第六章合作博弈 一、合作博弈的概念及其表示 。一、合作博弃的概念及其表示 ,、 估值方法(合作弃的一亮郑概) Shapley值 一、 合作博弃的概念及其表示 一、合作博弃的概念及其表示 亮任量在素中水用2时表示 空集和全电可以看成 当然最点他是一个 定812给定一个人博弃,5是 表示与人与全体其人 为的作,其中是 新州 一、合作博弃的概念及其表示 作作博弃的瓶念及共表示 下面根据特 凸住表示跳盟大,新成员的资率就越 则,称作对称 因为设 有一个成员1cN为 如果-0S,则(,)移作简单博。 u(2.m) 约果55U对以将作a情先
1 第六章 合作博弈 一、合作博弈的概念及其表示 二、分配 三、占优方法(合作博弈的一类解概念): 核心、核仁 四、估值方法(合作博弈的一类解概念): Shapley值 一、合作博弈的概念及其表示 合作博弈,与非合作博弈相对称,是一种参与者能够 联合达成一个具有约束力且可强制执行的协议的博弈类型。 合作博弈强调的是集体理性,强调效率、公正、公平。 合作博弈最重要的两个概念是联盟和分配。每个参与 者从联盟中分配的收益正好是各种联盟形式的最大总收益, 每个参与者从联盟中分配到的收益不小于单独经营所得收 益。 合作博弈的基本形式是联盟博弈,它隐含的假设是存 在一个在参与者之间可以自由流动的交换媒介(如货币), 每个参与者的效用与它是线性相关的。这些博弈被称为 “ 单 边 支 付 ” 博 弈 , 或 可 转 移 效 用 (Transferable Utility ,TU)博弈。 合作博弈的结果必须是一个帕累托改进,合作双方的 利益都有所增加,或者至少是一方的利益增加,而另一方 的利益不受损害。合作博弈研究人们达成合作时如何分配 合作得到的收益,即收益分配问题。 合作博弈采取的是一种合作的方式,合作之所以能够 增进双方的利益,就是因为合作博弈能够产生一种合作剩 余。至于合作剩余在博弈各方之间如何分配,取决于博弈 各方的力量对比和制度设计。因此,合作剩余的分配既是 合作的结果,又是达成合作的条件。 合作博弈的核心问题是参与人如何联盟以及如何重新 分配联盟的支付。下面首先分析联盟的概念。与联盟相关 联的特征函数,特征函数的性质决定了合作博弈的特征。 一、合作博弈的概念及其表示 定义6.1.1 在 人博弈中,参与人集用 表示, 的任意子集 称为一个联盟(coalition)。 空集 和全集 也可以看成是一个联盟,当然单点集 也是一个联 盟。 定义6.1.2 给定一个 人博弈, 是一个联盟, 是指 和 的两组博弈中 的最大效用, 称为联盟 的特征函数(characteristic function)。 规定 。根据定义 , 表示参与人 与全体其他人博弈时 的最大效用值,表示为 。 用 表示参与人集为 ,特征函数为 的合作博弈,其中 是定 义在 上的实值映射。 在很多情况下,一个联盟能获得的支付依赖于其他参与人所采取的行 动。 有时被解释为联盟 独立于联盟 的行动可保证的最大 支付 。 n N {1,2, , n} N S S S S S N N {i} n v(S) v(S) v(S) NS {i|iN,iS} v() 0 v({i}) ( ) i v i (N, v) v v 2 N N S 一、合作博弈的概念及其表示 S 合作博弈的分类主要是根据特征函数的性质。下面根据特征 函数的性质介绍几类特殊的合作对策。 如果 仅与 中元素的个数有关,则 称作对称博 弈。 如果 ,则 称作常和博弈。 如果 , 则 称作简单博弈。 例如,在投票博弈中,每个参与人的权重 , 如果 ,则 称作凸博弈。 v(S) S (N,v) (N, v) (N,v) (N,v) v S v N S v N ( ) ( ) ( ) 0 ( ) 1 S i v S S N ( ),1 w w Q i n i i 0 ( ) 1 i i S i i S w Q v S w Q v S v T v S T v S T ( ) ( ) ( ) ( ) 一、合作博弈的概念及其表示 凸性表示联盟越大,新成员的贡献率就越 大。因为设 {1, 2, } , K S 1 T=K {m+1}, ({1, 2, , }) ( {m+1}) {1,2, ,m+1} {1,2, ,m+1} - ({1, 2, , }) ( {m+1})- S S K S m N m N m K K m K K 对于任意 ,有某一个成员 为加 入的新成员,记 则由凸性可知 ( ) + ({ }) 则有 ( ) ({ }) 即新成员 m+1加入联盟 后边际贡献不小于新成员与联盟 的任何 子联盟 所组合产生的边际贡献,即新成员的边 际贡献随联盟的 增大而越来越大。 一、合作博弈的概念及其表示
一、合作博弈的概念及其表示 合作博弈的概念及其表示 L2) 要的 线有 足然,凸博弃的特征西数一定请风短可加性 21-) 合作博弈的概念及其表示 合作博弈的概念及其表示 上法 有3个以s-2 411-201 一、合作博弈的概念及其表示 一、合作博弈的概念及其表示 上还矩阵对笑有纯路,5的均衡是3效,2= 社于含著以小,特爱r锅定超n 2收2纱啡2一空 至此特征函数的值已全部求出, 的效用是年个
2 定义6.1.3如果特征函数 满足:对于联盟 和 , ,有 则称特征函数具有超可加性。 超可加性表示两个不相交的联盟分别行动,其分别单干的结 果不如组成一个联盟的联合而共同行动,这是大联盟形成的 动因。特征函数只有满足超加性,才有形成新联盟的必要性 。否则,如果一个合作博弈的特征函数不满足超可加性,那 么,其成员没有动机形成联盟,已经形成的联盟将面临解散 的威胁。 显然,凸博弈的特征函数一定满足超可加性 。 v S v T v S T ( ) ( ) ( ) 一、合作博弈的概念及其表示 v S1 S2 S 1 S 2 例6.1 设有一个3人合作对策,每个参与人各有两个纯策略A 和B。当三人不合作时,其支付见下表。假设采用最稳妥 策略,即最坏情况下选择最好,求合作博弈的支付函数 一、合作博弈的概念及其表示 解:用 表示一个联盟, 表示联盟中参与人的个数。 当 =0,自然 ,有 。 当 =1, 有3个,以 为例。 当 ,则 。 的策略集合 , 策略组合 。 与 进行如下矩阵对策: S S S S S S S S v( ) 0 S 2 S 2 N S 1,3 A B, N S ( , ), ( , ), ( , ), ( , ) A A A B B A B B N S 一、合作博弈的概念及其表示 上述矩阵对策没有纯策略, 的混合策略是 , 的混合策略是 。 的均衡值是 。 故 。 同理,可以求出 。 当 =2, 有3个,以 为例。 当 ,则 。 的策略集 合 , 策略组合 。 与 进行如下矩阵对策: S 3 1 , 4 4 N S 1 3 , 0 , 0 , 4 4 S 1 4 1 ( 2 ) 4 v v v ( 1 ) 1, ( 3 ) 1 S S S 1, 2 S 1,2 N S 3 ( , ),( , ),( , ),( , ) A A AB B A BB S 一、合作博弈的概念及其表示 上述矩阵对策有纯策略, 的均衡值是 。故 。 同理,可以求出 。 当 =3, 有1个, ,最大的联盟.各策略组合对于 的支付总和如下: 至此特征函数的值已全部求出。 S 3 v( 1, 2 ) 3 v v ( 1, 3 ) 1, ( 2, 3 ) 1 S S S N v N( ) max 2, 0, 4, 2, 2,1, 3, 2 4 一、合作博弈的概念及其表示 对于合作博弈 ,特征函数 满足超加 性,自然有: 根据上述不等式,特征函数 分成两种类型: 类型1: 满足 。即大联盟的效用是每个 参与人的效用之和。这说明通过联盟并没有创造新的合作 剩余,联盟没有价值,这种联盟也不可能维持。这种对策 称为非实质性对策,没有研究价值。 ( , ), 1, 2, , N v N n v v v v N v v n v v v n ( ) ( 1 ) ( 2, , ) ( 1 ) ( 2 ) ( 3, , ) 1 ( ) n i v i 1 ( ) n i v i v N( ) 一、合作博弈的概念及其表示
一、合作博弃的概念及其表示 二、分配 一个维向量合 所以是 T新的合于 付 有改善。这种对策称为实质性 且其足给一 =(N) 到称:联盟5的一个分配方 二、分配 二、分配 61中存在 x,2.,=(N) aw=W-2>0 在无限个正向量 ,满足如+, 二、分配 二、分配 如果分配方案在 5对干不高的联盟,优超关系不具有传运性
3 类型2: 满足 。即大联盟的效用大于每个 参与人的效用之和。这说明通过联盟创造了新的合作剩余, 联盟有意义,这种联盟能否维持,取决于如何分配合作剩 余,使每个参与人的支付都有改善。这种对策称为实质性 对策,是本部分研究的范畴。 v v N( ) 1 ( ) n i v i 一、合作博弈的概念及其表示 二、分配 所谓分配就是博弈的一个 维向量集合,之所以是 维向 量,是由于每个参与人都要得到相应的分配。 维的分配 向量称为博弈的“解”,各种方法即各种解概念代表着分 配的不同观点。 定义6.2.1 对于合作博弈 ,对每个参与 人 ,给予一个实值参数 ,形成 维向量 且其满足: 则称 是联盟 的一个分配方案。 n n n n ( , ), 1, 2, , N v N n i N i x 1 ( , , ) n x x x 1 ( ), ( ) n i i i x v i x v N x S 二、分配 分配的定义中 , 是基于个人理性,合作中的收益 不能小于非合作中的收益,反映了参与人的参与约束。如 果 ,那么,参与人 是不可能参加联盟的。 是基于集体理性,每个参与人的分配之和不 能超过集体剩余 。另外若 没有全部被分配,显然 不是一个帕类托最优的分配方案,不会参与人所接受。 x v i i ( ) x v(i) i i 1 ( ) n i i x v N v N( ) v N( ) x 1 ( ) , ( ) n i i i x v i x v N 二、分配 分配显然不是一个,而是无限个,无限个分配形成一个分配 集合。对于实质博弈,其分配总是有无限个。 例如,对于实质博弈 ,由于 存在无限个正向量 ,满足 。 显然如下的 都是分配,其中 。 用 表示一个博弈 的所有分配方案组成的集合。 ( , ) N v u v N( ) 1 ( ) 0 n i v i 1 2 ( , , , ) n u u u u 1 2 , , n u u u u 1 ( , , ) n x x x ,1 i i x v i u i n E(v) ( N ,v ) 在例6.1中存在一种分配方案: 1 2 3 x x x x { , , }满足: 1 2 3 1 2 3 1 ({1}) 1, ({2}) , ({3}) 1, 4 4 x v x v x v x x x 二、分配 定义6.2.2 设 的两个分配 和 , 是一个联盟。如果 分配方案 和 满足 (i) , ; (ii) 。 则称分配方案 在 上优超于 ,或称分配方案 在 上 劣于 ,记为 。 如果分配方案 在 上优超于 ,则联盟 会拒绝分配 方案 , 方案得不到切实执行。因为从 到 , 中的 每个参与人的收益都得到改善, 创造的剩余 又足以满 足他们在 中的分配。 E(v) x x x x y y y y y y y y S S S S S S S x x x i i x y i S x v(S ) i S i x y S v S( ) 二、分配 在优超关系中,联盟 的特征: 1.单人联盟不可能有优超关系。 2.全联盟 上也不可能有优超关系。 因此,如果在 上有优超关系, 则 。 3.优超关系是集合 上的序关系,这种序关系一般情况下 不具有传递性和反身性。 4.对于相同的联盟 ,优超关系具有传递性, 即 , ,则有 。 5.对于不同的联盟 ,优超关系不具有传递性。 N S S S S 2 1 S n E(v) S x y S y z S x z { } , ({ }), ({ }) i i i i 否则,x 则有 与 是分配方案矛 y y x v i y v i y 盾
三、占优方法:校心、核仁 三、占优方法:核心、核 能参 说明。 个闭几 又格中的向量作为分配既足 有CE可, 三、占优方法:心、 三、占优方法:核心、核仁 零找教地的力特 在之0 三、占优方法:核心、核仁 三、占优方法:核心、核日 国安全理事会投票,超过两票算通过。该 例.3设3人合作博弃章的特征函数如下: 而时有货第5,心,应用定3山有空= x,20.1-12345 写+场+%214+场+,21无+5+521 ,2 解世不等式组得 20,¥2 C)=fa.l-a0.Q0:0≤asy ,20,412,3
4 三、占优方法:核心、核仁 尽管可行分配集合 中有无限个分配,但实际上,有 许多分配是不会被执行的,或者不可能被参与人所接受的 。 很显然,联盟的每一个成员都不偏好于劣分配方案,因此, 真实可行的分配方案应该剔除劣分配方案。 定义6.3.1 在一个 人合作博弈 中,全体最优分配 方案形成的集合称为博弈的核心(core),记为 。显然 有 。 E(v) n ( , ) N v C (v ) C v E v ( ) ( ) 说明: 1.核心 是 中的一个闭凸集。 2.若 ,则将 中的向量 作为分配, 既满足 个人理性,又满足集体理性。 3.用核心作为博弈的解,其最大缺陷是 可能是空集,也 可能不唯一。 C(v) C(v) C(v) E v( ) C v( ) x x 三、占优方法:核心、核仁 定理6.3.1 分配方案 在核心 中的充要条件 是: (i) , (个体理性) , (ii) (集体里性)。 证明 (充分性) 如果 , 满足(i)、(ii),则 不可能被优 超,即 。 反证法,设存在 ,使 。根据优超的定义,有: 则有 ,矛盾。下证必要性(逆否命题): 如果 , 不满足 (i)(ii),则 一定被优超,即 。 ( , , ) 1 n x x x C(v) x v(S) i S i S N ( ) 1 x v N n i i x E v ( ) x x x C v ( ) S S y x i i x y i S ( ) i i S y v S ( ) ( ) i i i S i S v S x y v S x E v ( ) x x x C v ( ) 三、占优方法:核心、核仁 寻找核心的方法 对于 ,存在联盟 ,有 ,则定义 , 定义 ,使得 在 中平均分 配, 在 中平均分配,从而得到一个新的分配 如下: 显然如此定义得向量 是个分配,且有 。 x E v ( ) S S ( ) i i S x v S ( ) 0 i i S v S x \ ( ) ( ) ( ) 0 i N S v N v S v i N S 1 ( , , ) n y y y , ( ) , i i x i S S y v i i S n S 1 ( , , ) n y y y S y x 三、占优方法:核心、核仁 例6.2 假想的联合国安全理事会投票,超过两票算通过。该 博弈的特征函数为 而对所有其他的 , 。应用定理6.3.1,有 , 对各个联盟有 由 , , , 推 得 , , ,而用 , , 又得到 和 ,所以,核心是 v(1,2,3) v(1,2,4) v(1,2,5) v(1,2,3,4) v(1,2,3,5) v(1,2,4,5) v(1,2,3,4,5) 1 S v(S) 0 1 5 1 i i x x 0, i 1,2,3,4,5 i 1 x1 x2 x3 1 x1 x2 x4 1 x1 x2 x5 1 5 1 i i x x1 x2 x3 1 0 x4 x5 0 x1 x2 x3 1 0 x4 0 x5 x1 x2 x4 1 0 x 3 0 x 5 0 x3 1 x1 x 2 C v a a a ( ) ( ,1 , 0,0,0): 0 1 三、占优方法:核心、核仁 例6.3 设3人合作博弈 的特征函数如下: , , , , 求其核心 。 解 由核心定义,若 ,则它必满足 解此不等式组,得 v v(i) 0 i 1,2 ,3 3 2 v({1,2}) 12 7 v({1,3}) 2 1 v({2,3}) v ({1,2 ,3}) 1 C(v) ( , , ) ( ) 1 2 3 x x x x C v 0 , 1 , 2 , 3 1 1 2 3 2 1 2 3 12 7 1 3 3 2 1 2 x i x x x x x x x x x i 1 0 0 0 1 2 3 3 1 3 12 5 2 2 1 1 x x x x x x 三、占优方法:核心、核仁
三、占优方法:核心、核仁 三、占优方法:核心、核仁 s204-23 解线形不等式+ 该不等式组无解,Q小-0。 上面三个子说明了末解核心的方法。 三、占优方法:技心、仁 三、占优方法:心、核 定理63.3.博弈w,有C)z的充分必要条件是 对于原线性规划(印,写出它的对偶规划OP): (DP)ma 5)s N) 三、占优方法:核心、核 三、占优方法:核心、核日 理袋蜜个香洗人定议从月·线 为评估S对x满意性,定义如下的被称作想出值的指标: 5,)-3)-∑ 中所有参与人不但分配 ,从 叫,还分了其他所创的价值
5 例6.4 考虑如下的合作博弈, ,特征函数如 下: 解线形不等式组: 。 该不等式组无解, 。 上面三个例子说明了求解核心的方法。 1 2 1 3 2 3 1 2 3 0, 1,2,3 1 1 1 1 i x i x x x x x x x x x C v( ) ( , ), 1, 2, 3 N v N v i ( ) 0 i 1,2,3 v S S ( ) 1, 2 3 三、占优方法:核心、核仁 1 2 3 1 2 3 3 2 1 x x x x x x 解得 在合作博弈中,用核心代替分配具有明显得优点,即 的稳定性。对于 中的每一个分配,每个联盟都没有反 对意见,都没有更好的分配,每个分配都可以得到执行。 当然,用 代替 也有致命的缺陷,即 可能是空 集,而 。 定理6.3.2 对于 人的联盟博弈,核心 非空的充分必 要条件是线性规划 有解。 , C v( ) C v( ) C v( ) C v( ) C v( ) E v( ) E v( ) n ( ) P ( ) P min ( ) 1 x v N n i i 1 ( ) . ( ) i i S n i i x v S s t x v N S N 三、占优方法:核心、核仁 定理的直观意义很明显,线性规划(P)若有解,则最优解 一定属于 ;若 ,则 中的每个向量都是可 行解,自然线性规划(P)有最优解。 对于原线性规划(P),写出它的对偶规划(DP): , C(v) C v( ) C v( ) ( ) DP max ( ) ( ) S S N y v S v N 1 . 0 S S N S y s t y S N 三、占优方法:核心、核仁 定理 6.3.3.博弈 有 的充分必要条件是: 对于满足 的向量 ,有 。 定义6.3.1 设 是个0-1简单对策,若存在一个参与 人 ,满足 ,则 称作一个否决人。 定理 6.3.4 简单对策 中, 充分必要条件是 中存 在一个否决人。 ( , ) N v ( , ) N v ( , ) N v C v( ) C v( ) 1 . 0 S S N S y s t y yS ( ) ( ) S S N y v S v N i v N i ( ) 0 N i 三、占优方法:核心、核仁 证明 设 是 中一个否决人,定义 ,1处 于第 的位置。 根据定理6.3.2, 是一个分配, 且 。下证必要性。 用反证法。 设 ,且不存在否决人, 即 。 则 。 故有 ,从 而 。也即 ,矛盾。 i N ei 0,0, ,1,0, ,0 i 0, 0, ,1, 0, , 0 i e ( ) i e C v C v( ) v N i ( ) 1 x C v( ) x N x N i v N i i N ( ) 1, ( ) ( )=1, 1 ( ) ( ) ( ) 1 , i x N x N i x i x i N 0, i x i N ( ) 0 i i N v N x 三、占优方法:核心、核仁 为评估 对 满意性,定义如下的被称作超出值的指标: 的大小反映了 对 满意性。 越大, 对 越不满意,因为 中所有参与人的分配之和远没有达到其 所创造的合作剩余 ; 越小, 对 越满意,当 为负值时, 中所有参与人不但分配了其所创造的合作剩 余 ,还分配了其他联盟所创造的价值。 S S S S S S x x x x ( , ) ( ) i i S e S x v S x e S x ( , ) e S x ( , ) v S( ) e S x ( , ) e S x ( , ) v S( ) 三、占优方法:核心、核仁
三、占优方法:核心、核 三、占优方法:枝心、 于同-个x,s共有个,可以表示为s-1,,…,2 :分别 <0,则聚字典序小于代功.用符号表 有了上速的定文,就可以给出核仁的定义了. 三、占优方法:核心、被 三、占优方法:核心、核 满足8=a0 reCm”1=(6a风UA-,0月t40)s0 这与,心)矛。定理稠证。 三、占优方法:核心、枝仁 三、占优方法:核心、核仁 洲65考如下的合作,成2动,特通数如 -6
6 对于同一个 , 共有 个,可以表示为 。 故可以计算出 个 。联盟对 的满意性 取决于 中的最大的 ,故可以对 个 由大到小排列,得到一个 的向量: 其中 。 联盟对 的满意性取决于 的大小, 越小,联盟对 越满意。 x x S 2 n , 1, 2, , 2n j S j 2 n ( , ), 1,2, ,2n j e S x j x ( , ) j e S x 1,2, ,2n j 2 n ( , ) j e S x 2 n 1 2 2 ( ) ( ), ( ), , ( ) x x x x n 1 2 2 ( ) ( , ), 1, 2, , 2 , ( ) ( ) ( ) n n j j x e S x j x x x ( ) x ( ) x x 三、占优方法:核心、核仁 对于两个不同的分配 ,分别计算出 。如果 是 小,则联盟对 的满意性大于联盟对 的满意性, 自然 优于 。当然这种向量大小的比较不同于数字的比 较,是采用字典序的比较方法。字典序的比较方法如下: 对于向量 和 存在一个下标 ,使得 ,则称 字典序小于 ,用符号表 示 。 有了上述的定义,就可以给出核仁的定义了。 x y 、 ( ) ) x y 、 ( ( ) x x y x y 1 2 2 ( ) ( ), ( ), , ( ) x x x x n 1 2 2 ( ) ( ), ( ), , ( ) y y y y n k ( ) ( ),1 1 j j x y j k ( ) ( ) k k x y ( ) x ( ) y ( ) ( ) L x y 三、占优方法:核心、核仁 定义6.3.2 对于合作博弈 ,核仁 是一些分配的集 合,即 ,使得任取一个 , 都是字典序最 小的,即 定理6.3.5 对于合作博弈 ,其核仁 ,且 只 包含一个元素 。 定理6.3.6 对于合作博弈 ,如果核心 , 则有 。 证明 用反证法。设存在一个分配 。根据核心的性质, 由 可知:必存在一个联盟 ,满足 ,由此可 知 。 设 。 是所有 中最大的,故有 ( , ) N v ( , ) N v ( , ) N v N N N E v ( ) x N N x E v y E v y x x y ( ) : ( ), , ( ) ( ) L N x C( v ) N C v ( ) x N x C v , ( ) x C v ( ) S ( ) i i S x v S ( , ) ( ) 0 i i S e S x v S x 1 2 2 ( ) ( ) , ( ) , , ( ) x x x x n 1 ( ) x ( , ), 1, 2, , 2 n j e S x j 1 ( ) ( , ) ( ) 0 i i S x e S x v S x ( ) x 三、占优方法:核心、核仁 由 可知,存在分配 。根据核心的性质, 任取一个 , 有 ,由此可知 满足 , , ; 这与 矛盾。定理得证。 C v( ) y C v ( ) , 1, 2 , , 2 n j S j ( , ) ( ) 0 j j j i i S e S y v S y 1 2 2 ( ) ( ), ( ), , ( ) y y y y n ( ) 0, 1,2, ,2n j y j x N 1 2 2 ( ) ( ), ( ), , ( ) x x x x n 1 ( ) 0 x y C v ( ) 1 2 2 ( ) ( ), ( ), , ( ) y y y y n 1 ( ) 0 y ( ) ( ) L x y 三、占优方法:核心、核仁 例6.5 考虑如下的合作博弈, ,特征函数如 下: ; ; 。 求该博弈的核仁。 解 先求出该博弈的核心,再求核仁。 根据核心的充分必要条件: 解此不等式组,得到 。 ( , ), 1, 2, 3 N v N v v v ( 1 ) 4, ( 2 ) ( 3 ) 0 v v v ( 1, 2 ) 5, ( 1, 3 ) 7, ( 2, 3 ) 6 v( 1, 2,3 ) 10 1 2 3 x x x x C v ( , , ) ( ) 1 1 2 1 3 2 3 1 2 3 4, 0 , 2, 3 5 7 6 1 0 i x x i x x x x x x x x x C v x x x ( ) (4, 6 , ) : 3 5 三、占优方法:核心、核仁 三、占优方法:核心、核仁 ,故有 。下面开始求 。 对于核心 , 求 , 。 ,有 =4-4=0; ,有 =0- = ; ,有 =0- = ; ,有 =5- = ; ,有 =7- = ; ,有 =6- =0; ,有 =10-10=0; 当 , 。上式在 达到,故有 = 。该结果验证 了 , 。 C v( ) N C N C v x x x ( ) (4, 6 , ) : 3 5 ( , ) ( ) i i S e S x v S x x C v ( ) S1 1 1 e S x ( , ) S2 2 2 e S x ( , ) (6 ) x x 6 S3 3 3 e S x ( , ) S4 1, 2 S5 1, 3 S6 2, 3 S7 1, 2,3 7 e S x ( , ) 6 e S x ( , ) 5 e S x ( , ) 4 e S x ( , ) ( ) x x 4 (6 ) x x 5 4 x (6 ) x x 3 5 x 7 1 1 3 5 ( ) min max ( , ) min max 5,3 j j x x e S x x x N (4, 6 , ) : 4 (4, 2, 4 ) x x x N N 1 3 x x 4
三、占优方法:核心、核 四、估值方法:Shapleyt值 中 r2 0=0 W-I 四、估值方法:Shapley值 四、估值方法:Shapleyt值 5u- 式中有项。 下面对这 公出数学化的解就是按参与人的 博弃中 每个人 四、估值方法:Shapley值 四、估值方法:Shapleyt值 5,对于业此业也可以作出这样解释: 2429L245-L2349- 与 的 合不不一是个分配性时来 -号0-- 类似地,--1一
7 三、占优方法:核心、核仁 ,故有 。下面开始求 。 对于核心 , 求 , 。 ,有 =4-4=0; ,有 =0- = ; ,有 =0- = ; ,有 =5- = ; ,有 =7- = ; ,有 =6- =0; ,有 =10-10=0; 当 , 。上式在 达到,故有 = 。该结果验证 了 , 。 C v( ) N C N C v x x x ( ) (4, 6 , ) : 3 5 ( , ) ( ) i i S e S x v S x x C v ( ) S1 1 1 e S x ( , ) S2 2 2 e S x ( , ) (6 ) x x 6 S3 3 3 e S x ( , ) S4 1, 2 S5 1, 3 S6 2, 3 S7 1, 2,3 7 e S x ( , ) 6 e S x ( , ) 5 e S x ( , ) 4 e S x ( , ) ( ) x x 4 (6 ) x x 5 4 x (6 ) x x 3 5 x 7 1 1 3 5 ( ) min max ( , ) min max 5,3 j j x x e S x x x N (4, 6 , ) : 4 (4, 2, 4 ) x x x N N 1 3 x 四、估值方法:Shapley值 分配是合作博弈最重要的概念,但遗憾的是在一个博 弈中,分配有无限个,且许多根本就得不到执行。利用优 超的概念,对分配进行了分类,形成了核心的概念,但遗 憾的是,许多博弈中核心可能是空集。为此,引入了超出 这一指标,寻求最大超出最小化的分配,即核仁。核仁这 一解的优势体现在核仁总存在,且是唯一的,这一解的缺 陷就是计算太复杂,因为共有 个。 本部分引入了一个很直观的解的概念,即Shapley值。 参与人按照Shapley值进行分配。 2 n 定理6.4.1 对每个博弈 ,存在唯一的Shapley 值 ,其中 下面对这一计算公式给出非数学化的解释: 1, , 就是按照参与人的 平均贡献来安排的分配设计。 2,在一个博弈中,每个人的所得应该与其贡献成正比。对 于联盟 ,其合作剩余 。如 加入 ,则新联盟的 合作剩余是 。因此 的贡献是 。 ( , ) N v ( ) ( ), ( ), , ( ) v v v v 1 2 n / !( 1)! ( ) ( ( ) ( )) ! i S N i S n S v v S i v S n ( ) ( ), ( ), , ( ) v v v v 1 2 n ( ) i i x v S v S( ) i S v S i ( ) i v S i v S ( ) ( ) 四、估值方法:Shapley值 3,在博弈 中,不包含 的 有 个,对每个 都有 一个贡献值 ,因此,Shapley值的计算公 式中有 项。 4,即使对于一个固定的 , 与 中参与人 的排列顺序无关,与 中参与人的顺序无关。因 此Shapley值系数中存在 以及 。这主要 是为了计算 对联盟 贡献 的平均值。 ( , ) N v i S S S 1 2 n v S i v S ( ) ( ) v S i v S ( ) ( ) S N S i S n S !( 1)! n! v S i v S ( ) ( ) 四、估值方法:Shapley值 i S 5,对于 也可以作出这样解释: 加入 ,其贡献是 。 加入 的概率 是多少?如果 个局中人参加依次博弈,当 加入该博弈 时,其前面已有一些参与人 , 加入后,后继的参与人 集合 。 和 中参与人的顺序与 无关。 加入 的概率是 , 的数学期望(或者平均值)就是Shapley值。 6,Shapley值不一定是个分配,即理性约束 可能不满足。 !( 1)! ! S n S n i i i i S S S S v S i v S ( ) ( ) i n N S i S N S i v S i v S ( ) ( ) !( 1)! ! S n S n v S i v S ( ) ( ) i ( ) v v i 四、估值方法:Shapley值 例6..6 假设联合国安理会进行投票,部分国家可以形成联盟。 该博弈的特征函数为: 而对所有其他 , 。为了求 ,对所有包 含参与人1的联盟按Shapley值求和。 与 无差异的联盟 有 、 、 、 、 、 和 ,对于其他的 , =1。所以有 类似地, 。 于是, , 。 这样,参与人1、2比参与人3、4、5重要得多。 v(1,2,3) v(1,2,4) v(1,2,5) v(1,2,3,4) v(1,2,3,5) v(1,2,4,5) v(1,2,3,4,5) 1 S S( 2) v(S) 0 ( ) 1 v v S( 1 ) v S( ) S S {1, 2, 3} {1,2, 4} {1, 2, 5} {1, 2,3,4} {1, 2,3,5} {1, 2, 4, 5} {1, 2,3, 4,5} v S i v S ( ) ( ) 20 9 (1 0) 5! 4!0! (1 0) 5! 3!1! (1 0) 3 5! 2!2! 1 (v) 3 30 1 (1 0) 5! 2!2! ( ) 3 v ( ) ( ) 0.45 1 v 2 v 3 (v) 4 (v) 5 (v) 0.0333 四、估值方法:Shapley值
四、估值方法:Shapley值 证明满足超加性.则5U-之的。 2x:
8 定理6.4.2若博弈 满足超可加性,即 , ,则Shapley向量 即Shapley值是分配。 证明 满足超加性,则 。 1 2 ( ) ( ), ( ), , ( ) ( ) n v v v v E v / / !( 1) ! ( ) ( ( ) ( )) ! !( 1) ! ( ) ( ) ! i S N i S N i S n S v v S i v S n S n S v i v i n 。 ( , ) N v v S i v S v i ( ) ( ) ( ) ( , ) N v ( ) ( ) ( ) 1 2 1 S2 v S S v S v S1 S2 四、估值方法:Shapley值