形式陈述
输入二人有限博弈的有理收益矩阵 A , B ∈ Q m × n ,m , n ≥ 1 。行玩家使用概率列向量 p ∈ Δ m ,列玩家使用 q ∈ Δ n ,双方收益分别是 p T A q 与 p T B q 。本算法的基本输出是一个精确Nash 均衡 公理库 Nash 均衡 Nash equilibrium · 纳什均衡 · 混合策略纳什均衡 每位玩家都无法在其他人策略固定时通过单方偏离增加期望收益;有限博弈总存在这样的混合策略剖面。 。
支持枚举先猜测哪些动作获得正概率,再核验支持上的最佳回应条件。核心难点不是把两个收益设成相等,而是同时检查概率合法、支持外动作没有更高收益,以及声称在支持内的概率确实为正。
固定一对支持的线性规划
枚举所有非空 I ⊆ [ m ] 、J ⊆ [ n ] ,不预先要求两者大小相等。对每一对求下列线性规划 公理库 线性规划 Linear programming · LP 在线性等式和不等式约束下优化线性目标函数的问题。 ,变量为 p , q , v , w , δ :
max δ 满足
p i = 0 ( i ∉ I ) , q j = 0 ( j ∉ J ) , ∑ i p i = 1 , ∑ j q j = 1 , δ ≥ 0 , p i ≥ δ ( i ∈ I ) , q j ≥ δ ( j ∈ J ) , ( A q ) i = v ( i ∈ I ) , ( A q ) i ≤ v ( i ∉ I ) , ( p T B ) j = w ( j ∈ J ) , ( p T B ) j ≤ w ( j ∉ J ) . v , w 是自由符号变量,不能因收益可能为负而额外规定它们非负。所有系数矩阵已经给定,各约束对决策变量线性,没有 p i q j 乘积。
δ 是正概率的共同裕量。若 LP 可行,则
0 ≤ δ ≤ min { 1 / | I | , 1 / | J | } . 概率在紧单纯形内;非空支持上的等式又把 v , w 限制在对应收益矩阵的最小与最大条目之间。因此可行域紧,最优值 δ ∗ 能够取到。
枚举步骤与退出条件
固定一个可重复的支持枚举顺序。对每对 I , J :
构造上述 LP,用精确有理 LP 求解器判定不可行或给出最优值与最优解。
若不可行,继续下一对;若 δ ∗ = 0 ,也继续,因为该对没有精确为 I , J 的正支持均衡。
若 δ ∗ > 0 ,返回所得 ( p , q ) ,以及 I , J , v , w , δ ∗ 作为核验证书。
支持对有限,后面的完备性证明保证至少一对被接受。若求解器只返回有限精度近似,或因资源限制未完成,算法应报告尚未取得精确证书,不能把某个固定浮点阈值直接当作 δ ∗ > 0 的数学判定。
可靠性与完备性
若 δ ∗ > 0 ,则 p , q 恰好以 I , J 为支持。行玩家所有正支持动作收益为 v ,支持外收益不超过 v ,故当前混合收益为 v ,任何纯或混合偏离都不更好。列玩家同理,所以返回的是均衡。
反过来,设存在支持恰为 I , J 的均衡 ( p , q ) 。取全部正概率中的最小值
δ 0 = min ( { p i : i ∈ I } ∪ { q j : j ∈ J } ) > 0. 支持最佳回应判据保证收益等式与不等式成立,故它与 δ 0 构成 LP 可行解,最优值必为正。因此
存 在 支 持 恰 为 的 均 衡 δ ∗ > 0 ⟺ 存在支持恰为 I , J 的均衡 . 任意均衡的实际支持非空,总会被枚举。有限 Nash 存在定理再保证某对实际支持存在,所以算法必能返回一个均衡。
若 δ ∗ = 0 ,该弱系统仍有可行概率,并且这些概率仍构成均衡;只是其中至少一方的实际支持严格小于宣称的支持。拒绝它是为了核验“恰好这对支持”,不是在宣告整场博弈没有均衡。
直觉
正支持动作都要“同样好”,支持外动作只要求“不更好”。前者形成等式,后者形成不等式。猜定支持后,双方概率不再相乘地出现在最佳回应条件里,于是一次 LP 就能检查这个猜测。
最大化 δ 是把严格正概率条件转成闭 LP 的办法。最优值为正,说明可以离开边界;最优值为零,说明系统只能站在某个声称支持的边界上。等式矩阵奇异则可能意味着一整段候选,不能据此直接跳过。
例子与边界
协调博弈的九对支持
沿用 Nash 页的协调博弈,
A = ( 3 0 0 2 ) , B = ( 2 0 0 3 ) . 双方各有三个非空支持,共九对。正裕量的三对为:
I
J
概率 ( p , q )
δ ∗
{ 1 }
{ 1 }
( ( 1 , 0 ) , ( 1 , 0 ) )
1
{ 2 }
{ 2 }
( ( 0 , 1 ) , ( 0 , 1 ) )
1
{ 1 , 2 }
{ 1 , 2 }
( ( 3 / 5 , 2 / 5 ) , ( 2 / 5 , 3 / 5 ) )
2 / 5
全支持时,行收益相等给 3 q 1 = 2 q 2 ,列收益相等给 2 p 1 = 3 p 2 ;结合归一化,得到表中唯一候选,两人收益均为 6 / 5 。另外两对交叉纯支持不是最佳回应。剩余四对“一方单动作、另一方双动作”要求面对一个纯动作仍有两个相同最高收益动作,本表不满足,所以均不可行。这就检查完九对,而不是只找出三个看起来合理的解。
退化博弈:连续族与不等大支持
取
A = ( 1 1 0 1 1 2 ) , B = ( 1 1 0 0 0 1 ) . 写 p = ( t , 1 − t ) T 、q = ( a , b , c ) T ,则
A q = ( 1 − c , 1 + c ) T , p T B = ( t , t , 1 − t ) . 若 0 < t < 1 ,两行都被使用,必须令 c = 0 ;列玩家只使用前两列,要求 t ≥ 1 / 2 。若 t = 1 ,行1最佳仍要求 c = 0 ,列1、2可以任意混合。若 t = 0 ,列3唯一最佳,所以 q = ( 0 , 0 , 1 ) ,行2也确实最佳。因此全部均衡恰为
{ ( ( t 1 − t ) , ( a 1 − a 0 ) ) : 1 2 ≤ t ≤ 1 , 0 ≤ a ≤ 1 } ∪ { ( ( 0 1 ) , ( 0 0 1 ) ) } . 图片加载失败 这包含一个连续参数族和一个孤立纯均衡。图中两个截面分开显示,避免把不同列概率的点误放进同一平面。三对支持尤其有代表性:
I = { 1 , 2 } , J = { 1 , 2 } :精确支持对应 1 / 2 ≤ t < 1 、0 < a < 1 。等收益方程重复,并不能唯一决定概率;margin LP 的最优值为 1 / 2 ,可取 t = a = 1 / 2 。
I = { 1 } , J = { 1 , 2 } :t = 1 、0 < a < 1 都是均衡,支持大小分别为 1 , 2 ,最优裕量为 1 / 2 。仅枚举等大支持会漏掉这批精确支持。
I = { 1 , 2 } , J = { 1 , 2 , 3 } :行等式强迫 c = 0 ,列等式强迫 t = 1 / 2 。弱系统可行,但所有可行点的裕量都为零,没有这个精确支持的均衡。
全部 3 × 7 = 21 对支持还可压成下面的分类表。表内省略集合括号,例如 12 表示 { 1 , 2 } 。
行支持 I
正裕量的列支持及最优值
零裕量的列支持
不可行列支持
1
1 : 1 , 2 : 1 , 12 : 1 / 2
无
3 , 13 , 23 , 123
2
3 : 1
无
1 , 2 , 12 , 13 , 23 , 123
12
1 : 1 / 2 , 2 : 1 / 2 , 12 : 1 / 2
13 , 23 , 123
3
第一行的纯行策略使列1、2并列最佳,一个支持大小为1的策略有两个纯最佳回应,已经见证了退化。
非退化为何允许等大支持
二人博弈称为非退化,是指任一支持大小为 k 的混合策略,至多使对手有 k 个纯最佳回应。若均衡支持为 I , J ,则
| I | ≤ | BR 1 ( q ) | ≤ | J | ≤ | BR 2 ( p ) | ≤ | I | , 所以全为等号。由此才可把枚举缩减为等大支持。一般输入没有这项保证;“等式解不唯一”也不能当作无均衡的证据,刚才的连续族正是反例。
推论与应用
共有
( 2 m − 1 ) ( 2 n − 1 ) 对非空支持。每个 LP 的变量及约束数为 O ( m + n ) ,有理系数编码长度相对于输入位长 L 为多项式。采用精确的多项式位复杂度 LP 算法,总复杂度可界为
O ( ( 2 m − 1 ) ( 2 n − 1 ) poly ( L ) ) . 这是一条指数枚举上界,不是强多项式结论,也不保证任意单纯形实现都具有其中的每次求解界。小规模博弈适合用它做完整核验;规模增大时,猜支持的组合成本迅速主导。
若任务是描述全部均衡,每个支持只返回一个最大裕量点会遗漏连续族。可以保存各个接受支持的完整最佳回应线性系统,去掉裕量变量并保留支持内严格正概率条件;这些有限个系统的解集之并才是均衡全集。也可以保留允许零概率的闭系统,得到带重复边界的有限表示。有限的是描述系统数,不一定是均衡点数。
混合策略的支持判据 公理库 混合策略 Mixed strategy 将有限纯策略上的概率分布作为选择,独立抽样形成联合结果,并由支持集上的最佳回应刻画最优混合。 让单方无穷多混合偏离化成有限个纯收益比较;本页再把双方支持选择转成枚举。相比之下,零和矩阵博弈 公理库 矩阵博弈极小极大定理 Matrix game minimax theorem · Von Neumann minimax theorem · 有限零和博弈极小极大定理 有限二人零和博弈允许独立混合后,行玩家的最大保证收益等于列玩家的最小收益上界,并由一对线性规划提供精确证书。 有更强结构,可直接用一对互为对偶的 LP 求共同价值,不必套用通用指数枚举。
参考资料
Bernhard von Stengel, Finding Nash Equilibria of Two-Player Games , author preprint, 2021,§2、Proposition 1 的支持最佳回应,Definition 2、Proposition 3 和 Algorithm 4 的非退化等大支持算法;§9 讨论退化均衡集合。本页的正裕量 LP 是从最佳回应判据直接推导的一般化实现。
Bernhard von Stengel, “Equilibrium Computation for Two-Player Games in Strategic and Extensive Form,” in Algorithmic Game Theory , Cambridge University Press, 2007,§3.2 的支持枚举与退化边界。