1.1.1 Определение, примеры и решения матричных игр в чистых стратегиях

Матричная игра двух игроков с нулевой суммой может рассматриваться как следующая абстрактная игра двух игроков.[2]

Первый игрок имеет т стратегий i =1, 2,…, т, второй имеет п стратегий j = 1, 2,…, п. Каждой паре стратегий (i, j) поставлено в соответствие число a_ij, выражающее выигрыш первого игрока за счет второго игрока, если первый игрок применит свою i-ю стратегию, а второй -- свою j-ю стратегию.

Каждый из игроков делает один ход: первый игрок выбирает свою i-ю стратегию (i =1, 2,…, т), второй --свою j-ю стратегию ( j = 1, 2,…, п), после чего первый игрок получает выигрыш a_ij за счет второго игрока (если a_ij < 0, то это значит, что первый игрок платит второму сумму a_ij ). На этом игра заканчивается.

Каждая стратегия игрока i = 1, 2,…, т; j = 1, 2,…, п часто называется чистой стратегией.

Матричная игра двух игроков с нулевой суммой далее будет называться просто матричной игрой. Очевидно матричная игра относится к антагонистическим играм. Из ее определения следует, что для задания матричной игры достаточно задать матрицу А = (a_ij) порядка тп выигрышей первого игрока.[2]

Если рассмотреть матрицу выигрышей

(1.1)

то проведение каждой партии матричной игры с матрицей А сводится к выбору первым игроком i-й строки, а вторым игроком j-го столбца и получения первым игроком (за счет второго) выигрыша , находящегося в матрице А на пересечении i-й строки и j-го столбца.

Для формализации реальной конфликтной ситуации в виде матричной игры надо выделить и перенумеровать чистые стратегии каждого игрока и составить матрицу выигрышей.

Следующий этап -- это определение оптимальных стратегий и выигрышей игроков.

Главным в исследовании игр является понятие оптимальных стратегий игроков. В это понятие интуитивно вкладывается такой смысл: стратегия игрока является оптимальной, если применение этой стратегии обеспечивает ему наибольший гарантированный выигрыш при всевозможных стратегиях другого игрока. Исходя из этих позиций, первый игрок исследует матрицу А своих выигрышей по формуле (1.1) следующим образом: для каждого значения i (i =1, 2,…, т) определяется минимальное значение выигрыша в зависимости от применяемых стратегий второго игрока

(i = 1, 2,..., m) (1.2)

т. е. определяется минимальный выигрыш для первого игрока при условии, что он применит свою i - ю чистую стратегию, затем из этих минимальных выигрышей отыскивается такая стратегия i=i₀, при которой этот минимальный выигрыш будет максимальным, т. е. находится

= = б. (1.3)

Определение. Число б, определенное по формуле (1.3), называется нижней чистой ценой игры и показывает, какой минимальный выигрыш может гарантировать себе первый игрок, применяя свои чистые стратегии при всевозможных действиях второго игрока.[2]

Второй игрок при оптимальном своем поведении должен стремиться по возможности за счет своих стратегий максимально уменьшить выигрыш первого игрока. Поэтому для второго игрока отыскивается

(1.4)

т. е. определяется максимальный выигрыш первого игрока, при условии, что второй игрок применит свою j-ю чистую стратегию, затем второй игрок отыскивает такую свою j = j₁ стратегию, при которой первый игрок получит минимальный выигрыш, т. е. находит

= = в. (1. 5)

Определение. Число в, определенное по формуле (1.5), называется чистой верхней ценой игры и показывает, какой максимальный выигрыш за счет своих стратегий может себе гарантировать первый игрок. Другими словами, применяя свои чистые стратегии первый игрок может обеспечить себе выигрыш не меньше б, а второй игрок за счет применения своих чистых стратегий может не допускать выигрыш первого игрока больше, чем в.

Определение. Если в игре с матрицей А нижняя и верхняя чистые цены игры совпадают, т. е. б = в, то говорят, что эта игра имеет седловую точку в чистых стратегиях и чистую цену игры:

н = б = в (1.6)

Седловая точка -- это пара чистых стратегий () соответственно первого и второго игроков, при которых достигается равенство

б = в (1.7)

В понятие седловой точки вложен следующий смысл: если один из игроков придерживается стратегии, соответствующей седловой точке, то другой игрок не сможет поступить лучше, чем придерживаться стратегии, соответствующей седловой точке. Имея в виду, что лучшее поведение игрока не должно приводить к уменьшению его выигрыша, а худшее -- может приводить к уменьшению его выигрыша, эти условия можно записать математически в виде следующих соотношений:

(1.8)

где i, j -- любые чистые стратегии соответственно первого и второго игроков; (i₀, j₀) -- стратегии, образующие седловую точку. Ниже будет показана эквивалентность определения седловой точки условиям (1.8). [2]

Таким образом, исходя из (1.8), седловой элемент является минимальным в i₀-й строке и максимальным в j₀-м столбце в матрице А. Отыскание седловой точки матрицы А происходит легко: в матрице А последовательно в каждой строке находят минимальный элемент и проверяют, является ли этот элемент максимальным в своем столбце. Если он является таковым, то он и есть седловой элемент, а пара стратегий, соответствующая ему, образует седловую точку. Пара чистых стратегий (i₀, j₀) первого и второго игроков, образующая седловую точку и седловой элемент называется решением игры.

Чистые стратегии i₀ и j₀ образующие седловую точку, называются оптимальными чистыми стратегиями соответственно первого и второго игроков.

Теорема 1. Пусть f (х, у) вещественная функция двух переменных х А и у В и существует

в= (1.9)

тогда б = в.

Доказательство. Из определения минимума и максимума следует, что

f(x, у) (1.10)

Или

. (1.11)

Поскольку в левой части (1.11) х любое, то

. (1.12)

В правой части неравенства (1.12) у любое, поэтому

(1.13)

что и требовалось доказать. [2]

В частности, матрица () есть частный случай функции f (х, у), т. е. если положить х = i, у = j, = f (х, у), то из теоремы 1 получим, что нижняя чистая цена не превосходит верхнюю чистую цену игры в матричной игре.

Определение. Пусть f (х, у) действительная функция двух переменных х А и у В. Точка (х₀, у₀) называется седловой для функции f (х, у), если выполняются следующие неравенства

f (х, у₀) f (х₀, у₀)f (х₀, у) (1.14)

при любых х А и у В.