形式陈述
一个有限策略式博弈由非空有限玩家集 N = { 1 , … , n } 、每位玩家的非空有限纯策略集 S i ,以及收益函数 u i : S → R 组成。这里
S = ∏ i = 1 n S i 是策略集的笛卡尔积 公理库 笛卡尔积 Cartesian product · Direct product of sets 由各坐标分别取值形成的有序元组集合;二元情形记作 A×B。 ;元素 s = ( s 1 , … , s n ) 称为策略剖面,记录每个人各选了什么。每个 u i 都是以整个剖面为输入的函数 公理库 函数 Function · Map · Mapping 由定义域、陪域和单值图共同组成,并把每个输入送到唯一输出的映射。 。本页统一约定收益越大越好,所以某人的收益既取决于自己的动作,也可能取决于其他人的动作。
记 s − i 为除玩家 i 外的策略组合,( a i , s − i ) 表示只有玩家 i 改选 a i 的剖面。固定 s − i 后,玩家 i 的纯最佳回应集合为
BR i ( s − i ) = arg max a i ∈ S i u i ( a i , s − i ) . 有限非空策略集保证这个集合非空;若几个动作收益并列最高,最佳回应就有多个。这里固定的是其他人的选择,比较的是自己的可选动作。若同时改变两个人的策略,算出的收益改进不属于单方偏离。
二人有限博弈可用两张同尺寸矩阵 A , B 表示:A a b 是行玩家选 a 、列玩家选 b 时行玩家的收益,B a b 是同一格中列玩家的收益。表中写 ( A a b , B a b ) 即可合并两张矩阵。二人零和情形满足 B = − A ,因此一个收益矩阵足以描述双方;矩阵的行列索引仍保持不变。
直觉
设两位合作者要选择同一种工作方案。两人都选方案一能合作,两人都选方案二也能合作,但各选各的就无法开始。其中一人更偏好方案一,另一人更偏好方案二。收益表既能记录合作带来的共同利益,也能记录他们对不同合作方式的偏好。
最佳回应回答一个局部问题:如果对方已经选定,我该如何选择?把对方的动作固定后,这只是一个有限最大值问题。难点出现在双方同时使用这条原则时:我想根据你的选择优化,你也想根据我的选择优化。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。 寻找的正是彼此都是最佳回应的剖面。
例子与边界
在同一张表上找双方的最佳回应
行玩家选择 U 或 D ,列玩家选择 L 或 R 。收益表为
行玩家/列玩家
L
R
U
( 3 , 2 )
( 0 , 0 )
D
( 0 , 0 )
( 2 , 3 )
先找行玩家的回应。固定 L ,只比较第一列每格的第一个数:3 > 0 ,所以 BR 1 ( L ) = { U } 。固定 R ,第一收益分别为 0 , 2 ,所以 BR 1 ( R ) = { D } 。
再找列玩家的回应。固定 U ,沿第一行比较第二个数:2 > 0 ,所以 BR 2 ( U ) = { L } 。固定 D ,第二收益分别为 0 , 3 ,所以 BR 2 ( D ) = { R } 。这两次比较使用同一收益表,只是读取的收益坐标和移动方向不同。
在 ( U , L ) 处,行玩家改选 D 会从 3 降到 0 ,列玩家改选 R 会从 2 降到 0 ;在 ( D , R ) 处也一样没有获利的单方偏离。反过来,在 ( U , R ) 处两人各自都有收益从 0 上升的偏离,在 ( D , L ) 处亦然。因此恰有两个彼此最佳回应的纯策略剖面。这个检查不需要猜测谁先行动。
模型包含什么信息
策略式表示列出完整选择及其结果,不在表内描述决策发生的时间或玩家沿途观察到的信息。若原问题是一场有多步行动的游戏,纯策略需要规定该玩家在每种可遇到的信息情形下如何行动;只写“这一步选左或右”可能尚未给出完整策略。
上表的两人收益之和在协调格为 5 、失配格为 0 ,所以不是零和博弈。零和要求每一格的收益相加为零,不是要求某个策略的收益为零,也不是要求双方喜好不同。本页使用实值收益来比较偏离;效用数值没有自动成为可在人际之间相加比较的福利单位。
推论与应用
混合策略 公理库 混合策略 Mixed strategy · 混合策略剖面 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。 把纯策略集上的选择扩展为概率分布,保留同一套收益函数,并通过有限加权和定义随机选择的收益。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。 再要求每个人对其他人的策略都是最佳回应;纯策略表里找不到这样的格子时,允许随机化仍可能找到均衡。
对于二人零和表 ( A , − A ) ,矩阵博弈极小极大定理 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。 进一步给出双方共同面对的价值和线性规划证书。一般收益表没有这种单一价值:上面的两个纯均衡已经分别产生 ( 3 , 2 ) 与 ( 2 , 3 ) ,不能把双方的优化目标合并成同一个数字。
直接显示机制 公理库 直接显示机制 Direct-revelation mechanism · 直接报告机制 · 显示原理 · Revelation principle 用类型报告、结果规则和支付规则区分真实偏好与策略选择,写清占优策略及贝叶斯激励约束,并以策略模拟证明直接显示原理。 让玩家报告自己的私人类型,再据此决定分配和支付。固定真实类型后,报告成为策略,真实估值减支付成为收益;当报告集也有限时,就得到本页的有限策略式博弈。机制设计进一步选择这些规则,使诚实报告能够经受单方偏离检验;仅有有限分配结果,并不保证报告集有限。
参考资料
Éva Tardos and Vijay V. Vazirani,Basic Solution Concepts and Computational Issues ,载 Algorithmic Game Theory ,Cambridge University Press,2007,Chapter 1,§1.2.1–1.2.2,pp. 9–10;教学全文 。
John F. Nash,Equilibrium Points in n-Person Games ,PNAS 36(1),1950,pp. 48–49;原刊扫描 。