运筹学第3版教学课件作者熊伟ch13博弈论课件幻灯片.pptx

1、,运筹学,Operations Research第13章 博弈论game theory引 言纳什均衡反应函数法有限二人零和博弈有限二人非零和博弈,13.1引言,Introduction,红尘俗世，莫不博弈博弈是人类的天性 竞争与合作猎人与猎狗：竞争绩效学习型团队激励叛逃与招安裁员与创业股份公司 的成立出书,13.1 引 言,13.1.1博弈论概述博弈论（game theory）亦称对策论，是研究具有对抗或竞争性质现象的数学理论和方法，它既是数学的一个分支，也是运筹学的一个重要学科。博弈论中有一个 重要的概念即博弈行为，博弈行为是指具有竞争或对抗性质的行为，在这类行为 中，参加斗争或竞争的各方各

2、自具有不同的利益和目标，各方需考虑对手的各种 可能的行动方案,如何采取行动以及与对手互动对自己最为有利,许多游戏具有特征：有一定的规则有一个结果有可供选择的策略策略与利益相互依存,13.1 引 言,博弈论，不同于日常游戏，它具有理论性，应用的范围也不局限于游戏。,博弈是一些个人、对组或其它组织，面对一定的环境条件，在一定的规则下，同时或 先后从各自允许的行为或策略中进行选择并加以实施，各自取得相应结果的过程。,这些规则应用到经济、军事、政治等领域也有类似的特征。例如，市场竞争、经营决策、投资分析、价格制定、费用分摊、财政转移支付、投 标与拍卖、对抗与追踪、资源利用、谈判、竞选、战争,例如，战国

3、时代的田忌赛马、三国时代的曹不兴溅墨画蝇、曹操兵败华容道、北宋时期的丁渭挖河修皇宫等都是博弈论成功应用的例子。,13.1 引 言,13.1 引 言著名法国经济学家泰勒尔（Jean Tirole）说：“正如理性预期使宏观经济学 发生革命一样，博弈论广泛而深远地改变了经济学家的思维方式”。,博弈论就是研究博弈行为中斗争各方是否存在着最合理的行动方案，以及如何找 到这个合理方案的数学理论和方法。是研究决策主体的行为发生直接相互作用时的决策及这种决策的均衡问题。即它 是研究聪明而又理智的决策者在冲突或合作中的策略选择理论。它将成为当代经济 管理学科的前沿领城。1944年由美国普林斯特大学教授冯诺伊曼、

4、摩根斯坦的著作博弈论和经济行为 的出版作为博弈论诞生的标志。普林斯特大学对博弈论作出重大贡献的还有塔克、库恩、纳什等。,从1994年诺贝尔经济学奖授予3位博弈论专家开始，共有5届诺贝尔经济学奖与博弈论 的研究有关，分别为：1994年，普林斯顿大学约翰纳什、约翰海萨尼、莱因哈德泽尔腾 等三位数学家；这三位数学家在非合作博弈的均衡分析理论方面做出了开创性的贡献，1996年，授予英国剑桥大学的 詹姆斯莫里斯，威廉维克里在不对称信息条件下的经济激励理论、激励理论、博弈论等方面都做出了重大贡献2005 罗伯特约翰奥曼,美国和以色列（双重国籍）经济学家 托马斯克罗姆比谢林,美国经济学家通过博弈论分析促进了

5、对冲突与合作的理解,13.1 引 言,2007 美国经济学家莱昂尼德赫维奇、埃里克马斯金和罗杰迈尔森他们在创立和发展“机制设计理论”方面做出了贡献。“机制设计理论”最早由赫 维奇提出，马斯金和迈尔森则进一步发展了这一理论。这一理论有助于经济学家、各 国政府和企业识别在哪些情况下市场机制有效，哪些情况下市场机制无效。2012年诺贝尔经济学奖得主为哈佛大学教授埃尔文罗斯及加州大学罗伊德沙普利 两人因稳定配置和市场设计实践理论获奖。这一领域源于博弈论思想，属于运筹学分支，强调优化策略问题(递延选择）。,13.1 引 言,博弈三要素一个博弈需要3个基本要素：局中人(players)(2)策略集(str

6、ategies)(3)得益函数（payoffs）,是一个局势,策略组,全体局势的集合S可用各局中人的策略集的迪卡尔集表示,13.1 引 言,13.1.3 博弈的结构和分类,13.1 引 言,1943年2月，日本统帅山本五十六大将计划由南太平洋新不列颠群岛的拉包尔出发，3天穿过俾斯麦海，开往新几内亚的莱城，支援困守的日军。有两条路线：北线和南线。,盟军统帅麦克阿瑟命令他麾下的太平洋战区空军司令肯尼将军组织空中打击。侦察机 重点搜索有两个方案：北线和南线。当时未来3天中：北线阴雨，能见度差；南线晴天，能见度佳。日美双方各自应采用 哪种方案,13.1 引 言,南线,盟军,日军北线（）,南线,(),2

7、,北线（）2南线（）1,3,局中人：盟军、日军；双方策略：北线、南线，记为:盟军的赢得矩阵如下：,最优策略是：,即都选择 北线。日军舰队受到重创，但未全 歼。,双方选择的策略是：在最不利 中选择最有利的策略。,13.1 引 言,囚徒1,囚徒的困境（二人非零和博弈）囚徒2坦白,不坦白,坦白,不坦白,双方如何采取博弈使结果对自己最有利？,13.1 引 言,亚贸,【例13-1】双寡头削价竞争（两个厂商）中南高价低价高价,低价,类似地，广告投资、采用新技术等方面，厂商之间常常耗资巨大，但不一定有利 可图的争夺战；对公共资源的掠夺式使用等问题。我们的目的是如何利用这种困境达到有利于社会，合理利用和开发公

8、共资源，保护环境。,13.1 引 言,高价,低价,多寡头削价竞争（3个厂商:亚贸,中南，中北)）中南高价低价高价亚 贸低价中北采用高价中南,高价亚 贸低价中北采用低价,13.1 引 言,约束与激励、核吓阻、公共资源的悲剧 路径依赖民航禁折令2002年国家邮政总局“64号文件”宇宙法则：78/22法则 博傻理论胆小博弈胆大博弈,【例13-2】动态博弈：甲向乙借一万元钱经营，甲许诺经营成功后分给乙总利润（4万）的一半，乙是否借给甲？乙,甲,借,不借,乙,分,不分,(2，2),(1，0),打,乙,不打,(0，4),(1，0)有法律保障,(1,0)法律保障不足,13.1 引 言,下一节：纳什均衡,13

9、.1 引 言,13.2纳什均衡Nash Equilibrium,13.2纳什均衡,Nash Equilibrium,Nash对博弈论的贡献有：（1）合作博弈中的讨价还价模型，称为Nash讨价还价解；（2）非合作博弈的均衡分析。纳什均衡（Nash Equilibrium）假定有n个博弈方参加博弈，在给定其 他博弈方策略的条件下，每个人选择自己的最优策略（个人最优策略 可能依赖也可能不依赖他人策略），一起构成一个策略组合（Strategy Profile），而Nash均衡是这样一种策略组合，由所有参与人的最优策 略组成，给定别人策略的条件下，没有任何单个参与人有积极性选择 其他策略，从而没有任何人

10、有积极性打破这种均衡，Nash均衡是一种“僵局”：给定别人不动的情况下，没有人有兴趣动。,13.2.1 纳什均衡定义约翰纳什(John F.Nash)1928年生于美国,1994年获得诺贝尔经济学奖在非合作博弈的均衡分析理论方面做出了开创性的贡献，对博弈论和经济学产生了 重大影响,另一种解释：假定所有博弈方事先达成一项协议，规定每个人的行 为规则，在没有外在的强制力约束时，当事人会自觉遵守这个协议，等于说这个协议构成一个纳什均衡：假定别人遵守协议的情况下，没有人有积极性偏离协议规定的自己的行为规则。换句话说，如果 一个协议不构成纳什均衡，它就不可能自动实施，因为至少有一个 参与人会违背此协议，

11、不满足Nash均衡要求的协议是没有意义的。,13.2纳什均衡Nash Equilibrium,用G表示一个博弈，若一个博弈中有n个局中人，则每个局中人可选策略的集合称为 策略集，分别用S1，S2，Sn表示；Sij表示局中人i的第j个策略，其中j可取有限个值（有限策略博弈），也可取无 限个值（无限策略博弈）；博弈方i的得益则用hi表示；hi是各博弈方策略的多元函数，n个局中人的博弈G常写成：,12ni,一个策略组成的某个策略组合（S*，S*，S*）中，任一博弈方i的策略S*，都是对,1i-1,其余策略方策略的组合（S*，S*，S*,i+1,n,i1,，S*）的最佳策略，即h（S*，,S*,i-1

12、ii+1ni1i-1iji+1niji,，S*，S*S*）h（S*，S*，S，S*，S*）对任意S S 都成立，,1,n,则称（S*，S*）为G的一个纯策略“纳什均衡”（Nash Equilibrium）,G=S1，Sn；h1，hn【定义13.1】在博弈G=S1，S2，Sn；h1，h2hn中，如果由各个博弈方的各选取,13.2纳什均衡Nash Equilibrium,各选取一个策略组成的某个策略组合构成一个局势，其最优局势称为纯策略意义下的 最优局势【例13-3】假设有三个厂商在同一市场上生产销售完全相同的产品，它们各自的产 量分别用m1、m2和m3表示，再假设m1、m2和m3只能取1、2、3

13、等正整数值市 场出清价格一定是市场总产量Q=m1+m2+m3的函数，假设该函数为：,不妨先假设三个厂商开始时分别生产3单位，9单位和6单位产量，这时三厂商是否满 意各自的产量，要从利润进行分析由于产量不能超过20，则第i个厂商的利润函数为,13.2纳什均衡,可算出在产量组合为（3，9，6）时，市场价格为2，三厂商的利润分8，16和12，再 作其它产量组合时亦会有不同的结果，如表13-2表13-2 三厂商离散产量结合对应价格和利润,13.2纳什均衡Nash Equilibrium,13.2.2混合策略纳什均衡【定义13.2】在博弈G=S1，Sn；h1，hn中，局中人i的策略集为Si=Si1，Si

14、k，则他以概率分布pi=（pi1，pik）随机在其k个可选策略中选择的“策略”称 为一个混合策略，其中0pij1对j1，k都成立，且pi1+pik=1,13.2纳什均衡Nash Equilibrium,【定义13.3】如果一个策略G=S1，Sn，h1，hn中，参予者i的策略集为,12n,Si=Si1，Sik，如果由各个博弈方的策略组成策略集合G*=S*，S*，S*，,其中,都是对其余博弈方策略组合的最佳策略，即i（S1,S2,，Si-1，Si，Sn）i（S1,S2,，Si-1，Si，Sn）*,对任意SijSi都成立，则称（S1,，Sn）为G的一个混合策略纳什均衡*,13.2纳什均衡Nash E

15、quilibrium,下一节：反应函数法,13.2纳什均衡Nash Equilibrium,13.3反应函数法Method of reaction function,13.3 反应函数法Method of reaction function,当得益是博弈的多元连续函数时，求出每个博弈方的反应函数，而各个反应函数的交 点就是纳什均衡【例13-4】设A，B两厂家生产同样产品，厂商A产量为q1，B产量为q2，市场总产量为 Q=q1+q2，市场出清价格是市场总产量的函数P6Q。设产品产量的边际成本相等，C1=C2=2。求解两厂商的纳什均（假设产量连续可分）。分析：这是一个连续产量的古诺模型，不难看出，

16、该博弈中两厂商各自的利润分别为各自的销售收益减去各自成本，即：,作反应函数：,(0,4),（0,2),(2,0),(4,0),(4/3,4/3),纳什均衡：(4/3,4/3),13.3 反应函数法Method of reaction function,【例13-5】考虑上述模型的另一种情况即各厂商所选择的是价格而不是产量，假设产 量与价格的函数关系为：,其它条件不变，边际成本为C1、C2，试求解其纳什均衡。解 各自的策略空间为,两方的得益就是各自的利润,13.3 反应函数法Method of reaction function,13.3 反应函数法Method of reaction function利用得益函数在偏导数为0时有最大值，各自的反应函数分别为：,为该博弈唯一的纳什均衡,【例13-6】设有3个农户一起放牧羊群，现有一可供大家自由放牧的草地，由于草地 面积有限，只能供有限只羊群吃饱，否则就会影响到羊群的产出，假设每只羊的产出 函数为,成本C=8，且每个农户在决定自己放牧羊群数的时候并不知道其它农户的决策，试求 出该决策问题的纳什均衡。【解】各农户的得益函数分别为,13.3 反