Úvod do teorie her. 6. Koaliční hry

Podobné dokumenty
Úvod do teorie her

Teorie her pro FJFI ČVUT řešené úlohy

Matematika 2 pro PEF PaE

1 Báze a dimenze vektorového prostoru 1

KOOPERATIVNI HRY DVOU HRA CˇU

MATICE. a 11 a 12 a 1n a 21 a 22 a 2n A = = [a ij]

Teorie her a ekonomické rozhodování 6. Kooperativní hry více hráčů

Primitivní funkce a Riemann uv integrál Lineární algebra Taylor uv polynom Extrémy funkcí více prom ˇenných Matematika III Matematika III Program

Základní pojmy teorie množin Vektorové prostory

Vektorové podprostory, lineární nezávislost, báze, dimenze a souřadnice

Greenova funkce pro dvoubodové okrajové úlohy pro obyčejné diferenciální rovnice

Úvod do teorie her

Vektory a matice. Obsah. Aplikovaná matematika I. Carl Friedrich Gauss. Základní pojmy a operace

6 Lineární geometrie. 6.1 Lineární variety

H {{u, v} : u,v U u v }

Pro každé formule α, β, γ, δ platí: Pro každé formule α, β, γ platí: Poznámka: Platí právě tehdy, když je tautologie.

V: Pro nulový prvek o lineárního prostoru L platí vlastnosti:

DEFINICE Z LINEÁRNÍ ALGEBRY

Lineární algebra : Lineární prostor

7 Konvexní množiny. min c T x. při splnění tzv. podmínek přípustnosti, tj. x = vyhovuje podmínkám: A x = b a x i 0 pro každé i n.

Interpolace, ortogonální polynomy, Gaussova kvadratura

Teorie her a ekonomické rozhodování. 8. Vyjednávací hry

Odpřednesenou látku naleznete v kapitole 3.1 skript Abstraktní a konkrétní lineární algebra.

Stručný úvod do teorie her. Michal Bulant

Kapitola 1. Úvod. 1.1 Značení. 1.2 Výroky - opakování. N... přirozená čísla (1, 2, 3,...). Q... racionální čísla ( p, kde p Z a q N) R...

7. Důležité pojmy ve vektorových prostorech

PŘEDNÁŠKA 2 POSLOUPNOSTI

9. Vícerozměrná integrace

Necht tedy máme přirozená čísla n, k pod pojmem systém lineárních rovnic rozumíme rovnice ve tvaru

Dnešní látka Variačně formulované okrajové úlohy zúplnění prostoru funkcí. Lineární zobrazení.

TOPOLOGIE A TEORIE KATEGORIÍ (2017/2018) 4. PREDNÁŠKA - SOUČIN PROSTORŮ A TICHONOVOVA VĚTA.

Katedra aplikované matematiky FEI VŠB Technická univerzita Ostrava luk76/la1

Báze konečněrozměrných vektorových prostorů, lineární zobrazení vektorových prostorů

3. ANTAGONISTICKÉ HRY

terminologie předchozí kapitoly: (ϕ, Ω) - plocha, S - geometrický obraz plochy

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Skalární součin. študenti MFF 15. augusta 2008

Analýza jádra kooperativních her

Necht L je lineární prostor nad R. Operaci : L L R nazýváme

Matematika (CŽV Kadaň) aneb Úvod do lineární algebry Matice a soustavy rovnic

KOOPERATIVNÍ HRY FORMULACE, KONCEPCE ŘEŠENÍ, JÁDRO HRY, HRA VE TVARU CHARAKTERISTICKÉ FUNKCE, SHAPLEYOVA HODNOTA CO JE TO TEORIE HER A ČÍM SE ZABÝVÁ?

NMAI059 Pravděpodobnost a statistika

Matematika I 12a Euklidovská geometrie

Hypergrafové removal lemma a Szemérediho

x 2 = a 2 + tv 2 tedy (a 1, a 2 ) T + [(v 1, v 2 )] T A + V Příklad. U = R n neprázdná množina řešení soustavy Ax = b.

Lineární prostory. - vektorové veličiny(síla, rychlost, zrychlení,...), skládání, násobení reálným číslem

1 Soustavy lineárních rovnic

V předchozí kapitole jsme podstatným způsobem rozšířili naši představu o tom, co je to číslo. Nadále jsou pro nás důležité především vlastnosti

0.1 Úvod do lineární algebry

Báze a dimenze vektorových prostorů

ANTAGONISTICKE HRY 172

1 Vektorové prostory.

K oddílu VI.1 obecné slabé topologie Příklad 1. Necht X = C([0, 1]) s topologií bodové konvergence na [0, 1]. Popište všechny

PROSTORY SE SKALÁRNÍM SOUČINEM. Definice Nechť L je lineární vektorový prostor nad R. Zobrazení L L R splňující vlastnosti

Formální systém výrokové logiky

Numerická stabilita algoritmů

1 Topologie roviny a prostoru

Stromové rozklady. Definice 1. Stromový rozklad grafu G je dvojice (T, β) taková, že T je strom,

Matice. Je dána matice A R m,n, pak máme zobrazení A : R n R m.

7. Lineární vektorové prostory

Lineární algebra Kapitola 1 - Základní matematické pojmy

Úlohy nejmenších čtverců

Teorie množin. pro fajnšmekry - TeMno. Lenka Macálková BR Solutions Orličky. Lenka (Brkos 2010) TeMno

Fakt. Každou soustavu n lineárních ODR řádů n i lze eliminací převést ekvivalentně na jednu lineární ODR

Lineární programování

Definice. Vektorový prostor V nad tělesem T je množina s operacemi + : V V V, tj. u, v V : u + v V : T V V, tj. ( u V )( a T ) : a u V které splňují

Matematicko-fyzikální fakulta Univerzity Karlovy

8 Matice a determinanty

Pavel Horák, Josef Janyška LINEÁRNÍ ALGEBRA UČEBNÍ TEXT

Úvod do informatiky. Miroslav Kolařík

Modely Herbrandovské interpretace

LDF MENDELU. Simona Fišnarová (MENDELU) LDR druhého řádu VMAT, IMT 1 / 22

Dnešní látka: Literatura: Kapitoly 3 a 4 ze skript Karel Rektorys: Matematika 43, ČVUT, Praha, Text přednášky na webové stránce přednášejícího.

Matematika B101MA1, B101MA2

Lineární algebra : Báze a dimenze

1 Determinanty a inverzní matice

15 Maticový a vektorový počet II

Predik atov a logika - pˇredn aˇska () Predik atov a logika - pˇredn aˇska / 16

Texty k přednáškám z MMAN3: 3. Metrické prostory

Pavel Horák LINEÁRNÍ ALGEBRA A GEOMETRIE 1 UČEBNÍ TEXT

Matematická logika. Miroslav Kolařík

10 Přednáška ze

9. Vícerozměrná integrace

Matematická analýza 1

Kapitola 11: Vektory a matice:

Pravděpodobnost a statistika

ALGEBRA. Téma 4: Grupy, okruhy a pole

α β ) právě tehdy, když pro jednotlivé hodnoty platí β1 αn βn. Danou relaci nazýváme relace

8.3). S ohledem na jednoduchost a názornost je výhodné seznámit se s touto Základní pojmy a vztahy. Definice

3 Lineární kombinace vektorů. Lineární závislost a nezávislost

TOPOLOGIE A TEORIE KATEGORIÍ (2017/2018) 3. PREDNÁŠKA - KOMPAKTNÍ PROSTORY.

12. Křivkové integrály

10 Funkce více proměnných

Základy teorie množin

0.1 Úvod do lineární algebry

Definice 7.1 Nechť je dán pravděpodobnostní prostor (Ω, A, P). Zobrazení. nebo ekvivalentně

Každé formuli výrokového počtu přiřadíme hodnotu 0, půjde-li o formuli nepravdivou, a hodnotu 1, půjde-li. α neplatí. β je nutná podmínka pro α

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Základy lineárního programování. študenti MFF 15. augusta 2008

19 Hilbertovy prostory

Organizace. Zápočet: test týden semestru (pátek) bodů souhrnný test (1 pokus) Zkouška: písemná část ( 50 bodů), ústní část

Báze a dimense. Odpřednesenou látku naleznete v kapitolách a 3.6 skript Abstraktní a konkrétní lineární algebra.

Transkript:

Úvod do teorie her 6. Koaliční hry Tomáš Kroupa http://staff.utia.cas.cz/kroupa/ 2018 ÚTIA AV ČR

Různé formy her Známé formy her jsou: rozvinutá, strategická, koaliční. Pro danou množinu hráčů N = {1,..., n} nazýváme libovolnou podmnožinu A N koalicí. Koaliční hry předpoklady Hráči mohou uzavírat závazné dohody, tedy vytvářet koalice. Koaliční dohody se týkají koordinace strategíı za účelem dosažení společného užitku a jeho alokace mezi hráče. Strategické aspekty ani rovnovážná řešení nejsou pro koaliční hry podstatné, nebot jsou součástí dohody mezi hráči. 1

Jaké situace modelují koaliční hry? Na trhu vznikne koalice interakcí prodávajícího s kupujícími. Při volbě je koalice množina voličů hlasujících pro návrh. Investoři sít ového projektu řeší problém, jak sdílet společné náklady. Teorii koaličních her lze použít např. k analýze stability vzniklé koalice nebo hlasovací síly účastníků volebního systému. 2

Definice koaliční hry Definice Necht N := {1,..., n}, n N, je množina hráčů a 2 N := {A A N}. Koaliční hra je dvojice (N, v), kde v je funkce splňující podmínku v( ) = 0. v : 2 N R Číslo v(a) lze interpretovat jako užitek anebo náklad spojený s tvorbou koalice. Koaliční hru často ztotožníme s koaliční funkcí v. Množina Γ všech koaličních funkcí na 2 N je lineární prostor, jehož dimenze je 2 n 1. 3

Vlastnosti koaličních her Definice Necht v Γ. Říkáme, že v je monotónní pokud v(a) v(b) pro A B, superaditivní pokud v(a B) v(a) + v(b) pro A B =, supermodulární pokud v(a B) + v(a B) v(a) + v(b), aditivní pokud v(a B) = v(a) + v(b) pro A B =. Aditivní hra je triviální, nebot užitek koalice A je v(a) = v({i}). Supermodulární (také: konvexní) hry mají příhodné matematické vlastnosti, nevyskytují se však ve všech praktických problémech. i A 4

Koaliční hry příklady Koňský trh Cyril vlastní koně, kterého chce prodat. Alice i Bob mají zájem koně koupit. Alice nabízí 90 a Bob 100. N = {1, 2, 3} v({1, 2}) = 90, v({1, 3}) = v(n) = 100, v({i}) = v({2, 3}) = 0, i = 1, 2, 3. v je monotónní a superaditivní, ale není supermodulární. RB OSN Rada bezpečnosti OSN má 5 stálých členů a 10 nestálých. Usnesení je schváleno, pokud pro něj hlasují všichni stáĺı členové a alespoň 4 nestáĺı. N = {1,..., 5, 6,..., 15} v(a) = 1 pokud A {1,..., 5} a A 9, v(a) = 0 jinak. 5

Koaliční hry otázky 1. Jaké koalice ve hře vzniknou a jak si hráči mezi sebe rozděĺı užitek docílený jejich kooperací? 2. Jaké rozdělení užitku by hráčům připsal nezávislý posuzovatel? Možné odpovědi 1. Určit výslednou formaci koalic bývá velmi obtížné, ne-li nemožné. Většinou předpokládáme, že vznikne velká koalice N, tedy všichni hráči koordinují své akce a rozděĺı si užitek v(n). 2. Rozdělení užitků podle různých axiomů. 6

Řešení koaličních her jak se hráči poděĺı o koaliční užitek? Necht v Γ. Podílový vektor je vektor x = (x 1,..., x n ) R n. Definujme x(a) := i A x i, A N. Řekneme, že x R n je dosažitelný, pokud x(n) v(n). Definice Necht Ω Γ je množina koaličních her. Řešení pro množinu her Ω je multifunkce σ : v Ω σ(v) R n, kde každý x σ(v) je dosažitelný. Jaké řešení σ zvolit pro danou třídu her Ω? 7

Řešení koaličních her různé koncepty Různá řešení vystihují zvolené aspekty ekonomické racionality a férovosti, mohou být jedno- či víceznačná: jádro Shapleyho hodnota Shapley-Shubikův index Banzhafův index 8

Jádro Necht v Γ. Podílový vektor x = (x 1,..., x n ) R n je Paretovsky efektivní, pokud x(n) = v(n), koaličně racionální, pokud x(a) v(a), pro každé A N. Definice Jádro hry v je množina Paretovsky efektivních a koaličně racionálních podílových vektorů: C(v) = {x R n x(n) = v(n), x(a) v(a), A N}. Jádro hry je konvexní polytop dimenze nejvýše n 1. 9

Jádro příklad Koňský trh Cyril vlastní koně, kterého chce prodat. Alice i Bob mají zájem koně koupit. Alice nabízí 90 a Bob 100. N = {1, 2, 3} v({1, 2}) = 90, v({1, 3}) = v(n) = 100 v({i}) = v({2, 3}) = 0, i = 1, 2, 3 Zřejmě x C(v) právě tehdy, když x i 0, i = 1, 2, 3 x 1 + x 2 90 x 1 + x 3 100 x 1 + x 2 + x 3 = 100 a proto C(v) = {(t, 0, 100 t) R 3 90 t 100}. 10

Jádro jiný příklad Rukavice Alice má levou rukavici. Bob a Cyril mají každý po jedné pravé rukavici. Užitek koalice je určen počtem párů rukavic, které dá dohromady. N = {1, 2, 3} { 1 A = {{1, 2}, {1, 3}, N}, v(a) = 0 jinak. Hra v je monotónní a superaditivní, ale není supermodulární. Platí C(v) = {(1, 0, 0)}. 11

Hry s prázdným jádrem Většinové hlasování Tři hráči hlasují většinovým systémem. Tedy N = {1, 2, 3} a koaliční hra je { 1 A 2, v(a) = přičemž C(v) =. 0 jinak, K analýze volebních her se hodí jiná řešení. Příklad (S. Zamir) M = N {4} a koaliční hra (M, u) je definována jako v(a) A N, u(a) = 0 A M, přičemž C(v) = {( 1 2, 1 2, 1 2, 0)}. 3 2 A = M, 12

Vlastnosti supermodulárních her Bud Π množina všech permutací π na množině hráčů N, přičemž číslo i N vyjadřuje pořadí hráče π(i). Definice Pro π Π definujeme maximální řetězec {A π 0, Aπ 1,..., Aπ n } jako A π 0 :=, A π i := {π(1),..., π(i)}, i N. Marginální vektor pro hru v a permutaci π je vektor x v,π R n, kde x v,π π(i) := v(aπ i ) v(a π i 1), i N. Platí x v,π (A π i ) = i j=1 x v,π π(j) = v(aπ i ). 13

Jádro supermodulárních her Věta Necht v Γ. Tato tvrzení jsou ekvivalentní. 1. v je supermodulární. 2. x v,π C(v) pro každé π Π. 3. C(v) = conv {x v,π π Π}. 0 A = 1, v(a) = 1 A = 2, 3 A = 3. (2, 0, 1) (1, 0, 2) (0, 1, 2) (0, 2, 1) (2, 1, 0) (1, 2, 0) 14

Jádro shrnutí Jádro C(v) indikuje schopnost hráčů spolupracovat. Pokud C(v) =, hráči nejsou schopni nalézt rozdělení užitku, které by bylo akceptovatelné všemi koalicemi. Pokud C(v), podílové vektory x C(v) lze interpretovat jako stabilní rozdělení užitku. Co dělat, když je jádro prázdné anebo naopak příliš velké? Jak ohodnotí nezávislý arbitr sílu hráčů? 15

Hodnota koaliční hry Hledáme jednoznačné řešení Γ R n, které každou koaliční hru v Γ ohodnotí právě jedním podílovým vektorem x R n. Definice Hodnota je zobrazení ϕ = (ϕ 1,..., ϕ n ): Γ R n takové, že vektor ϕ(v) = (ϕ i (v)) i N je dosažitelný pro všechna v Γ. Hodnota hráče i N je číslo ϕ i (v). ϕ je zobrazení mezi dvěma lineárními prostory konečné dimenze. Obvykle se snažíme vymezit hodnotu ϕ pomocí axiomů. 16

Různé axiomy hodnoty Definice Říkáme, že hodnota ϕ je Paretovsky efektivní, pokud pro každou hru v je ϕ i (v) = v(n), i N je aditivní, pokud ϕ(u + v) = ϕ(u) + ϕ(v), pro u, v Γ, je symetrická, platí-li pro každou hru v ϕ i (v) = ϕ j (v), kdykoliv hráči i, j N splňují v(a {i}) = v(a {j}), pro každou koalici A neobsahující {i, j}, splňuje vlastnost nulového hráče, platí-li pro každou hru ϕ i (v) = 0, kdykoliv i N splňuje v(a {i}) = v(a), pro všechny koalice A. 17

Shapleyho hodnota Věta (Shapley, 1953) Existuje právě jedna hodnota ϕ S : Γ R n, která je Paretovsky efektivní, aditivní, symetrická a splňuje vlastnost nulového hráče. Platí ϕ S i (v) = A N\{i} A!(n A 1)! n! (v(a {i}) v(a)), i N. Je snadné ukázat, že ϕ S je lineární zobrazení, které vyhoví uvedeným axiomům. Protože platí ϕ S i (v) = 1 n! (v(aπ π 1 (i) ) v(aπ π 1 (i) 1 )), π Π }{{} x v,π i číslo ϕ S i (v) je střední hodnota marginálního podílu hráče, pokud jsou všechna pořadí hráčů π stejně pravděpodobná. 18

K důkazu jednoznačnosti Shapleyho hodnoty Pro každou neprázdnou koalici A definujme koaliční hru { 1 A B, u A (B) = 0 A B. Lemma 1 Množina {u A A N} je báze v lineárním prostoru Γ. Lemma 2 Pokud je hodnota ϕ Paretovsky efektivní, symetrická a má vlastnost nulového hráče, pak pro každé α R a každou koalici A platí α A i A, ϕ i (α u A ) = 0 i / A. 19

Příklady Shapleyho hodnoty Jednoduchá většinová hra Mějme koaliční hru v(a) = { 1 A > n 2, 0 jinak, A N. Paretovská efektivita a symetrie dává ϕ S i (v) = 1 n pro každé i N. Koňský trh Cyril vlastní koně, kterého chce prodat. Alice i Bob mají zájem koně koupit. Alice nabízí 90 a Bob 100. v({1, 2}) = 90, v({1, 3}) = v(n) = 100 v({i}) = v({2, 3}) = 0, i = 1, 2, 3 Snadno spočteme ϕ S (v) = 1 6 (390, 90, 120). 20

Shapley Shubikův index Hra v : 2 N {0, 1} je jednoduchá, pokud je monotónní a v(n) = 1. Pro každou jednoduchou hru v je Shapleyho hodnota tvaru ϕ S i (v) = A N v(a)=0 v(a {i})=1 A!(n A 1)!, i N. n! RB OSN N = {1,..., 15}, hráči 1,..., 5 stáĺı členové v(a) = 1 pokud A {1,..., 5} a A 9, v(a) = 0 jinak. Pro 6 i 15 dostaneme ϕ S i (v) = ( ) 9 3 8! 6! 15! 0.0019. Indexy pro 1 j 5 dopočítáme: ϕ S j (v) = 1 5 (1 10ϕS i (v)) 0.1963. 21

Banzhafův index Shapley Shubikův index hráče i je váženým průměrem počtu β i (v) koalic A, pro něž je hráč i pivotem, β i (v) := {A N v(a {i}) v(a) = 1}. Váhy A!(n A 1)! n! jsou ovšem závislé na velikosti koalic A. Uvažujme nyní všechny váhy takových koalic stejné. Definice Necht v je jednoduchá hra. Normalizovaný Banzhafův index hráče i N je ϕ B β i (v) i (v) = i N β i(v). 22

Banzhafův index vlastnosti Banzhafův index je symetrický a má vlastnost nulového hráče. Lze ho jednoznačně charakterizovat pomocí dalších axiomů. Normalizační konstanta není podstatná. Často se uvažuje normalizovaný Banzhafův index ve tvaru β i (v) 2. n 1 Shapley Shubikův index i posledně uvedený normalizovaný Banzhafův index lze chápat jako střední hodnotu koaliční síly hráče i, P(A) (v(a {i}) v(a)), A N\{i} kde P(A) = A!(n A 1)! n! (Shapley) nebo P(A) = 2 1 n (Banzhaf). 23

Příklad RB OSN Starý (S) a nový (N) systém hlasování s 5 stálými členy (veto) S 11 členů, návrh schválen alespoň 7 hlasujícími N 15 členů, návrh schválen alespoň 9 hlasujícími Shapley Shubikovy indexy pro starý a nový systém: S ϕ S 1 (v) = 0.1974, ϕs 6 (v) = 0.0022 poměr 90 : 1 N ϕ S 1 (v) = 0.1963, ϕs 6 (v) = 0.0019 poměr 100 : 1 Banzhafovy indexy pro starý a nový systém: S ϕ B 19 1 (v) = 105, ϕb 6 (v) = 1 63 poměr 11 : 1 N ϕ B 106 1 (v) = 635, ϕb 21 6 (v) = 1270 poměr 10 : 1 24