Zagadnienia

5. Gry o sumie zerowej

Dwuosobowe gry o sumie zerowej (ogólniej: o sumie stałej) byly–chronologicznie–pierwszym typem gier rozważanym przez natematyków, w szczególności w pracach J. von Neumanna w latach 20ych i 30ych XX wieku. Gry o sumie zerowej były podstawą opracowanej przez J. von Neumanna i O. Morgensterna matematycznej teorii gier [16].

5.1. Definicje

Definicja 5.1

GS jest grą o sumie stałej jeżeli

\exists c\in\Re:\ \forall a\in A\ \quad\sum _{{i=1}}^{n}u_{i}(a)=c.

Jeśli c=0 to GS nazywamy grą o zumie zerowej i oznaczamy GS0.

Gry dwuosobowe (n=2) o sumie zero nazywa się też grami ściśle konkurencyjnymi. Nazwa gry ściśle konkurencyjne wynika stąd że w takich grach interesy graczy są ”ściśle przeciwstawne”: aby uzyskać maksymalną wypłatę gracz dąży do tego by zminimalizować sumę wypłat przeciwników. W takich grach gracze mają przeciwne wypłaty:

u_{1}(a)=-u_{2}(a),a\in A.

Do takich gier można zaklasyfikować (pomijając remisy) gry towarzyskie (parlor games): szachy, GO, warcaby, klasyczne dwuosobowe gry karciane. ”Teoriogrowe” przykłady ściśle konkurencyjnych GS to: gra Kamień-Papier-Nożyczki, Orzeł-Reszka.

Skończone gry dwuosobowe o sumie zerowej nazywa się też grami macierzowymi.

Uwaga 5.1

Możemy sformułować równoważną definicję GS o sumie stałej używając strategii mieszanych: GS jest grą o sumie stałej jeżeli

\exists c\in\Re:\ \forall\sigma\in\Sigma\quad\sum _{{i=1}}^{n}u_{i}(\sigma)=c.

Równoważność wynika z liniowości funkcji wypłat względem poszczególnych argumentów profilu GS0.

Wszystkie poniższe definicje, o ile nie zostanie napisane inaczej, odnoszą sie do GS0.

Uwaga 5.2

Wypłaty w takich grach możeny zapisać w formie macierzowej:

u_{1}(\sigma)=u_{1}(\sigma _{1},\sigma _{2})=\sigma _{1}A\sigma _{2}^{T},\ \  u_{2}(\sigma)=-u_{1}(\sigma)\quad\forall\sigma\in\Sigma,

gdzie profil \sigma _{1} jest wektorem wierszowym, \sigma _{2}^{T} - wektorem kolumnowym.

Zdefiniujemy dwie liczby: v_{1}: maximin, oraz v_{2}: minimax.

Definicja 5.2
v_{1}:=max_{{\sigma _{1}\in\Sigma _{1}}}min_{{\sigma _{2}\in\Sigma _{2}}}u_{1}(\sigma _{1},\sigma _{2})
v_{2}:=min_{{\sigma _{2}\in\Sigma _{2}}}max_{{\sigma _{1}\in\Sigma _{1}}}u_{1}(\sigma _{1},\sigma _{2}).

v_{1},\  v_{2} nazywamy też odpowiednio dolną i górna wartością GS0.

Uwaga 5.3

Gdy zastąpimy w tej definicji \Sigma _{i} przez A_{i}, czyli weźmiemy pod uwagę tylko strategie czyste, to w celu obliczenia v_{1} bierzemy minimum z każdego wiersza macierzy wypłat gracza 1 i z tak uzyskanej kolumny znajdujemy maksimum.

Heurystycznie, maximin v_{1} jest maksymalną wypłatą gracza 1 gdy gracz 2 minimalizuje wypłaty u_{1} gracza 1. Dokładniej: dla każdego profilu \sigma _{1} gracz 1 znajduje profil \sigma _{2} który minimalizuje u_{1} a ”następnie” 1 swoimi profilami \sigma _{1} maksymalizuje u_{1}. Otrzymana wartość u_{1} to maximin; minimax v_{2} jest wynikiem procedury optymalizacyjnej gracza 2, który wpierw maksymalizuje u_{1} profilami \sigma _{1} przy ustalonym \sigma _{2}, a następnie minimalizuje u_{1} swoimi profilami \sigma _{2}.

Zauważmy że v_{1},v_{2} można zdefiniować dla dowolnych (niekoniecznie o sumie zero) dwuosobowych GS.

Definicja 5.3

Profil (\sigma _{1}^{*},\sigma _{2}^{*}) jest punktem siodłowym jeżeli

u_{1}(\sigma _{1},\sigma _{2}^{*})\le u_{1}(\sigma _{1}^{*},\sigma _{2}^{*})\le u_{1}(\sigma _{1}^{*},\sigma _{2})\ \ \forall\sigma _{i}\in\Sigma _{i},\  i=1,2.)

Wypłatę u_{1}(\sigma _{1}^{*},\sigma _{2}^{*}) nazwiemy wartością gry (w punkcie siodłowym, saddle point value of the game).

Uwaga 5.4

Ponieważ

-u_{1}(\sigma _{1}^{*},\sigma _{2}^{*})\ge-u_{1}(\sigma _{1}^{*},\sigma _{2}),

więc, z uwagi na u_{2}=-u_{1}, mamy

u_{2}(\sigma _{1}^{*},\sigma _{2}^{*})\ge u_{2}(\sigma _{1}^{*},\sigma _{2}),

a zatem punkt siodłowy GS0 jest RN GS0.

5.2. Własności. Podstawowe twierdzenia

Sformułujemy podstawowe twierdzenie dla rozważanych gier.

Twierdzenie 5.1 (”O minimaksie”, J. von Neumann, 1928)

Dla każdej 2-osobowej skończonej GS o sumie zerowej

1. Istnieje punkt siodłowy.

2. Istnieje v^{*}\in\Re taka że v_{1}=v_{2}=v^{*}, patrz Definicja 5.2.

3. Jeżeli (\sigma _{1}^{*},\sigma _{2}^{*}) jest punktem siodłowym to u_{1}(\sigma _{1}^{*},\sigma _{2}^{*})=v^{*}.

4. (\sigma _{1}^{*},\sigma _{2}^{*}) jest punktem siodłowym wtedy i tylko wtedy gdy

\sigma _{1}^{*}\in argmax_{{\sigma _{1}}}min_{{\sigma _{2}}}u_{1}(\sigma _{1},\sigma _{2})

oraz

\sigma _{2}^{*}\in argmin_{{\sigma _{2}}}max_{{\sigma _{1}}}u_{1}(\sigma _{1},\sigma _{2})

Punkt 1 jest szczególnym ptzypadkiem Twieredzenia Nasha.

Punkt 2. mówi że w dwuosobowych GS0 maximin i minimaks są sobie równe.

Punkt 3. mówi że v^{*} jest taka sama we wszystkich punktach siodłowych. W każdym punkcie siodłowym są jednocześnie spełnione najbardziej pesymistyczne przewidywania obu graczy. Gracz 1 otrzymuje wypłatę u_{1}(\sigma _{1}^{*},\sigma _{2})=v^{*}, gracz 2 otrzymuje wypłatę -u_{1}(\sigma _{1}^{*},\sigma _{2})=-v^{*}.

Punkt 4 mówi że w punkcie siodłowym gracz 1 gra strategią maximinową, gracz 2-i minimaksową.

1. Jest to szczególny przypadek twierdenia Nasha o istnieniu. Oryginalny dowód von Neumanna korzystał z innych technik matematycznych.

2. Wykażemy wpierw że v_{2}\ge v_{1}. Niech \sigma _{i}\in\Sigma _{i},i=1,2. Zachodzi

min_{{\sigma _{2}^{{{}^{{\prime}}}}\in\Sigma _{2}}}u_{1}(\sigma _{1},\sigma _{2}^{{{}^{{\prime}}}})\le u_{1}(\sigma _{1},\sigma _{2}). (5.1)

Działając na powyższą nierówność operatorem max_{{\sigma _{1}\in\Sigma _{1}}} otzymujemy

v_{1}=max_{{\sigma _{1}\in\Sigma _{1}}}min_{{\sigma _{2}^{{{}^{{\prime}}}}\in\Sigma _{2}}}u_{1}(\sigma _{1},\sigma _{2}^{{{}^{{\prime}}}})\le max_{{\sigma _{1}\in\Sigma _{1}}}u_{1}(\sigma _{1},\sigma _{2}). (5.2)

Nierówność ta zachodzi dla każdego \sigma _{2}\in\Sigma _{2}. Działając na powyższą nierówność operatorem min_{{\sigma _{2}\in\Sigma _{2}}} otzymujemy

v_{1}\le min_{{\sigma _{2}\in\Sigma _{2}}}max_{{\sigma _{1}\in\Sigma _{1}}}u_{1}(\sigma _{1},\sigma _{2})=v_{2}. (5.3)

co dowodzi nierowności v_{2}\ge v_{1}.

Pokażemy teraz że v_{1}\ge v_{2}. Wykorzystamy fakt istnienia RN. Niech (\sigma _{1}^{*},\sigma _{2}^{*}) będzie RN, czyli

u_{1}(\sigma _{1}^{*},\sigma _{2}^{*})\ge u_{1}(\sigma _{1},\sigma _{2}^{*})\forall\sigma _{1}\in\Sigma _{1}, (5.4)

oraz

u_{1}(\sigma _{1}^{*},\sigma _{2}^{*})\le u_{1}(\sigma _{1}^{*},\sigma _{2})\forall\sigma _{1}\in\Sigma _{1}. (5.5)

Zachodzi też

v_{1}=max_{{\sigma _{1}\in\Sigma _{1}}}min_{{\sigma _{2}\in\Sigma _{2}}}u_{1}(\sigma _{1},\sigma _{2})\ge min_{{\sigma _{2}\in\Sigma _{2}}}u_{1}(\sigma _{1}^{*},\sigma _{2}). (5.6)

Ponieważ, na mocy (5.5)

min_{{\sigma _{2}\in\Sigma _{2}}}u_{1}(\sigma _{1}^{*},\sigma _{2})=u_{1}(\sigma _{1}^{*},\sigma _{2}^{*}), (5.7)

więc

v_{1}\ge u_{1}(\sigma _{1}^{*},\sigma _{2}^{*}). (5.8)

Z uwagi na (5.4) mamy

u_{1}(\sigma _{1}^{*},\sigma _{2}^{*})=max_{{\sigma _{1}\in\Sigma _{1}}}u_{1}(\sigma _{1},\sigma _{2}^{*}) (5.9)

a więc

v_{1}\ge max_{{\sigma _{1}\in\Sigma _{1}}}u_{1}(\sigma _{1},\sigma _{2}^{*})\ge min_{{\sigma _{2}\in\Sigma _{2}}}max_{{\sigma _{1}\in\Sigma _{1}}}u_{1}(\sigma _{1},\sigma _{2})=v_{2}. (5.10)

Wykazaliśmy v_{1}\ge v_{2} i v_{1}\le v_{2}, a zatem równość v_{1}=v_{2}=v^{*}.

3. Punkt 3 jest bezpośrednia konsekwencją powyższej równości. W każdej równowadze mamy więc:

Dla gracza 1:

u_{1}(\sigma _{1}^{*},\sigma _{2}^{*})=max_{{\sigma _{1}\in\Sigma _{1}}}min_{{\sigma _{2}\in\Sigma _{2}}}u_{1}(\sigma _{1},\sigma _{2})=v^{*}, (5.11)

a dla gracza 2

u_{2}(\sigma _{1}^{*},\sigma _{2}^{*})=-min_{{\sigma _{2}\in\Sigma _{2}}}max_{{\sigma _{1}\in\Sigma _{1}}}u_{1}(\sigma _{1},\sigma _{2})=-v^{*}. (5.12)

Punkt 4 zostawiamy czytelnikowi jako ćwiczenie.

∎
Definicja 5.4

Liczbę v^{*} nazywamy wartością (value) dwuosobowej GS o sumie zerowej.

Wartość ściśle konkurencyjnej GS0 jest to więc wypłata gracza 1 w punkcie siodłowym.

Definicja 5.5

Strategia \sigma _{i} gracza i rozwiązująca problem

max_{{\sigma _{i}}}min_{{\sigma _{{-i}}}}u_{i}(\sigma _{i},\sigma _{{-i}}),\ \  i=1,2,

nazywa sie strategią maksyminową gracza i.

Twierdzenie 5.2

Jeżeli v_{1}=v_{2} to (każdy) profil (\sigma _{1}^{*},\sigma _{2}^{*}), gdzie \sigma _{i}^{*} jest strategią maksyminową gracza i,\  i=1,2 jest punktem siodłowym.

Przykład 5.1

Znajdziemy strategię maksyminową i wypłatę ze strategii maksyminowej gracza 1 (wierszowego) w grze Orzeł – Reszka.

B S
B 1,-1 -1,1
S -1,1 1,-1

Niech \sigma _{1}=(p,1-p),\ \sigma _{2}=(y,1-y). Obliczamy

u_{1}(\sigma _{1},\sigma _{2})=(1-2p)(1-2y).

Przy ustalonym p: dla p<1/2 u_{1} przyjmuje minimum dla y=1, wynosi ono 2p-1<0. Dla p=1/2 minimum u_{1} wynosi 0. Dla p>1/2 minimum u_{1} jest dla y=0 i jest mniejsze od zera. Tak więc max_{p}minu_{1}=0, strategia maksyminowa to profil (1/2,1/2) z wypłatą 0. Analogicznie postępujemy dla gracza 2.

W każdej RN GS0 gracze otrzymują takie same (przeciwne co do znaku) wypłaty. Zachodzi też interesująca własność ”wymienności równowag” (equilibrium interchangeability). W 2-osobowych GS o sumie zerowej jeżeli gracz 1 wybierze swój profil z pewnej RN a drugi gracz wybierze swój z innej RN, to para tych profili też jest RN. Mówi o tym

Twierdzenie 5.3 (O wymienności równowag)

Niech (a,b)\in\Sigma,\ (c,d)\in\Sigma - dwie RN dwuosobowej GS o sumie zerowej. Wtedy profile (a,d),(c,b) też są RN.

Niech v^{*} - wartość gry. W RN (a,b), ponieważ suma wypłat graczy jest zero oraz

u_{2}(a,b)\ge u_{2}(a,\tilde{b})\ \forall\ \tilde{b}\in\Sigma _{2}

(a zatem -u_{2}(a,b)\le-u_{2}(a,\tilde{b})\ \forall\ \tilde{b}\in\Sigma _{2}), więc otrzymujemy

v^{*}=u_{1}(a,b)=-u_{2}(a,b)\le-u_{2}(a,\tilde{b})\ \forall\ \tilde{b}\in\Sigma _{2}.

Podstawiając \tilde{b}=d otrzymujemy obustronne oszacowanie

v^{*}\le-u_{2}(a,d)=u_{1}(a,d)\le u_{1}(c,d)=v^{*},

gdzie równość wynika z faktu że gra jest o sumie zerowej, a ostatnia nierówność z tego że (c,d) jest RN. Wypłata u_{1}(a,d) została obustronnie oszacowana przez v^{*}, a zatem zachodzi równość u_{1}(a,d)=v^{*}. Otrzymujemy

u_{1}(a,d)=v^{*}=u_{1}(a,b)\ge u_{1}(\sigma _{1},d)\ \ \forall\sigma _{1}\in\Sigma _{1},

gdzie nierówność z faktu że (a,b) jest RN. Mamy też

u_{1}(a,d)=u_{1}(a,b)=-u_{2}(a,b)\le-u_{2}(a,\sigma _{2})=u_{1}(a,\sigma _{2})\ \ \forall\sigma _{2}\in\Sigma _{2},

nierówność wynika z faktu że (a,b) jesr RN. Mnożąc przez -1 otrzymujemy stąd

-u_{1}(a,d)\ge-u_{1}(a,\sigma _{2})\ \ \forall\sigma _{2}\in\Sigma _{2},

a zatem

u_{2}(a,d)=-u_{1}(a,d)\ge-u_{1}(a,\sigma _{2})=u_{2}(a,\sigma _{2})\ \ \forall\sigma _{2}\in\Sigma _{2}.

Profil (a,d) jest więc RN. Analogicznie dowodzimy że profil (c,b) jest RN.

∎
Uwaga 5.5

Dla GS0 można podać efektywne algorytmy szukanie wartości gry za pomocą programowania liniowego, patrz np. monografia Luce, Reiffa [13].

Ćwiczenie 5.1

W symetrycznej GS0 A_{1}=A_{2},\  u_{1}(a_{1},a_{2})=u_{2}(a_{2},a_{1})\ \forall a_{i}\in A_{i},i=1,2 w mieszanej RN (jeżeli istnieje) zachodzi u_{i}=0,\  i=1,2.

Treść automatycznie generowana z plików źródłowych LaTeXa za pomocą oprogramowania wykorzystującego LaTeXML.

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

Projekt współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego i przez Uniwersytet Warszawski.