегии, выбираемой игроком k. Если рассматривать ситуацию в бескоалиционной игре как некоторое соглашение, некоторый договор между игроками, а общую стратегию - как принимаемое на себя в договоре обязательство, то метастратегию можно понимать как своего рода условное обязательство: “в случае если игрок k поступит так-то, я, игрок і, выбираю такую-то свою стратегию, а если этак-то, то такую-то”. Очевидно, множество всех метастратегий і в ответ на стратегию k можно изобразить в степени множеств . Определение 10. Бескоалиционные игры G, с тем же множеством игроков N, что и игра называется метаигрой над игрой (метарасширением игры Г), если для некоторых j, kN

и для любой метастратегии y_iY_i и любого игрока іI

,

где x_k - стратегия игрока k, входящая в ситуацию , Н - функция выигрышей в игре Г.

Очевидно, процесс образования метаигр (метарасширений игр) поддается неограниченному интегрированию: от метаигры можно переходить к ее метаигре (называемой второй метаигрой), от нее к третьей метаигре и т.д. В этом отношении метарасширения игр отличаются большим разнообразием, чем смешанные расширения.