Сколько седловых точек может быть в игре. Игры с седловой точкой в чистых стратегиях. Свойства седловых точек

Рассмотрим игру m × n с матрицей P = (a ij ), i = 1, 2, ..., m; j = 1, 2, ..., n и определим наилучшую среди стратегий A 1 , A 2 , ..., A m . Выбирая стратегию A i игрок А должен рассчитывать, что игрок В ответит на нее той из стратегий B j , для которой выигрыш для игрока А минимален (игрок В стремится "навредить" игроку А ). Обозначим через α i , наименьший выигрыш игрока А при выборе им стратегии A i для всех возможных стратегий игрока В (наименьшее число в i -й строке платежной матрицы), т.е.

Среди всех чисел α i (i = 1, 2, ..., m) выберем наибольшее: . Назовем α нижней ценой игры , или максимальным выигрышем (максимином ). Это гарантированный выигрыш игрока А при любой стратегии игрока В . Следовательно,

13. Седловая точка.

Седловая точка - это наибольший элемент столбца матрицы игры, который одновременно является наименьшим элементом соответствующей строки (в игре двух лиц с нулевой суммой). В этой точке, следовательно, максимин одного игрока равен минимаксу другого; С. т. есть точка равновесия.

Понятие седловой точки

Если в игре с матрицей А нижнее и верхнее, чистые цены игры совпадают т.е. , то говорят, что эта игра имеет седловую точку, в чистых выражениях и чистую цену игры:

Седловая точка - это пара чистых стратегий (i 0 , j 0) первого и второго игрока, при котором достигается равенство .

В понятии седловой точки вложен следующий смысл:

если один из игроков придерживается стратегии, соответствующей седловой точки, то другой игрок не может поступить лучше, чем придерживаться стратегии, соответствующей седловой точки.

Отклонение первого игрока от седловой точки может приводить только к уменьшению его выигрыша.

Отклонение второго игрока от седловой точки может приводить к увеличению его проигрыша .

Седловой элемент - является минимальным элементом строки и максимальным элементом в столбце.

Для определения седлового элемента необходимо последовательно в каждой точке определить минимальный элемент, а затем проверять является ли он максимальным элементом столбца и если является, тогда таким образом найдена седловая точка - цена игры, оптимальные стратегии первого и второго игрока:

14. Оптимальные стратегии .

В матричной игре каждый из игроков выбирает свои стратегии, не имея сведений о действиях другого игрока. Выясним, на какие наилучшие гарантированные выигрыши они могут рассчитывать. Первый игрок, выбрав некоторую стратегию i, может получить в качестве выигрыша один из двух элементов аi1, аi2 матрицы А в зависимости от того, какую стратегию применит второй игрок. В худшем случае он должен рассчитывать на минимальный выигрыш, т. е. на

В то же время при удачном выборе стратегии i = i* первый игрок может получить максимальный выигрыш из минимальных:

Второй игрок рассуждает сходным образом. При выборе стратегии j его максимальный проигрыш из двух возможных а1 j, а2 j равен

Если выбор стратегии j = j* оказался удачным, то он может рассчитывать на минимальный проигрыш из максимальных:

Формулы (5.2), (5.3) определяют наилучшие гарантированные выигрыши игроков. Если они совпадают, то их общее значение можно считать приемлемым для игроков компромиссом, а соответствующие стратегии i*, j* - оптимальными стратегиями.

Непосредственные вычисления по формулам (5.2), (5.3) с использованием (5.1) дают

Здесь наилучшие гарантированные выигрыши не равны и оптимальных стратегий не существует.

Причина отсутствия оптимальных стратегий кроется, очевидно, в их определении. Попробуем изменить определение оптимальных стратегий, не упуская из вида игрового смысла задачи и целей игроков.

Классификацию игр можно проводить: по количеству игроков, количеству стратегий, характеру взаимодействия игроков, характеру выигрыша, количеству ходов, состоянию информации и т.д.

В зависимости от количества игроков различают игры двух и n игроков. Первые из них наиболее изучены. Игры трёх и более игроков менее исследованы из-за возникающих принципиальных трудностей и технических возможностей получения решения. Чем больше игроков - тем больше проблем.

По количеству стратегий игры делятся на конечные и бесконечные. Если в игре все игроки имеют конечное число возможных стратегий, то она называется конечной . Если же хотя бы один из игроков имеет бесконечное количество возможных стратегий игра называетсябесконечной .

По характеру взаимодействия игры делятся на:

бескоалиционные : игроки не имеют права вступать в соглашения, образовывать коалиции;

коалиционные (кооперативные)–могут вступать в коалиции.

В кооперативных играх коалиции наперёд определены.

По характеру выигрышей игры делятся на: игры с нулевой суммой (общий капитал всех игроков не меняется, а перераспределяется между игроками; сумма выигрышей всех игроков равна нулю) и игры сненулевой суммой .

По виду функций выигрыша игры делятся на: матричные, биматричные, непрерывные, выпуклые, сепарабельные, типа дуэлей и др.

Определение . Если в игре с матрицей А=(нижняя чистая цена равна верхней чистой цене), то говорят, что эта игра имеетседловую точку в чистых стратегиях ичистую цену игры==.

Седловая точка –это пара чистых стратегий(i о , j о ) соответственно игроков 1 и 2, при которых достигается равенство=.Если один из игроков придерживается стратегии, соответствующей седловой точке, то другой игрок не сможет поступить лучше, чем придерживаться стратегии, соответствующей седловой точке. Математически это можно записать и иначе:, гдеi , j –любые чистые стратегии соответственно игроков 1 и 2;(i о , j о ) –стратегии, образующие седловую точку.

Таким образом, седловой элемент является минимальным вi о -й строке и максимальным вj о -м столбце в матрице А. Отыскание седловой точки матрицы А происходит следующим образом: в матрице А последовательно в каждойстроке находят минимальный элемент и проверяют, является ли этот элемент максимальным в своёмстолбце . Если да, то он и есть седловой элемент, а пара стратегий, ему соответствующая, образует седловую точку. Пара чистых стратегий(i о , j о ) игроков 1 и 2, образующая седловую точку и седловой элемент, называетсярешением игры . При этомi о иj о называютсяоптимальными чистыми стратегиями соответственно игроков 1 и 2.

Свойства седловых точек:

1. Равноценность. Если в игре несколько седловых точек, то значения функции выигрыша в них одинаковы.

2. Взаимозаменяемость оптимальных стратегий. Игроки могут заменить свои оптимальные стратегии другими оптимальными стратегиями, при этом равновесие не нарушится, а выигрыш (проигрыш) останется неизменным.

13.Определение смешанной стратегии. Решение игры 2*2 в смешанных стратегиях.

Смешанная стратегия это когда вместо того, чтобы применить какую-то одну конкретную стратегию, участники игры могут чередовать (смешивать) в случайном порядке свои стратегии в соответствии со специально разработанной схемой, обеспечивающей нужную частоту, или вероятность реализации каждой из стратегий.

Для каждого игрока можно задать следующие компоненты:

P ia – вероятность применения i-ой стратегии со стороны А.

Если подобрать такой набор P ia , который обеспечивает наибольший выигрыш независимо от действий второй стороны, то этот набор вероятностей {p 1 a , p 2 a , …, p ma } = S A и будет называться смешанной стратегией.

S * A = {p * 1 a , p * 2 a , …, p * ma } – оптимальная смешанная стратегия.

{ S A } – множество смешанных стратегий со стороны А, из которых нужно выбрать оптимальную.

Игра 2*2 в смешанных стратегиях.

Если хотя бы у одной стороны только 2 действия, применим графо-аналитический метод решения. Зададим игру в виде следующей матрицы:

Для этой игры можно считать следующее: игрок каждый раз играет против какой-либо чистой стратегии другой стороны. При этом он может выбрать такое соотношение вероятностей, которое даст ему гарантированный выигрыш, размером с цену игры.

Определение 4. Парная игра, в которой сумма выигрышей игроков равна нулю (выигрыш первого игрока равен проигрышу второго игрока) называется парной игрой с нулевой суммой или антагонистической игрой .

Замечание. Всякую парную игру с нулевой суммой всегда можно полностью задать платёжной матрицей одного из игроков. Как правило, задают платёжную матрицу первого игрока. Предполагается, что все игроки одинаково разумны. Задача каждого игрокасостоит в том, что каждый игрок стремится обеспечить себе максимально возможный выигрыш при любых действиях другого игрока.

Пусть платёжная матрица первого игрока в игре двух игроков, имеющих соответственно и стратегий, имеет вид . Тогда матрица выигрышей второго игрока .

Построим оптимальные стратегии игроков в антагонистической игре.

Оптимальная стратегия первого игрока. Первый игрок желает получить максимальный собственный выигрыш. При этом он предполагает, что в любом случае второй игрок выберет стратегию, минимизирующую выигрыш первого игрока. Задача первого игрока – получить некоторый гарантированный выигрыш.

Обозначим минимальное значение выигрыша первого игрока при каждой его стратегии (в каждой строке матрицы ): , . Зная минимальные выигрыши при различных стратегиях второго игрока, первый игрок выберет ту стратегию, при которой максимально. Обозначим это значение . Тогда .

Определение 5. Величина – гарантированный максимальный выигрыш, который может обеспечить себе первый игрок, – называется нижней ценой игры или максимином .

Таким образом, формально оптимальная стратегия первого игрока состоит в выборе строки и в ней элемента матрицы : . Эта стратегия называется максиминной со стороны первого игрока. Если первый игрок будет придерживаться максиминной стратегии, то его выигрыш в любом случае будет не меньше максиминного значения:

Оптимальная стратегия второго игрока. Второй игрок желает минимизировать собственный проигрыш. При этом он предполагает, что в любом случае первый игрок выберет стратегию, максимизирующую собственный выигрыш. Задача второго игрока – проиграть не более некоторой гарантированной суммы.

Обозначим максимальное значение выигрыша первого игрока при каждой стратегии второго игрока (в каждом столбце матрицы ): , . Зная максимальные выигрыши первого игрока при различных стратегиях второго игрока , второй игрок выберет ту стратегию, при которой минимально. Обозначим это значение . Тогда .

Определение 6. Величина – минимальный проигрыш, который может обеспечить себе второй игрок, – называется верхней ценой игры или минимаксом .

Таким образом, формально оптимальная стратегия второго игрока состоит в выборе столбца и в ней элемента матрицы : . Эта стратегия называется минимаксной со стороны второго игрока. Если второй игрок будет придерживаться минимаксной стратегии, то он в любом случае проиграет не больше минимаксного значения:

Теорема 1. Для произвольной прямоугольной матрицы всегда выполняется неравенство или

Определение 7. Если верхняя цена игры равна нижней, то есть , то говорят, что игра имеет седловую точку (решается ) в чистых стратегиях .

Определение 8. Значение называется ценой игры (чистой ценой игры ) .

Определение 9. Элемент матрицы называется седловым элементом матрицы .

Замечание. Седловой элемент матрицы одновременно является минимальным в своей строке и максимальным в своём столбце, то есть

Определение 10. Пару чистых стратегий и , соответствующих и , называют седловой точкой игры .

Замечание. Стратегии и , образующие седловую точку, являются оптимальными. Существование седловой точки платёжной матрицы соответствует наличию состояния равновесия в данной матричной игре.

Определение 11. Тройка называется решением игры .

Пример 2.4 . В игре участвуют два игрока. Каждый из них может записать независимо от другого цифры 1, 2 и 3. если разность между цифрами, записанными игроками, положительна, то первый игрок выигрывает количество очков, равное разности между цифрами. Если разность отрицательна, то выигрывает второй игрок. Если разность нулевая, то игра заканчивается вничью. Составить платёжную матрицу и найти цену игры.

Решение. У игрока А есть 3 стратегии:

У игрока В также есть три стратегии:

Данная игра является парной игрой с противоположными интересами (антагонистической), следовательно, для её формального описания достаточно задать платёжную матрицу первого игрока.

Вычислим возможные выигрыши первого игрока:

Тогда платёжная матрица первого игрока примет вид:

Найдём оптимальную стратегию первого игрока. Для этого найдём минимальный выигрыш при каждой его стратегии (минимальный элемент в каждой строке):

Найдём нижнюю цену игры (выберем из минимальных элементов наибольший):

Таким образом, оптимальная стратегия первого игрока:

Найдём оптимальную стратегию второго игрока. Для этого найдём максимальный выигрыш первого игрока при каждой стратегии второго игрока (максимальный элемент в каждом столбце):

Найдём верхнюю цену игры (выберем из максимальных элементов наименьший):

Таким образом, оптимальная стратегия второго игрока:

Отклонение первого игрока от оптимальной стратегии уменьшает его выигрыш. Отклонение второго игрока от оптимальной стратегии увеличивает его проигрыш.

По характеру взаимодействия игры делятся на:

1) бескоалиционные : игроки не имеют права вступать в соглашения, образовывать коалиции;

2) коалиционные (кооперативные) – могут вступать в коалиции.

В кооперативных играх коалиции наперёд определены.

Определение . Если в игре с матрицей А = (нижняя чистая цена равна верхней чистой цене), то говорят, что эта игра имеет седловую точку в чистых стратегиях и чистую цену игры u = = .

Седловая точка – это пара чистых стратегий (i о,j о) соответственно игроков 1 и 2, при которых достигается равенство = .Если один из игроков придерживается стратегии, соответствующей седловой точке, то другой игрок не сможет поступить лучше, чем придерживаться стратегии, соответствующей седловой точке. Математически это можно записать и иначе: , где i, j – любые чистые стратегии соответственно игроков 1 и 2; (i о,j о) – стратегии, образующие седловую точку.

Таким образом, седловой элемент является минимальным в i о -й строке и максимальным в j о -м столбце в матрице А. Отыскание седловой точки матрицы А происходит следующим образом: в матрице А последовательно в каждой строке находят минимальный элемент и проверяют, является ли этот элемент максимальным в своём столбце . Если да, то он и есть седловой элемент, а пара стратегий, ему соответствующая, образует седловую точку. Пара чистых стратегий (i о,j о) игроков 1 и 2, образующая седловую точку и седловой элемент , называется решением игры . При этом i о и j о называются оптимальными чистыми стратегиями соответственно игроков 1 и 2.

Свойства седловых точек:

1. Равноценность. Если в игре несколько седловых точек, то значения функции выигрыша в них одинаковы.

13.Определение смешанной стратегии. Решение игры 2*2 в смешанных стратегиях.

Для каждого игрока можно задать следующие компоненты:

Pia – вероятность применения i-ой стратегии со стороны А.

Если подобрать такой набор Pia , который обеспечивает наибольший выигрыш независимо от действий второй стороны, то этот набор вероятностей {p 1 a , p 2 a , …, p ma } = S A и будет называться смешанной стратегией.

S * A = {p * 1 a , p * 2 a , …, p * ma } – оптимальная смешанная стратегия.

{ S A } – множество смешанных стратегий со стороны А, из которых нужно выбрать оптимальную.

Игра 2*2 в смешанных стратегиях.

Если хотя бы у одной стороны только 2 действия, применим графо-аналитический метод решения. Зададим игру в виде следующей матрицы.

Каждый игрок должен стремиться не вообще к ситуации, в которой значение функции выигрыша максимально или минимально, а прежде всего к такой ситуации, которая может сложиться в процессе игры. Чтобы ситуация могла быть осуществимой, в ней одновременно должны достигаться приемлемые результаты как для игрока I, так и для игрока II. Ситуации, обладающие этим свойством, называются ситуациями равновесия . Именно они могут складываться в результате разумного выбора игроками своих стратегий. При выявлении ситуации равновесия необходимо прежде всего проанализировать последовательно каждую стратегию игрока I с точки зрения наиболее неблагоприятного для него исхода при выборе игроком II одной из своих стратегий. Для этого в - строке матрицы отыскивается минимальное значение выигрыша. Обозначим его , где знаком ( минимум по ) обозначена операция отыскания минимального из значений функции выигрыша при всех возможных .

Числа , которые записаны рядом с матрицей в виде добавочного столбца, характеризуют минимальные выигрыши игрока I с учетом разумных действий игрока II. Поэтому игрок I должен выбрать свою стратегию так, чтобы максимизировать свой минимальный выигрыш, то есть он должен остановиться на той стратегии, для которой число является максимальным. Обозначим максимальное значение через , то есть

Величина называется нижним значением игры или максимином , а соответствующая ей стратегия игрока I – максиминной стратегией .

максиминной стратегии игрок I обеспечивает себе (независимо от поведения противника) гарантированный выигрыш не менее .

Далее проанализируем каждую стратегию игрока II с точки зрения наиболее неблагоприятного для него исхода при выборе игроком I одной из своих стратегий. В результате этого найдем максимальные значения проигрыша, которые обозначим

где знаком ( максимум по ) обозначено максимальное значение функции выигрыша при всех возможных .

Числа , которые записаны под матрицей в виде добавочной строки, характеризуют максимальные проигрыши игрока II с учетом разумных действий игрока I. Поэтому игрок II должен выбрать свою стратегию так, чтобы минимизировать свой максимальный проигрыш. Для этого он должен остановиться на той стратегии, при которой число будет минимальным. Обозначим минимальное значение через , то есть

Величина называется верхним значением игры или минимаксом , а соответствующая ей стратегия игрока II – минимаксной стратегией .

Очевидно, что при выборе наиболее осторожной минимаксной стратегии игрок II не дает возможности ни при каких обстоятельствах игроку I выиграть больше, чем .

Следовательно, если оба игрока ведут себя разумно, то выигрыш игрока I должен быть не меньше, чем максимин , и не больше, чем минимакс , то есть:

Необходимым и достаточным условием выполнения равенства 7.2. является существование седловой точки. матрицы. Термин " седловая точка " заимствован из геометрии. Однако наличие седловой точки в геометрии рассматривается в локальном, а в теории игр – в глобальном плане. То есть, декларируется существование пары целых чисел , для которых оказывается одновременно минимумом своей строки и максимумом своего столбца. Поэтому игрок I, применяя максиминную стратегию , гарантирует себе выигрыш , а игрок II, применяя минимаксную стратегию , не дает ему выиграть больше, чем .

Следовательно, для игрока I лучше всего выбирать стратегию , а для игрока II - . Согласно этому стратегии и называются оптимальными, а гарантированный выигрыш игрока I – значением игры , которое обозначают через .

Совокупность оптимальных стратегий называется решением игры .

Принцип оптимальности, лежащий в основе выбора игроками своих стратегий, называется принципом минимакса . В соответствии с этим принципом (или минимаксным критерием разумности поведения ) каждый способ действия оценивается по наихудшему для него исходу и оптимальным является способ, приводящий к наилучшему из наихудших результатов.

Рассмотрим матрицу игры.

Так, матрица имеет седловую точку , так как цифра 7 является минимумом второй строки и максимумом первого столбца. Следовательно, оптимальной стратегией игрока I является максиминная , а игрока II – минимаксная . Значение игры .

Выбрав свою оптимальную стратегию, игрок I может быть уверен, что он получит по меньшей мере 7, а игрок II, выбрав свою оптимальную стратегию, не допустит, чтобы игрок I получил больше 7. Эти стратегии и составляют решение игры с седловой точкой.

Решение игры с седловой точкой обладает таким свойством: если игроки придерживаются своих оптимальных стратегий, то выигрыш равен значению игры. Если один из игроков придерживается своей оптимальной стратегии, а другой отклоняется от нее, то он только теряет в игре и ни в коем случае не может увеличить свой выигрыш. При этом наличие у любого игрока сведений о том, что другой избрал свою оптимальную стратегию, не служит основанием для выбора какой-либо иной, кроме оптимальной (минимаксной или максиминной ), стратегии. Пара оптимальных стратегий в игре с седловой точкой создает ситуацию равновесия, и любое отклонение от оптимальной стратегии приводит игрока, применяющего неоптимальную стратегию, к невыгодным последствиям. Так, для рассматриваемой игры наличие информации у игрока о том, что игрок I выбрал оптимальную стратегию , не влияет на выбор им своей оптимальной стратегии . В противном случае игрок II даст возможность игроку I выиграть 9 вместо 7.