ИГР ТЕОРИЯ

- теория математических моделей принятия оптимальных решений в условиях конфликтов.

Формальное определение игры. Под конфликтом понимают явление, применительно к к-рому можно говорить, кто и как в этом явлении участвует, какие у него могут быть исходы и кто и как в этих исходах заинтересован. Поэтому для формального задания конфликта необходимо указать: 1) множество участвующих в нем действующих начал (называемых коалициями действи я), 2) семейство множеств r_K стратегий каждой из коалиций действия, 3) множество ситуаций 4). множество П _U заинтересованных начал (называемых коалициями интересов) и 5) семейства бинарных отношений на выражающих предпочтения между ситуациями для коалиций интересов. Система

наз. игрой.

Содержание И. т. состоит в установлении связей между компонентами каждой игры и "оптимальными" ее исходами, и прежде всего: в уточнении самого понятия оптимальности, в доказательстве существования оптимальных исходов и в их фактич. определении. Развитие И. т. приводит к вопросам изучения взаимосвязей между различными играми, что выражается в разработке разного рода исчислений игр, и к рассмотрению классов, пространств, категорий игр.

Классификация игр. Игры, в к-рых совсем нет коалиций интересов пли же имеется лишь одна такая коалиция, являются предметами изучения чисто дескриптивных или же традиционных оптимизационных теорий. Игры в собственном смысле слова имеют не менее двух коалиций интересов.

Обычно в И.т. как коалиции действия, так и коалиции интересов принято атомизировать и считать как те, так и другие подмножествами нек-рого множества I, элементы к-рого наз. игроками. Вначале множество игроков в игре принималось конечным, но позднее (1970-е гг.) начали изучаться игры и с бесконечными и притом неатомическнми множествами игроков.

Для игр с одной коалицией действия множество всех ситуаций можно принять за множество стратегий этой единственной коалиции действия и далее о стратегиях не упоминать. Поэтому такие игры наз. нестратегическими. В отличие от них, все остальные игры, с двумя или более коалициями действия, наз. стратегическими.

Весьма широкий класс нестратегич. игр может быть получен следующим образом. Пусть I- множество игроков, и Каждому игроку ставится в соответствие координатная прямая Е ⁱ, принимаемая за шкалу его полезностей, а каждой коалиции интересов - произведение Наконец, вводятся множества для каждого и множество (элементы к-рого наз. дележами) и по определению принимается, что для дележей х, имеет место ("дележ x доминирует дележ упо коалиции K") тогда и только тогда, когда х, у(v(K) ХЕ ^I'K)Н и x_i>y_i для всех Такие игры наз. играми без побочных платежей. Они описывают положение, при к-ром каждая коалиция интересов К может форсированно обеспечить для своих членов в качестве выигрышей компоненты любого вектора из v(K), а общие соображения целесообразности делают нерациональным выбор дележей вне Н. Обычно множества v(K)подчиняются нек-рым естественным условиям: 1) v(K)является непустым замкнутым и выпуклым множеством, 2) если и

(неравенство векторов понимается покомпонентно), то ("кто способен на большее, способен и на меньшее"), 3) если то (коалиции Ки Lвместе могут добиться не меньшего, чем порознь), 4) Н состоит из всех таких векторов что для каждого из них найдется вектор для к-рого (таким образом, v{I )состоит из всех таких векторов выигрышей х, что I может дать своим членам не менее чем х; Н состоит из таких векторов х, что I может дать своим членам ровно х). В частности, если

где v(K)- некоторое действительное число, а

то получится классическая кооперативная игра. В этом случае определение v(K)означает возможность коалиции Куверенно добиться суммарного выигрыша v(K)и произвольно перераспределить его между своими членами. Определение Нозначает, что общая распределяемая в игре сумма есть v(I)(распределять меньшую сумму невыгодно; большей же просто нет!), а каждый игрок iбудет соглашаться лишь на долю x_i, не меньшую, чем та сумма v(i), к-рую он может уверенно получить самостоятельно.

Эсновной класс стратегич. игр составляют бескоалиционные игры, в к-рых множество игроков I совпадает с множествами коалиций действия и коалиций интересов Каждый игрокимеет в своем распоряжении множество стратегий в качестве множества всех ситуаций принимается декартово произведение а отношение предпочтения описывается функцией выигрыша H_i:r->Eⁱ причем тогда и только тогда, когда Н _i( х')>Н _i(x").

Таким образом, бескоалиционная игра может быть описана в виде тройки Г= >.

Если все множества стратегий конечны, то и бескоалиционная игра Г наз. конечной. Конечные бескоалиционные игры с двумя игроками (I={I, II}) наз. биматричными играми..

Если I={I, II} и Н _I (х)=-H_II(x) для всех то игра Г наз. антагонистической игрой. Всякая антагонистич. игра может быть задана в виде тройки где и - множества стратегий, соответственно, игроков I и II, а H - функция выигрыша игрока I. Конечные антагонистич. игры наз. матричными играми.

Если в антагонистич. игре то всякая ситуация в такой игре описывается точкой из квадрата [0, 1][0, 1]; такие игры наз. играми на единичном квадрате.

Пусть I - множество игроков, - множества их стратегий; X- множество, элементы к-рого наз. позициями; Т- множество, элементы к-рого имеют смысл моментов времени; т. е. f ставит в соответствие каждой ситуации определяемой игры отношение, заданное на Тсо значениями в всякий f-образ ситуации наз. партией (множество всех партий обозначается через и, наконец, Сиcтема

наз. общей позиционной игрой. В конечном счете в такой игре выигрыш каждого игрока вполне определяется складыварщейся ситуацией, т. е. выбором стратегий всеми игроками. Поэтому такие игры относятся к числу бескоалиционных игр.

Пусть в общей позиционной игре Г компонента Xявляется конечномерным евклидовым пространством, Т- множеством действительных чисел, а j:Х. Пусть рассматриваются ситуации для которых система дифференциальных уравнений

(равенство понимается как векторное) имеет при данных начальных условиях единственное решение. Тогда каждая ситуация определяет некоторую партию, к-рая в данном случае наз. траекторией. Так определенная игра наз. дифференциальной игрой.

К числу общих позиционных игр относятся также позиционные игры и динамические игры (в том числе стохастические игры, рекурсивные игры, а также игры на выживание).

Основные результаты теории игр. Основная проблематика в И. т. связана с принципами оптимальности, которые, во-первых, должны в достаточной мере отражать содержательные представления об оптимальности, а во-вторых, должны быть реализуемыми на достаточно широких и естественно очерченных классах игр. Эти два требования, предъявляемые к принципам оптимальности, в известной мере противоречат друг другу, и поэтому для многих содержательно естественных классов игр И. т. еще не выработала соответствующих принципов оптимальности. Вместе с тем известны классы игр, обслуживаемые с равным успехом несколькими различными принципами оптимальности. Поэтому конструирование и анализ принципов оптимальности являются существенной составной частью И. т. Каждый принцип оптимальности реализуется (не обязательно однозначно) в виде множества ситуаций-оптимумов. Это множество (к-рое может оказаться пустым) наз. решением.

Логической основой каждого решения являются нек-рые черты обычного экстремума, сформулированные применительно к одновременной экстремизации нескольких функций. Поэтому, помимо стремления к наибольшим (в арифметическом смысле) значениям выигрышей, решения игр могут выражать нек-рые характеристики устойчивости и симметрии, а также различные комбинации того и другого.

Так, среди черт оптимальности в нестратегич. играх можно назвать недоминируемость, т. е. соглашение считать оптимальными те и только те ситуации х, для к-рых ни при какой ситуации уи коалиции интересов Кне может быть (множество оптимальных в этом смысле ситуаций наз. с-ядром игры). Другой принцип оптимальности состоит в сочетании внутренней п внешней устойчивости; это означает, что множество ситуаций R объявляется решением, если при х,. и не может быть а по всякому xПR найдутся такие zОR и что (такое Rназ. решением игры по Нейману - Моргенштерну). Можно формализовать Угрозы, предъявляемые одними коалициями другим, а также ответные контругрозы, и объявить устойчивой всякую ситуацию, в к-рой каждая угроза может парироваться контругрозой. Множество всех устойчивых в этом смысле ситуаций наз. k-я дро м игры. Представляет также интерес понимание оптимальности как своеобразной "справедливости", задаваемой нек-рой системой аксиом. Для кооперативных игр сформулирована такая аксиоматика, приводящая к единственному дележу (ситуации), называемому Шепли вектором. В стратегич. играх основой принципа оптимальности является идея равновесия. При этом оптимальными объявляются такие ситуации, отклонения от к-рых любым игроком не приводят к увеличению его выигрыша. Один и тот же принцип оптимальности, формулируемый для различных по объему классов игр, может приобретать различное содержательное выражение. Так, описанный принцип равновесия в случае антагонистич. игр превращается в минимакса принцип.

Формулы и алгоритмы, позволяющие находить решения игр, также можно отнести к числу принципов оптимальности (с узкой областью применимости). Напр., в матричной игре с диагональной матрицей выигрышей принципом оптимальности можно считать выбор игроками стратегий с вероятностями, обратно пропорциональными соответствующим диагональным элементам матрицы. Реализуемость принципа оптимальности для нек-рого класса игр состоит в существовании для всех игр этого класса соответствующих (непустых) множеств оптимумов. Их отсутствие в первоначально заданных ситуациях может преодолеваться путем расширения множеств стратегий (и тем самым - множеств конструируемых из них ситуаций). Для бескоалиционных игр плодотворно используются смешанные (рандомизированные) стратегии.

Большинство доказательств теорем существования решений в И. т. носит неэффективный характер (многие из них опираются на теоремы о неподвижной точке) и не содержат алгоритмов нахождения решений. Поэтому в И. т. важны частные аналитические и численные методы нахождения решений. При этом вопрос о фактическом нахождении решений игр нередко оказывается очень сложным, и ответ на него удается найти лишь для весьма узких классов игр.

В разработке исчислений игр можно выделить несколько направлений. Изучаются возможности нахождения и описания (хотя бы частичного) решений одной игры на основе решений другой игры, в том или ином смысле более просто устроенной. Элементарными примерами таких редукций могут служить естественное отбрасывание доминируемых стратегий игроков в бескоалиционных играх, симметризация таких игр, а также аппроксимации бесконечных игр конечными. Редукционным процессом можно считать также предложенное Дж. Нейманом (J. Neumann) построение кооперативной модели бескоалиционной игры. Известны и обратные результаты, указывающие на принципиальную несводимость решений игр того или иного класса к решению игр более узкого класса. Напр., можно указать бескоалиционные игры трех лиц, решение к-рых связано с выполнением иррациональных операций, в то время как решение биматричных игр всегда осуществимо при помощи рациональных операций.

Фиксация одних компонент в играх нек-рого класса (напр., множества игроков и множеств их стратегий в условиях класса всех бескоалиционных игр) и различение игр по остальным компонентам (в данном примере - по функциям выигрыша игроков) приводит к рассмотрению пространств игр, к-рое осуществляется средствами функционального анализа и топологии. Введение на таких пространствах игр вероятностной меры приводит к стохастич. играм.

Связи теории игр с другими разделами математики. И. т. тесно связана с различными разделами математики. Как общая теория множеств с несколькими бинарными отношениями, она близка алгебре. В И. т. используется весьма разнообразный математич. аппарат, а большое число вполне традиционных математич. задач допускает теоретико-игровые обобщения. Оптимальные поведения в стратегич. играх обычно оказываются рандомизированными, поэтому теоретико-вероятностные понятия настолько естественно входят в И. т. и употребляются в ней, что одно время даже было принято считать И. т. частью теории вероятностей.

Математич. модели исследования операций (являющиеся моделями принятия оптимальных решений) естественно распределяются по трем уровням: детерминированному, стохастическому и неопределенному - в зависимости от степени информированности принимающих решения субъектов. Принятие решения в условиях неопределенности можно интерпретировать как конфликт принимающего решение субъекта против "природы" и тем самым - как игру. По существу к играм относятся и все многокритериальные задачи.

Поэтому И. т. в ее методологич. основах и в практич. ориентированности можно считать разделом исследования операций.

И. т. является рдной из составных частей математич. аппарата кибернетики. В динамич. играх стратегии выступают как функции "информационных состояний" игроков, причем в ходе игры игроки могут приобретать или утрачивать информацию. Это обусловливает связь И. т. с информации теорией.

Приложения теории игр. Помимо разнообразных связей внутри математики, И. т. имеет многочисленные приложения вне ее. Они касаются главным образом тех отраслей знаний и видов практич. деятельности, к-рые непосредственно имеют дело с конфликтами: военного дела, капиталистич. экономики (в частности, И. т. применяется в вопросах борьбы фирм за рынки, в явлениях олигополии, в планировании рекламных компаний, при формировании цен на конкурентных рынках, в биржевой игре и т. д.), права и т. п. С позиций И. т. можно рассматривать и различные явления в условиях плановой экономики (напр., вопросы централизации и децентрализации управления производством, преодоление ведомственных противоречий, оптимальное планирование по нескольким показателям, планирование в условиях неопределенности, порождаемой, напр., технич. прогрессом, и т. д.).

Исторический очерк. Зарождение И. т. как математич. дисциплины можно отнести к тому же письму Б. Паскаля (В. Pascal) к П. Ферма (P. Fermat) от 29 июля 1654, к-рое принято считать началом математич. теории вероятностей. В дальнейшем отдельные идеи, к-рые можно отнести к теоретико-игровым, высказывались Вальдегравом (Waldegrave, 1712; нахождение оптимальных смешанных стратегий в игре "проходящий туз"), Д. Бернулли (D. Bernoulli, 1732; анализ "петербургской игры"), П. Лапласом (P. Laplace, 1814; рассмотрение принципов оптимальности) и Ж. Бертраном (J. Bertrand, 1888; теоретико-игровой подход к игре в бакара). Ряд по существу теоретико-игровых утверждений был в эквивалентной форме рассмотрен в других разделах математики: в теории наилучших приближений (П. Л. Чебышев), в геометрии выпуклых многогранников [Г. Минковский (Н. Minkowski)], в теории линейных неравенств [Э. Штимке (Е. Stiemke)]. В 1911 Э. Цермело (Е. Zermelo) описал теоретико-игровой подход к шахматной игре; в 1921 Э. Борель (Е. Borel) начал систематич. изучение матричных игр, доказав для нек-рых случаев существование оптимальных смешанных стратегий. В 1928 вышла в свет работа Дж. Неймана "К теории стратегических игр", содержащая основные идеи современной И. т. Эти идеи были детально разработаны Дж. Нейманом и О. Моргенштерном (О. Morgenstern, [1]). С тех пор И. т. вошла в число разделов современной математики.

Лит.:[1] Нейман Дж., Моргенштерн О., Теория игр и экономическое поведение, пер. с англ., М., 1970; [2] Льюс Р., Райфа X., Игры и решения, пер. с англ., М., 1961: [3] Карлин С, Математические методы в теории игр, программировании и экономике, пер. с англ., М., 1964; [4] Воробьев Н. Н., "Успехи матем. наук", 1970, т. 15, в. 2, с. 80-140; [5] Оуэн Г., Теория игр., пер. с англ., М., 1971; [6] Партхасаратхи Т., Рагхаван Т., Некоторые вопросы теории игр двух лиц, пер. с англ., М., 1974; [7] Воробьев Н. Н., Теория игр. Лекции для экономистов-кибернетиков, Л., 1974; [8] его же, Entwicklung der Spieltheorie, В., 1975; [9] Теория игр. Аннотированный указатель публикаций по 1968 г., Л., 1976; [10] Журнал "International Journal of Game Theory", Vienna (выходит с 1971).

H. H. Воробьев.