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合作博弈 Cooperative Games

合作博弈(cooperative game)允许参与者组成联盟并共同创造价值,研究联盟如何形成、收益如何分配,以及分配是否稳定或公平。联盟价值说明“合作能创造多少”,分配规则说明“每个人拿多少”;两者需要分别建模。

可转移效用模型

可转移效用(transferable utility,TU)合作博弈写作 \(G=(N,v)\),其中 \(N=\{1,\ldots,n\}\) 是玩家集合,特征函数(characteristic function)\(v:2^N\to\mathbb R\) 给出每个联盟(coalition)的价值,通常满足 \(v(\varnothing)=0\)。全体玩家组成大联盟(grand coalition)\(N\)。

单调性(monotonicity)指

\[ C\subseteq D\implies v(C)\le v(D). \]

TU 允许联盟把总价值在成员间自由转移,不需要逐一描述联盟内部的生产行动。若不同联盟互不影响,便可用各联盟能实现的最大总价值概括其行动选择。

农场与冰淇淋示例

规模为 \(k\) 的农场联盟可生产 \(k^2\) 吨苹果或 \(3k\) 吨橙子,每吨分别售价 £200 与 £300,因此

\[ v(C)=\max\{200|C|^2,900|C|\}. \]

在课件的三人范围内,最优选择是橙子,价值为 \(900|C|\);不能据此推断任意规模下都为线性价值。

冰淇淋例中,C、M、P 分别拥有 6、4、3 美元。合并预算后购买最大可负担规格,得到

\[ \begin{aligned} v(C)=v(M)=v(P)&=0,\\ v(CM)=v(CP)&=750,\\ v(MP)&=500,\\ v(CMP)&=1000. \end{aligned} \]

这里字母连写表示相应成员组成的集合,价值单位为克。合作收益不必等于单人收益之和。

结果、效率与个体理性

联盟结构(coalition structure)\(CS\) 是 \(N\) 的一个划分。结果(outcome)为 \((CS,x)\),其中 \(x_i\) 是玩家收益,要求每个联盟 \(C\in CS\) 满足

\[ \sum_{i\in C}x_i=v(C). \]

这表示联盟内分配全部价值,不允许从其他联盟转移收益。若只研究大联盟,则效率(efficiency)要求 \(x(N)=v(N)\),其中 \(x(C)=\sum_{i\in C}x_i\)。个体理性(individual rationality)进一步要求

\[ x_i\ge v(\{i\}). \]

满足效率和个体理性的分配称为归责分配(imputation)。可行、稳定、公平是不同要求。

超可加性与凸性

超可加性(superadditivity)要求对不相交联盟 \(C,D\),

\[ v(C\cup D)\ge v(C)+v(D). \]

合并联盟不会降低总价值,因此在超可加博弈中可聚焦大联盟的收益分配。若原博弈不超可加,可定义超可加覆盖(superadditive cover):

\[ v^{\mathrm{SA}}(C)=\max_{\mathcal P\text{ 为 }C\text{ 的划分}} \sum_{D\in\mathcal P}v(D). \]

凸博弈

凸博弈(convex game)要求特征函数满足超模性(supermodularity):

\[ v(A\cup B)+v(A\cap B)\ge v(A)+v(B). \]

等价地,对 \(T\subseteq S\)、\(i\notin S\),玩家的边际贡献(marginal contribution)满足

\[ v(T\cup\{i\})-v(T)\le v(S\cup\{i\})-v(S). \]

联盟越大,新增玩家的贡献不会下降。凸性蕴含超可加性,反向不成立。例如 \(v(C)=|C|^2\) 的新增贡献为 \(2|C|+1\),所以是凸博弈。

诱导子图博弈(induced subgraph game)把玩家视为带权图顶点,联盟价值为内部边权之和:

\[ v(C)=\sum_{\{i,j\}\subseteq C}w_{ij}. \]

若边权非负,新增玩家在更大联盟中会增加更多非负边权,因此博弈凸;允许负边权时不能直接使用这一结论。

核心:抗联盟偏离的稳定性

核心(core)由无法被任何联盟阻挡的结果组成。对大联盟分配,定义为

\[ \operatorname{Core}(G)=\{x:x(N)=v(N),\ x(C)\ge v(C)\ \forall C\subseteq N\}. \]

若 \(x(C)<v(C)\),联盟 \(C\) 可退出,并把额外收益分给所有成员使每人都改善,所以它能阻挡(block)当前分配。单人联盟约束同时保证个体理性。

稳定性与公平性不同

课件另一个冰淇淋例取 \(v(CM)=v(CP)=500\)、\(v(MP)=0\)、\(v(CMP)=750\)。分配 \((200,200,350)\) 被联盟 \(CM\) 阻挡,因为二人当前总收益为 \(400\),却能自行创造 \(500\)。均分 \((250,250,250)\) 与 \((750,0,0)\) 都在核心中;后者说明稳定分配可能非常不均衡。

核心可能为空

三人博弈中,任何至少两人的联盟价值为 \(1\),单人价值为 \(0\)。核心若存在,则

\[ x_1+x_2\ge1,\quad x_1+x_3\ge1,\quad x_2+x_3\ge1. \]

相加得到 \(2(x_1+x_2+x_3)\ge3\),与效率要求总和为 \(1\) 矛盾,故核心为空。

凸博弈的核心非空

固定一个玩家排列 \(\pi\),令 \(S_i^\pi\) 为排在 \(i\) 前面的玩家集合,并给玩家分配

\[ x_i^\pi=v(S_i^\pi\cup\{i\})-v(S_i^\pi). \]

这些边际贡献相加望远镜消去中间项,得到 \(x^\pi(N)=v(N)\)。对任意联盟 \(C\),按同一排列只让 \(C\) 的成员依次加入,由凸性,每位成员在大联盟排列中的贡献不少于其在 \(C\) 内的贡献,所以 \(x^\pi(C)\ge v(C)\)。

因此每个排列的边际贡献向量都在核心中。给定价值查询预言机(value oracle),只需查询 \(n\) 个前缀联盟价值即可构造一个核心分配。

简单博弈与加权投票

简单博弈(simple game)满足 \(v(C)\in\{0,1\}\) 且单调:价值为 \(1\) 的联盟获胜,价值为 \(0\) 的联盟失败。空玩家(null player)对任何联盟的价值都不产生影响;否决玩家(veto player)出现在每个获胜联盟中。

加权投票博弈(weighted voting game,WVG)记为 \([q;w_1,\ldots,w_n]\),联盟获胜当且仅当

\[ \sum_{i\in C}w_i\ge q. \]

每个 WVG 都是简单博弈,但反向不成立。四人规则“联盟同时与 \(\{1,3\}\) 和 \(\{2,4\}\) 相交”无法加权表示:获胜联盟 \(\{1,2\}\)、\(\{3,4\}\) 要求总权重至少 \(2q\);失败联盟 \(\{1,3\}\)、\(\{2,4\}\) 却要求总权重小于 \(2q\),矛盾。

简单博弈的核心

对标准简单博弈 \(v(N)=1\),核心非空当且仅当有否决玩家。把全部价值给任意否决玩家即可得到核心分配;更一般地,任意仅给否决玩家分配收益且总和为 \(1\) 的向量都属于核心。

若没有否决玩家,所有 \(N\setminus\{i\}\) 均获胜。任何有效分配中总有人收益为正,去掉此人的联盟当前收益小于 \(1\),却能自行创造 \(1\),所以能阻挡。只需查询每个 \(v(N\setminus\{i\})\) 即可检测否决玩家。

ε-核心与最小核心

ε-核心(epsilon-core)允许每个联盟最多存在 \(\varepsilon\) 的收益缺口:

\[ x(N)=v(N),\qquad x(C)\ge v(C)-\varepsilon. \]

在每个二人联盟价值为 \(1\) 的三人博弈中,均分 \((1/3,1/3,1/3)\) 的最大缺口为 \(1/3\)。把三个二人联盟约束相加得到

\[ 2\ge3(1-\varepsilon), \]

因此 \(\varepsilon\ge1/3\),且均分达到该下界。

最小核心(least core)选择使这些约束可行的最小 \(\varepsilon\),即最小化所有联盟的最大收益缺口。课件的定义保留大联盟效率,并逐一放宽联盟约束;使用不同教材时应核对是否额外限制 \(\varepsilon\ge0\) 或要求个体理性。

Shapley 值:按边际贡献公平分配

夏普利值(Shapley value)对所有玩家加入顺序取平均:

\[ \phi_i(v)=\frac1{n!}\sum_{\pi} \bigl[v(S_i^\pi\cup\{i\})-v(S_i^\pi)\bigr]. \]

等价地,它是玩家在均匀随机排列中的期望边际贡献。按联盟求和的公式为

\[ \phi_i(v)=\sum_{C\subseteq N\setminus\{i\}} \frac{|C|!(n-|C|-1)!}{n!} \bigl[v(C\cup\{i\})-v(C)\bigr]. \]

权重来自恰好让 \(C\) 全部排在 \(i\) 之前、其他人排在之后的排列数量。一般博弈中直接计算涉及指数多个联盟。

四条刻画公理

公理 要求
效率 \(\sum_i\phi_i(v)=v(N)\)
空玩家 边际贡献恒为零的玩家得到零收益
对称性 对所有联盟作用相同的玩家得到相同收益
可加性(additivity) \(\phi_i(v+w)=\phi_i(v)+\phi_i(w)\)

Shapley 值是唯一同时满足这四条公理的分配规则。它一般不保证属于核心;若博弈凸,每个边际贡献向量都在核心中,它们的平均值也在核心中,所以凸博弈的 Shapley 值稳定。

计算例与结构化简

两个对称玩家各自价值 \(5\)、大联盟价值 \(20\),两个顺序分别分配 \((5,15)\) 与 \((15,5)\),Shapley 值为 \((10,10)\)。

课件第 42 页另取儿童预算 6、4、2 美元,C 的六个边际贡献为 \(0,0,750,500,1000,1000\),所以 \(\phi_C=3250/6\approx542\) 克。该页 P 的预算与前面 3 美元的版本不同,不能混用价值表。

在诱导子图博弈中,一条边的价值在随机排列里有一半概率由任一端点带来,故两个端点均分边权:

\[ \phi_i(v)=\frac12\sum_{j:\{i,j\}\in E}w_{ij}. \]

在简单博弈中,玩家边际贡献只可能是 \(0\) 或 \(1\);当其加入使失败联盟变为获胜联盟时,称为关键玩家(pivotal player)。Shapley 值因此等于其在随机排列中成为关键玩家的概率,解释为投票权力。

不可转移效用与偏好联盟

不可转移效用(non-transferable utility,NTU)模型中,联盟可实现的是一组个人效用向量,而非可任意分配的总数。例如两个行动分别产生 \((1,6)\)、\((4,2)\);成员不能自由把效用转给对方。研究者合作所带来的晋升、奖金和减课也常由个人所属机构决定。

偏好联盟博弈(hedonic game)中,每位玩家的偏好只取决于所在联盟的成员。联盟结构稳定,当且仅当不存在一个联盟 \(S\),使其中每个人都严格偏好加入 \(S\) 而不是留在当前联盟;这定义了该模型的核心,核心仍可能为空。

稳定匹配与延迟接受算法

稳定匹配(stable matching)考虑两侧各 \(n\) 人,每人严格排列另一侧所有对象。完美匹配(perfect matching)使每个人恰有一个伴侣。若未配对的两个人都更偏好彼此而非当前伴侣,则构成阻挡对(blocking pair);没有阻挡对的完美匹配即为稳定匹配。

稳定匹配可视为只允许跨侧二人联盟的偏好联盟博弈核心。稳定室友问题(stable roommates problem)则只有一个集合,所有人互相排序并两两配对;这种模型不一定存在稳定解。

Gale–Shapley 算法

盖尔–沙普利延迟接受算法(Gale–Shapley deferred acceptance algorithm)以男性提案为例:

  1. 所有人起初未匹配。
  2. 未匹配男性向自己最偏好的、尚未提案过的女性提案。
  3. 女性在新提案者和当前暂留对象中选择最偏好的一人,拒绝其余对象。
  4. 重复直到没有男性需要继续提案。

暂留并非最终承诺;女性可换为更偏好的新提案者。每对最多提案一次,因此至多发生 \(n^2\) 次提案,可在 \(O(n^2)\) 时间内实现。

完美性与稳定性

在人数相等、严格完整偏好的条件下,终止时若有男性未匹配,他已经向所有女性提案。女性一旦收到提案就一直暂留某人,故所有女性都已匹配,与存在未匹配男性矛盾,输出必为完美匹配。

若男性 \(m\) 更偏好女性 \(w\) 而不是最终伴侣,他必曾向 \(w\) 提案并被拒绝。女性只会更换为更喜欢的人,所以 \(w\) 最终更偏好自己的伴侣而非 \(m\)。因此任意未匹配对都不能同时获益,输出稳定。

提案方最优性

有效伴侣(valid partner)是在至少一个稳定匹配中能与该人配对的对象。男性提案的算法给每位男性其最偏好的有效伴侣,称为男性最优稳定匹配(man-optimal stable matching)。

反设某次出现算法首次拒绝有效伴侣:女性 \(A\) 拒绝男性 \(Y\),暂留更喜欢的 \(Z\)。取一个包含 \(Y-A\) 的稳定匹配,其给 \(Z\) 的伴侣为 \(B\)。此前 \(Z\) 未被有效伴侣 \(B\) 拒绝,因此能向 \(A\) 提案说明他更偏好 \(A\) 而非 \(B\);\(A\) 也更偏好 \(Z\) 而非 \(Y\)。于是 \(Z-A\) 阻挡该稳定匹配,矛盾。

男性最优同时意味着女性最差稳定匹配(woman-pessimal stable matching):每位女性得到自己最不喜欢的有效伴侣。若她在另一个稳定匹配中得到更差的男性,而原配男性在那里得到其他女性,男性最优性就使原配双方同时更偏好彼此,从而阻挡另一个匹配。交换提案方得到女性最优、男性最差的结果。

这里“最优/最差”只在所有稳定匹配的范围内比较,并非所有可能配对。严格偏好下,改变同一提案方的提案处理顺序不会改变其最优稳定结果。

模型扩展

多对一模型可用于学校录取与医院—住院医师匹配,须指定容量与接收方偏好规则。若人数不等或存在不可接受对象,可允许有人未匹配,并仅向可接受对象提案。若偏好有并列,任意打破并列再运行算法可得到弱稳定匹配(weakly stable matching),即不存在双方都严格偏好彼此的阻挡对;更强稳定概念需要另外分析。

核心概念对照

概念 回答的问题 关键限制
核心 是否有联盟能偏离并获益? 可能为空,也不保证公平
最小核心 最少放宽多少稳定性要求? 最小化最大联盟缺口
Shapley 值 如何按平均边际贡献分配? 一般不保证稳定;凸博弈例外
稳定匹配 是否有双方都愿意改配的阻挡对? 依赖两侧结构与偏好假设
延迟接受算法 如何高效找到稳定匹配? 提案方最优,另一方最差