读书笔记: 博弈论导论 - 总结

读书笔记: 博弈论导论 - 总结

总结

本文是Game Theory An Introduction (by Steven Tadelis) 的学习笔记的总结。

博弈论

博弈论是关于智能理性决策者的协作和冲突的数学模型的研究。

博弈论的目的可以说是研究寻找博弈均衡的方法。
博弈论的直接目标不是找到一个玩家的最佳策略，而是找到所有玩家的最理性策略组合。
我们称最理性策略组合为均衡。

博弈论（也叫逆向博弈论）的另外一个作用是机制设计，根据期望的结果，设计一个博弈体系。

博弈论的分类

这本书中将博弈论的只是分为四类：

  • 完整信息的静态博弈
  • 完整信息的动态博弈
  • 不完整信息的静态博弈
  • 不完整信息的动态博弈

博弈论的数学模型

  • 普通形式博弈(normal-form game)的数学表达

    1. 一个有限的玩家集合, \(N = {1, 2, \cdots, n}\)
    2. 每个玩家的纯策略集合的组合, \({S_1, S_2, \cdots, S_n}\)
    3. 一套收益函数, \({v_1, v_2, \cdots, v_n}\)，对于每个玩家，每一种所有玩家选择的策略组合，都有一个收益值。
      $v_i: S_1 \times S_2 \times \cdots \times S_n \text{ for each } i \in N $

  • 贝叶斯博弈(Bayesian Game)
    用于描述不完整信息博弈。

\[\left \langle N, \{ A_i \}_{i=1}^n, \{ \Theta_i \}_{i=1}^n, \{ v_i(\cdot; \theta_i), \theta_i \in \Theta_i \}_{i=1}^n, \{ \phi_i \}_{i=1}^n \right \rangle \\ where \\ N = \{ 1,2,\cdots, n\} \text{ : is the set of players} \\ A_i \text{ : the action set of player i} \\ \Theta_i \text{ : the type space of player i} \\ v_i : A \times \Theta_i \to \mathbb{R} \text{ : type dependent pay of function of player i} \\ \phi \text{ : the belief of player i with respect to the uncertainty over the other players' types} \\ \phi(\theta_{-i} | \theta_i) \text{ : the posterior conditional distribution on } \theta_{-i} \]

术语

  • 静态博弈(static game) vs 动态博弈(dynamic game)
    静态博弈指所有玩家同时、独立做出选择。也叫做同时博弈(Simultaneous game)
    动态博弈指所有玩家按照次序做出选择。也叫做序贯博弈(Sequential game)、序列博弈。

  • 完整信息博弈(Complete information game) and 不完整信息博弈(Incomplete information game)
    完整信息博弈是指所有知识被所有玩家都了解，就是成为了公共知识。
    不完整信息博弈是指一个玩家不知道其他玩家的部分信息(actions, outcomes, payoffs)。

  • 完美信息博弈(Information perfect game) vs 不完美信息博弈(Information imperfect game)
    完美信息博弈指一个玩家知道对手做出了选择，并且知道对手的选择是什么。比如：围棋。
    不完美信息博弈指一个玩家知道对手做出了选择，但是不知道对手的选择是什么。比如：德州扑克。

  • 普通形式博弈(Normal-Form Game) vs 扩展形式博弈(Extensive-Form Game)
    博弈的数学化定义方式。
    普通形式博弈比较简单，适用描述信息较少的情况，比如：两个玩家的纯策略的静态博弈。
    扩展形式博弈用于形式化描述博弈。无论完美信息还是不完美信息，完整信息还是不完整信息都可以。
    针对不完美信息，支持信息集的概念。
    针对不完整信息，支持Nature和类型概念。

  • Subgame-perfect equilibrium
    这里主要说perfect这个词，这个词和equilibrium用在一起时，常常有精炼(refinement)的意思，表示优化均衡的结果。

  • 序贯(sequential)
    序贯表示连续的。

  • 信念(beliefs)，
    玩家i的一个信念就是他的对手们的一个可能的策略组合。

  • 最佳反应(Best Response)
    当其他玩家策略已知时，玩家i的优势策略就是其最佳反应。
    这是博弈论的中心。理性，序贯理性的意味就是最佳反应。均衡的结果也来自于最佳反应。
    最佳反应：对于玩家i，给定其对其他玩家的信念，他会选择在这个信念上对自己最好的行为。

  • 序贯理性(Sequential Rationality)
    在博弈中的每个阶段，玩家都保持理性。

  • 信任系统(a system of beliefs)
    对每个信息集上一个行动的选择概率。见后面的数学定义。

  • 信誉(Reputation)
    在博弈论中，玩家为了证明自己的信誉（自己的类型），会选择一种行为，这种行为只会对自己的类型有益，而对其它类型有损失。

经典博弈问题

  • 囚徒困境(Prisoner's Dilemma)
    两个囚徒选择沉默(mum)和告密(flink)的一个静态博弈问题。
玩家2
m f
玩家1 M 4, 4 -1, 5
F 5, -1 1, 1
  • 报复博弈(Revenge Game)
    报复博弈一般和囚徒困境组成一个两阶段博弈。
    两个囚徒在玩完囚徒困境后，进入报复博弈，选择单独人(loner)和加入帮派(gang)的一个静态博弈问题。
玩家2
l g
玩家1 L 0, 0 -4, -1
G -1, -4 1, 1
  • 古诺双寡头(The Cournot Duopoly)
  • (p-Beauty Contest)
  • 两性之争(the Battle of the Sexes)

策略

一个策略是一个玩家在博弈中，根据当时的情况，选择其行动的逻辑。
策略有各种各样的。我们可以想象每个策略都是如果这样，我就选择行动X，等等。
博弈理论中定义了一些策略。

  • 纯策略(Pure Strategy)
    玩家总是选择一个特定的行动。

  • 混合策略(Mixed Strategy)
    玩家在选择行动上有一个可能性分布。但是最终会选择一个纯策略。

  • 行为策略(Behavioral Strategy)
    玩家在选择行动上有一个可能性分布。一般用于动态博弈的自然选择，所以总是使用这个可能性分布来计算（期望收益等）。

    正式的说法是：对每个信息集指定一个行动上的独立可能性分布。

  • 条件选择策略(Conditional Play)
    如果怎样，我会怎样的策略。

  • 奖罚策略(Reward-and-punishment Strategy)
    好行为被奖励，坏行为被惩罚的策略。用于多阶段博弈。

  • 残忍触发策略(Grim-trigger strategy)
    在第一阶段上选择一个合作（符合子博弈精炼均衡）的行动；
    在以后的阶段里，继续选择这个合作行动，当且仅当对方也一直选择合作的行动；否则选择惩罚性的行动。

  • 使用第三方作为信誉机制(Third-Party Institutions as Reputation Mechanisms)
    在多阶段博弈中，如何保证协作的一种机制。
    玩家1：如果玩家2支付保证金给玩家3（第三方），则信任玩家2，否则不信任。
    玩家2：在阶段1，支付保证金给玩家3。在以后的阶段中，如果玩家3一直遵守保证金协议，则继续支付保证金。
    如果支付保证金了，则于玩家1合作，否则叛变。
    玩家3：（保证金协议）在一个阶段中，如果玩家2合作，则返回保证金给玩家2；否则不返回保证金。

  • 不使用第三方的信誉机制(Reputation Transfers without Third Parties)
    在多阶段博弈中，如何保证协作的一种机制。
    玩家\(P_1^1\)：如果玩家\(P_2^1\)创建了一个唯一的商标，则信任玩家\(P_2^1\)，否则不信任。
    玩家\(P_2^1\)：在阶段1，选择一个唯一的商标，和玩家1合作。然后，把商标以价格\(p^* > 1\)卖给下家（玩家\(P_2^2\)）。
    玩家\(P_1^t(t>1)\)：如果1) 玩家\(P_2^t\)从玩家\(P_2^{t-1}\)手里买了这个唯一的商标，2) 而且这个商标没有被滥用（叛变）过，则信任玩家\(P_2^t\)，否则不信任。
    玩家\(P_2^t(t>1)\)：如果1) 玩家\(P_2^{t-1}\)从玩家\(P_2^{t-2}\)以价格\(p^*\)手里买了这个唯一的商标，2) 而且这个商标没有被滥用（叛变）过，和玩家\(P_1^t(t>1)\)合作。然后，把商标以价格\(p^*\)卖给下家（玩家\(P_2^{t+1}\)）。

方法

  • 严格劣势策略(strictly dominated strategy)
    一个理性玩家不会选择一个严格劣势策略。

  • 优势策略(Dominant Strategy)
    如果有的话，玩家一定会选择优势策略。

  • 帕累托优势(pareto dominate)

  • 重复剔除严格劣势均衡(Iterated elimination of strictly dominated strategies (IESDS))
    如果能够找到一个严格劣势策略，将其删除掉，简化了博弈；
    然后在简化的博弈中，重复上面的过程，直到有一个优势策略为止。

  • 纳什均衡(Nash equilibrium)
    纳什均衡的定义是：在一个策略组合中，如果一个玩家i，当其他所有玩家的策略都不变时（是这个策略组合中的玩家策略），玩家i的策略是个最佳反应。
    如果这个条件对每个玩家都成立，则这个策略组合是一个纳什均衡。
    纳什均衡的概念可以从纯策略组合，推广到混合策略（期望收益）、（动态博弈的）行为策略、（不完整信息）贝叶斯纳什均衡。

纳什证明了每个博弈都至少有一个纳什均衡。

纳什均衡相当于在博弈论中发现了一个新大陆。
一个问题是纳什均衡的解往往很多，因此，有一个精炼的概念，就是我们常常看到词perfect，其目的是近一步减少纳什均衡的解。

  • 子博弈精炼(Subgame perfection)
    子博弈精炼是对纳什博弈的一种优化。
    要求对于一个行为策略组合\(\sigma^*\)，满足在任何一个合适的子博弈中，这个行为策略组合\(\sigma^*\)都是一个纳什均衡。

  • 逆向归纳法(Backward induction solution)
    在扩展形式博弈树中，可以形象的看出：
    从底层开始，玩家在每个父节点的子节点集合中，选择出(最佳反应的)其会获得最大收益的行为。每个父节点会对应一个或者几个最佳反应节点。
    将这些节点的收益值作为其父节点的收益值。
    重复迭代可以找到所有玩家的一个子博弈精炼均衡。

  • 贝叶斯纳什均衡(Bayesian Nash equilibrium)
    可以说是纳什均衡在不完整信息博弈中的扩展。大概的意思是计算了其他玩家类型的分布概率上的收益期望。
    注意：子博弈精炼不适用于不完整信息博弈，主要原因是不知道其他玩家的类型，导致在子博弈上难以确定收益。

  • 精炼贝叶斯均衡(perfect Bayesian equilibrium)
    在不完整信息博弈中，精炼贝叶斯均衡是一个贝叶斯纳什均衡和一个信任系统的组合，并需要满足下面四个需求：
    精炼贝叶斯均衡(perfect Bayesian equilibrium)的四个需求：

    • 需求 15.1
      每个玩家在每个信息集上，都将有一个意义明确的信念（关于他的位置）。也就是说博弈将有一个信念体系。
    • 需求 15.2
      \(\sigma^* = (\sigma_1^*, \cdots, \sigma_n^*)\)是一个不完整信息博弈的贝叶斯纳什均衡，我们要求在所有信息集上，在均衡路径上的信念符合贝叶斯规则。
    • 需求 15.3
      对于不在均衡路径上的信息集，其信念值可以是任何值。
    • 需求 15.4
      给定玩家的信念，玩家的策略必须是序贯理性。也就是说在每一个信息集上，玩家将选择信念对应的最佳反应。

原理

单阶段偏差原理(The One-Stage Deviation Principle)

在理解单阶段偏差原理之前，我们先回顾一些背景知识：

  • 每个博弈都存在至少一个纳什均衡。
  • 在有限多阶段博弈中，如果每个阶段博弈都有唯一的纳什均衡，则多阶段博弈的最优结果就是这些纳什均衡的组合（的路径）。
  • 在有限多阶段博弈中，如果至少有一个阶段博弈有多个的纳什均衡，则多阶段博弈的最优策略组合可能会偏离阶段博弈的纳什均衡。

那么在多阶段博弈中，在多阶段博弈的扩展形式博弈树(extensive-form game tree)上，一条路径的收益是容易得到的，只要求出每个阶段博弈的收益总和就可以了。
这样，我们也可以比较容易计算两条路径中，哪个更优（一般和折扣率有关）。

问题是：对于玩家i来说，当其他玩家的策略组合\(\sigma_i\)给定的时，如何找到玩家i的最佳反应(best response)？
注：这里的策略可以是任何策略，比如纯策略，混合策略，条件策略等。
这里边，一个比较麻烦的问题是路径太多。比如：考虑一下一个有五个阶段的博弈。
幸运的是，上面这个骇人的问题可以被简化- 这就是单阶段偏差原理。

单阶段偏差原理的含义是，当其他玩家的策略组合\(\sigma_i\)给定的时，判断玩家i的一条路径是否最优，只要看这个路径（策略）是不是单点不可改善(one-shot unimprovable)。
因此只要检测和它有一个信息集不同的那些路径就可以了。
比如：如果一个阶段博弈有A和B两个行动，在一个三阶段的重复博弈中，判断一条玩家的路径（策略）AAA是否是不可改善，只需要对比BAA，ABA和AAB就可以了。
很明显，这个原则只适合于有限多阶段博弈。

其实原书中，对于Prisoner-Revenge Game，计算折扣率，可以看成对单阶段偏差原理的过程描述，只不过只是比较两个路径。

下面加上书中的定义和定理，以供参考。
单阶段偏差原理表述如下:

一个阶段的不可改善策略必定是最优的。
这意味着，如果在一个阶段博弈中，存在一个单阶段不可改善策略，则不会发生偏离，也就是不存在非纳什均衡的最优策略。
反之，则一定会发生偏离的情况。

单阶段不可改善策略的定义如下：

一个策略\(\sigma_i\)是单阶段不可改善的，则:
不存在信息集\(h_i\)和行动\(a \in A_i(h_i)\)和对应的策略\(\sigma_i^{a, h_i}\)（其为除了信息集\(h_i\)以外，和\(\sigma_i\)都一致的策略），有\(\sigma_i^{a, h_i} > v_i(\sigma_i, h_i)\)。

参照见One-shot deviation principle

基本数学符合

\(\Gamma\): 博弈(game)
\(N\): 玩家(player)集合
\(i\): 玩家i, \(i \in N\)
\(X\): 结果(outcome)集合。
\(X_i\): 玩家i的结果(outcome)集合。
\(x_i\): 玩家i的一个结果(outcome)。

\(S\): 策略集合(strategy set), \(S \equiv S_1 \times S_2 \times \cdots \times S_n\).
\(S_i\): 玩家i的策略集合(strategy set)
\(S_{-i}\): 除去玩家i的策略集合(strategy set), \(S_{-i} \equiv S_1 \times S_2 \times \cdots \times \S_{i-1} \times \S_{i+1} \times \cdots \times S_n\).
\(s = (s_1, s_2, \cdots, s_n)\): 表示所有玩家的一个策略组合。
\(s_i\): 玩家i的一个策略(strategy)，\(s_i \in S_i\)。
\(s_{-i} = (s_1, s_2, \cdots, s_{i-1}, s_{i+1}, \cdots, s_n)\): 表示除了玩家i，以外的所有玩家的一个策略组合。
\(A_i\): 玩家i的行动集合。
\(a_i\): 玩家i的一个行动，\(a_i \in A_i\)。
\(\mathbb{R}\)AAAAA: 实数。
\(u_i: X \to \mathbb{R}\): 玩家i的收益函数，基于一个结果组合。
\(v_i: s \to \mathbb{R}\): 玩家i的收益函数，基于一个策略组合。
\(H_i\): 玩家i的信息集的集合
\(h_i\): 玩家i的一个信息集，\(h_i \in H_i\)。
\(A_i(h_i)\): 玩家i的一个信息集\(h_i\)对应的行动集合。
\(s_i(h_i)\): 玩家i的一个纯策略。\(s_i(h_i) \in A_i(h_i)\)
\(T\): 多阶段博弈的所有时期。
\(t\): 多阶段博弈的一个时期。

\(p(x_k | a)\): 采取行动a时，产生结果\(x_k\)的概率。
\(E(u(x) | a)\): 采取行动a的期望收益。
\(0 < \delta < 1\): （多阶段博弈中的）折扣率。

动态博弈(Dynamic Game)

策略组合\(\sigma = (\sigma_1, \cdots, \sigma_n)\): 一个动态博弈的混合策略组合(mixed strategies profile)。

不完整信息博弈

\(\Theta\) : 所有玩家的类型空间(type space)集合。
\(\Theta_i = \{ \theta_{i1}， \cdots， \theta_{ik}\}\) : 玩家i的类型空间(type space)。
\(\theta_i\) : 玩家i的类型(type)。
\(\theta_{-i}\) : 除了玩家i以外其他玩家的类型(type)。
\(\phi_i\) : 玩家 i 对其他玩家 type 的信任分布概率。
\(v_i(a; \theta_i)\) : 当在type \(\theta_i\)下，依赖于一个行动组合的玩家收益函数，

机制设计

\(m_i \in \mathbb{R}\) : 玩家i的资金。
\(Y\) : 所有玩家（机制设计的）结果组合集合。
\(y = (x, m_1, \cdots, m_n)\) : 所有玩家（机制设计的）一个结果组合。
\(\Gamma = \langle A_1, \cdots, A_n, g(\cdot) \rangle\) : 一个机制。

不完整信息的动态博弈

\(\mu\): 信任系统(a system of beliefs)，对每个信息集上一个行动的选择概率。

\[\mu(x) \in [0, 1] \\ \sum_{x \in h} \mu(x) = 1, \forall h \in H \]

参照

posted @ 2018-02-06 16:18  SNYang  阅读(6714)  评论(0)  编辑  收藏  举报