Б. Кооперативные игры

Напомним еще раз, что кооперативной игрой называется игра с ненулевой суммой, в которой игрокам разрешается перед игрой обсуждать свои стратегии и договариваться о совместных действиях. Основная цель в этой игре – дележ общего выигрыша между членами коалиции.

Рассмотрим сначала кооперативную игру двух лиц на примере.

Пример 2. Пусть дана матрица кооперативной игры

.

Отметим на координатной плоскости (рис.1) точки,, соответствующие каждому элементу матрицы C (их 4).

Рис.1

Отмечаем также точку Т = (T ₁, T ₂) – точку угрозы, где T ₁, T ₂ – выигрыши игроков без вступления в коалицию. В нашем примере Т = (1, 1).

Северо-восточная граница области называется Парето-оптимальным множеством. Та часть Парето-оптимального множества, которая находится выше и правее точки угрозы называется переговорным множеством. В данном случае Парето-оптимальное множество совпадает с переговорным множеством (АВ). Вообще говоря, при решении кооперативной игры достаточно ограничиться нахождением переговорного множества. Однако здесь мы также можем указать точку равновесия по Нэшу. Для этого обозначим

ƒ(L ₁, L ₂) = (L ₁ - T ₁)(L ₂ – T ₂) (*).

Точка равновесия по Нэшу удовлетворяет условию:

.

Найдем наибольшее значение функции на АВ. Из уравнения прямой АВ - L ₁ + L ₂ = 5 выразим L ₂ = 5 – L ₁ и подставим в (*):

f (L ₁) = (L₁ – 1)(5 – L₁ – 1) = , и найдем наибольшее значение функции одной переменной на отрезке:

. Отсюда, = 2,5; = 2,5.

Это те значения, которые максимизируют функцию ƒ(L ₁, L ₂) в переговорном множестве. На рис.1 точка N = (2,5; 2,5) – точка равновесия по Нэшу.

Затронем теперь общие вопросы кооперативных игр.

Предположим, что имеется множество игроков N = {1, ¼, n }. Пусть K – некоторое подмножество N, состоящее из r £ n игроков. Тогда будет количеством возможных коалиций игроков, договаривающихся о совместных действиях.

Определение 1. Функция V, ставящая в соответствии каждой коалиции K наибольший выигрыш, называется характеристической функцией игры.

Определение 2. Характеристическая функция V(K) называется простой, если она принимает два значения: 0 и 1.

Определение 3. Если характеристическая функция V простая, то коалиции K, для которых V(K) = 1 называются выигрывающими, а коалиции K, для которых V(K) = 0 – проигрывающими.

Свойства характеристической функции.

1) персональность ( коалиция, не содержащая ни одного игрока, ничего не выигрывает).

V (Æ) = 0.

2) супераддитивность

V (K È L) ³ V (K) + V (L), K, L Ì N, K Ç L = Æ.

3) дополнительность

V (K) + V (N \ K) = V (N).

Обозначим через X_i выигрыш i -го игрока. И рассмотрим следующие два условия:

1) индивидуальная рациональность

X_i ³ V (i), i Î N.

2) коллективная рациональность

Определение 4. Вектор выигрышей X = (X₁, ¼, X_n), удовлетворяющий условиям 1 и 2, называется дележом в условиях характеристической функции V.

Определение 5. Множество {N, V}, удовлетворяющее условиям 1 и 2, называется классической кооперативной игрой.

Теорема 1. Для того, чтобы X = (X₁, ¼, X_n) был дележом в классической кооперативной игре, необходимо и достаточно, чтобы

Определение 6. Кооперативные игры называются существенными, если для любых коалиций K и L выполняется неравенство: V(K) +V(L) < V(KÈL).

Если выполняется неравенство V(K) + V(L) = V(KÈL), то такая игра называется несущественной.

Рассмотрим следующие свойства:

1) для того, чтобы характеристическая функция V была аддитивной (кооперативная игра несущественной), необходимо и достаточно выполнения следующего равенства:

2) в несущественной игре имеется только один дележ:

{ V (1), V (2), ¼, V (n)}.

3) в существенной игре более, чем одному игроку множество дележей бесконечно:

Определение 7. Пусть имеется два дележа

X = (X₁, ¼, X_n), Y = (Y₁, ¼, Y_n), {N, V}

и некоторая коалиция K.

Тогда дележ X доминирует Y по коалиции K, если выполняются два условия:

1) - эффективность доминирующего дележа,

2) X_i > Y_i, iÎ K – свойство предпочтительности.

Соотношение доминирования возможно не по всякой коалиции. Например, невозможно доминирование по коалиции, состоящей из одного игрока или из всех игроков.

В любой несущественной игре имеется только один дележ, поэтому здесь доминирования нет.

Поскольку вариантов дележа много, необходимо выделить дележи, которые не доминируются никакими другими дележами. Такие дележи называются вполне устойчивыми, а множество таких дележей называется С-ядром.

Теорема 2. Для того, чтобы дележ X принадлежал С-ядру игры {N, V}, необходимо и достаточно, чтобы для любой коалиции K выполнялось неравенство

Замечания:

1) в несущественной игре С -ядро существует и состоит из единственного дележа этой игры;

2) во всякой существенной игре с постоянной суммой С -ядро пусто.

Классики теории игр Дж.фон Нейман и О.Моргенштерн предложили следующее решение кооперативной игры.

Определение 8. Решением по Нейману-Моргенштерну кооперативной игры R называется множество дележей, удовлетворяющее условиям:

1) внутренняя устойчивость (дележи из решения нельзя противопоставить друг другу);

2) внешняя устойчивость (имеется возможность каждому отклонению от решения противопоставить некоторый дележ, принадлежащий решению).

Теорема 3. Если в кооперативной игре существует С-ядро С и решение R, то С < R.

Решение по Нейману-Моргенштерну обладает следующим свойством: решение кооперативной игры не может состоять только из одного дележа, так как в этом случае характеристическая функция игры – несущественная.

Решение по Нейману-Моргенштерну имеет ряд недостатков, которые сводятся к следующему: принцип оптимальности, приводящий к решению по Нейману, не является полным. Это означает, что он не в состоянии указать игрокам единственную систему норм распределения дележа.

Еще одним подходом к поиску решения кооперативной игры является подход Шепли, основанный на аксиомах, отражающих справедливость дележей игры.

Определение 9. Носителем игры {N, V} с характеристической функцией V называется такая коалиция T, что для любой другой коалиции S выполняется следующее равенство:

V(S) = V(S Ç T).

Т.е. любой игрок, не принадлежащий коалиции T, является нейтральным. Он не может ничего внести в коалицию и ему ничего не следует выделять из общих средств.

Предположим, что П - любая перестановка игроков множества N. Через ПV = U обозначим характеристическую функцию такой игры, что для коалиции S = { i ₁, ¼, i_S } имеет место следующее:

U (П (i ₁), ¼, П (i_S)) = V (S).

Аксиомы Шепли.

1) Эффективность.

Если S – любой носитель игры { N, V }, то

При разделении общего выигрыша носителя игры ничего не выделять на долю посторонних.

2) Симметрия.

Для любой перестановки П и iÎ N, выполняется следующее:

.

Игроки, одинаково входящие в игру, должны получать одинаковые выигрыши.

3) Агрегация.

Если есть две игры с характеристическими функциями V^/ и V^//, то

При участии игроков в двух играх, их выигрыши в отдельных играх должны складываться.

Определение 10. Вектором цен (вектором Шепли) игры {N, V} с характеристической функцией V называется n-мерный вектор удовлетворяющий аксиомам Шепли.

Терема 4. (Шепли) Существует единственная функция j, определенная для всех игр, и удовлетворяющая аксиомам Шепли.

Определение 11. Характеристическая функция W_S(T), определенная для любой коалиции S называется простейшей, если

Пусть j_i (V) – компоненты вектора Шепли, t – число элементов множества T.

Тогда

Вектор Шепли интерпретируется следующим образом: предельная величина, которую вносит i -ый игрок в коалицию T, выражается V (T) – V (T \{ i }), и считается выигрышем i -го игрока. Если обозначим через g _i (T) вероятность того, что i -ый игрок вступит в коалицию, то выигрыш i -го игрока составит:

Суммирование ведется по всем выигрывающим коалициям T, при условии, что коалиция T \{ i } не является выигрывающей.

Пример. Рассмотрим корпорацию из четырех акционеров, имеющих акции в следущих количествах: а ₁=10; а ₂=20; а ₃=30; а ₄=40. Предположим, что любое решение утверждается акционерами, имеющими в сумме большинство акций, и это решение считается выигрышем, равным 1. Данную ситуацию можем рассмотреть как игру четырёх участников, в которой выигрывающими будут следующие коалиции:

.

Определим компоненты вектора Шепли. При нахождении учтем, что имеется только одна коалиция T ={1; 2; 3}, которая выигрывает, а коалиция T \{1} = {2; 3} не выигрывает. В этой коалиции имеется три игрока, т.е. t = 3, поэтому

Теперь определим все выигрывающие коалиции, но не выигрывающие без второго игрока. Таких коалиций три: {2; 4}, {1; 2; 3}, {2; 3; 4}. Поэтому .

Аналогично получаем, что . Таким образом, вектор Шепли выглядит так: .

Замечание. Если считать, что вес голоса акционера пропорционален количеству имеющихся у него акций, то получим вектор голосования (0,1; 0,2; 0,3; 0,4), который, как видно, отличается от вектора Шепли.

Задачи к § 14

14.1. Пусть студент предполагает сдать зачет преподавателю. Чтобы получить зачет студент должен правильно ответить хотя бы на два из трех предложенных вопросов. Сформулируйте задачу как игру с ненулевой суммой, найдите решение.

14.2. На просмотр фильма в кинотеатре школьникам выдали билеты. Количество билетов ограничено. На два класса администрация выделила 60 билетов, но впереди контрольная по математике, и администрация решила учесть результаты контрольной. Если один из классов пишет троек, то он получает 60 билетов. Если два класса не получают тройки, то каждый получит по 30 билетов. Если ни один из классов не пишет без тоек, то они получают по 15 билетов. Сформулируйте задачу как игру с ненулевой суммой, найдите решение.

14.3. Пяти предпринимателям предложили проинвестировать проект, стоимость которого составляет $1100. У предпринимателей имеются $200, $300, $500, $600 и $800, соответственно. Проект отдадут тем предпринимателям, у которых будет необходимая сумма для его финансирования. Найти вектор Шепли.

14.4. Инвесторы решают вопрос о направлении средств в те или иные отрасли страны N. После дискуссий основная масса инвесторов решила из множества вариантов вложений выбрать три наиболее привлекательных и обсудить их отдельно. Одновременно с этим обсуждением правительство на своем заседании рассматривает несколько альтернативных стратетий развития экономики на ближайшие несколько лет. Инвесторы стоят перед выбором между инвестициями в нефтедобывающую, лесоперерабатывающую, автомобилестроительную отрасли. В одно и то же время с их закрытым совещанием происходит закрытое заседание правительства, на котором оно должно сделать выбор между преимущественным развитием нефтедобычи, железных дорог, электроэнергетики или жилищного комплекса. Сформулируйте задачу как игру с ненулевой суммой, составлением матрицы игры.

14.5. У торговой фирмы есть две грузовые машины, которые возвращаются из разных городов. Фирме требуется срочно отправить груз в город N. Если водители приедут точно по графику или раньше, и отправяться в срочную командировку, то у каждого из них будет простой в два дня. Если оба водителя опоздают, то у них будет по одному дню простоя. Если один из них приедет вовремя или раньше и отправиться в город N, то у него не будет простоя, а у другого будет простой в пять дня. Сформулируйте задачу как игру с ненулевой суммой, найдите решение.