Spieltheorie Kapitel 7, 8 Evolutionary Game Theory Modelling Network Traffic using Game Theory 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 1 Outline Spieltheorie Einführung Evolutionary Game Theory Spieltheorie in Netzwerken 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 2 Outline • Erstens • Zweitens • Drittens Outline Spieltheorie Einführung Das Spiel Terminologien Nash Gleichgewichte Mixed Strategies Evolutionary Game Theory Evolutionär Stabile Strategie (EES) Abstrakte Spiele EES vs. Nash Gleichgewicht Spieltheorie in Netzwerken Einführung Gleichgewichte Braess Paradox 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 3 Outline • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Spieltheorie Spiel Beeinflusst Ausgang (Auszahlung) Interaktion Spieler 1 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 4 Spieler 2 Outline • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Spieltheorie Das Gefangenen Dilemma Outline Video: http://www.youtube.com/watch?v=ED9gaAb2BEw 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 5 • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Spieltheorie Das Gefangenen Dilemma Outline Alice Dilbert schweigen gestehen schweigen -1,-1 -10,0 gestehen 0,-10 -6,-6 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 6 • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Spieltheorie Das Gefangenen Dilemma Spieler Normalform / Spielmatrix Alice Dilbert schweigen gestehen schweigen -1,-1 -10,0 gestehen 0,-10 -6,-6 Strategien 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 7 Auszahlung Outline • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Spieltheorie Terminologie: Best Response Ich schweige, denn wenn alle schweigen, ist das insgesammt gesehen am besten. Outline Dilbert schweigt, das beste was ich also tun kann ist gestehen. Alice Dilbert schweigen gestehen schweigen -1,-1 -10,0 gestehen 0,-10 -6,-6 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 8 • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Spieltheorie Terminologie: Dominante Strategie Outline Ich schweige, denn egal was Alice macht, schweigen ist die bessere Strategie. Ich schweige Alice Dilbert schweigen gestehen schweigen 1,1 -5,0 gestehen 0,-5 -6,-6 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 9 • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Spieltheorie Terminologie: Nash Gleichgewicht Im Nash Gleichgewicht ist jede Strategie ein best response. Schweige ich, so wird Alice gestehen. Also bleibt mir nur auch zu gestehen. Es war Alice! • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Es war Dilbert! Alice Dilbert schweigen gestehen schweigen -1,-1 -10,0 gestehen 0,-10 -6,-6 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 10 Outline Spieltheorie Terminologie: Mixed Strategys Outline Papier Stein Es existiert kein Nash Gleichgewicht mit reinen Strategien Alice Dilbert Schere Stein Papier Schere 0,0 0,1 1,0 Stein 1,0 0,0 0,1 Papier 0,1 1,0 0,0 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 11 • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Spieltheorie Terminologie: Mixed Strategys 20% Papier, 40% Stein, 40% Schere 10% Stein, 40% Schere, 50% Papier Alice Dilbert Schere Stein Papier Schere 0,0 0,1 1,0 Stein 1,0 0,0 0,1 Papier 0,1 1,0 0,0 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 12 Outline • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Spieltheorie Terminologie: Mixed Strategys 33% Papier, 33% Stein, 33% Schere 33% Stein, 33% Schere, 33% Papier Nash Gleichgewicht in gemischter Strategie Alice Dilbert Schere Stein Papier Schere 0,0 0,1 1,0 Stein 1,0 0,0 0,1 Papier 0,1 1,0 0,0 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 13 Outline • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Evolutionary Game Theory Spieltheorie Evolutionäre Spieltheorie Schere Stein Stein Papier Stein VS. VS. Schere Schere 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 14 Schere Schere Stein Stein Outline • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Evolutionary Game Theory Analogien Outline Strategie ist durch Gene festgelegt Organismus Erwartete Auszahlung ist Fitness des Organismus 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 15 Strategien der anderen Hängt ab von • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Evolutionary Game Theory Beispiel: Das Körpergrößenspiel Population von Käfern Outline Fitness hängt hauptsächlich von Essen ab Mutation: Große Käfer Großer Körper braucht mehr Nährstoffe 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 16 • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Evolutionary Game Theory Beispiel: Das Körpergrößenspiel Outline • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 17 Evolutionary Game Theory Beispiel: Das Körpergrößenspiel Outline 1. Käfer 2. Käfer klein groß klein 5,5 1,8 groß 8,1 3,3 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 18 • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Evolutionary Game Theory Evolutionär Stabile Strategien Outline Nash Gleichgewicht Eine Wahl der Strategien, die beibehalten bleibt, sobald die Spieler diese einmal “erreicht” haben. ? Analogon im evolutionären Setting 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 19 • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Evolutionary Game Theory Evolutionär Stabile Strategien Nash Gleichgewicht Eine Wahl der Strategien, die beibehalten bleibt, sobald die Spieler diese einmal “erreicht” haben. Evolutionär Stabile Strategien Genetisch bedingte Strategie, die in einer Population bestehen bleibt, wenn sie einmal die “Vorherrschaft” errungen hat. 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 20 Outline • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Evolutionary Game Theory Evolutionär Stabile Strategien Outline Oder Anders: “Benutzt” die gesamte Population eine bestimmte Strategie für die gilt: “Jede kleine Gruppe an Eindringlingen, die eine andere Strategie benutzt, stirbt mit der Zeit ab”. Dann spricht man von einer Evolutionär stabilen Strategie (ESS) 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 21 • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Evolutionary Game Theory Evolutionär Stabile Strategien Formal: • Die Fitness eines Organismus ist die erwartete Auszahlung bei einer Interaktion mit einem zufälligen Mitglied der Population. • Invasion: Strategie T invadiert Strategie S auf Ebene x, für kleines x > 0, wenn ein x-tel der Population Strategie T benutzt und ein 1-x-tel der Population Strategie S. • Eine Strategie S ist evolutionär stabil, falls für y > 0 (klein) mit x < y gilt: Für jede Strategie T, die S auf Ebene x (<y) invadiert gilt: Die Fitness aller S-Individuen ist größer oder gleich der Fitness der T-Individuen. 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 22 Outline • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Evolutionary Game Theory Beispiel: Evolutionär Stabile Strategie Outline 1-x “benutzen” Strategie Klein x “benutzen” Strategie Groß 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 23 • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Evolutionary Game Theory Beispiel: Evolutionär Stabile Strategie Fittnes eines kleinen Käfers Wahrscheinlichkeit kleinen Käfer zu treffen 5(1-x) + 1x = 5 – 4x klein groß klein 5,5 1,8 groß 8,1 3,3 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 24 Outline • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Evolutionary Game Theory Beispiel: Evolutionär Stabile Strategie Fitness eines großen Käfers Wahrscheinlichkeit kleinen Käfer zu treffen 8(1-x) + 3x = 8 – 5x klein groß klein 5,5 1,8 groß 8,1 3,3 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 25 Outline • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Evolutionary Game Theory Beispiel: Evolutionär Stabile Strategie Outline “klein” ist nicht evolutionär stabil, da für kleine x die Fitness von groß stets größer ist als die von klein klein groß klein 5,5 1,8 groß 8,1 3,3 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 26 • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Evolutionary Game Theory Beispiel: Evolutionär Stabile Strategie 1-x “benutzen” Strategie Groß x “benutzen” Strategie klein 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 27 Outline • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Evolutionary Game Theory Beispiel: Evolutionär Stabile Strategie Fitness eines großen Käfers Wahrscheinlichkeit großen Käfer zu treffen 3(1-x) + 8x = 3 + 5x klein groß klein 5,5 1,8 groß 8,1 3,3 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 28 Outline • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Evolutionary Game Theory Beispiel: Evolutionär Stabile Strategie Fitness eines kleinen Käfers Wahrscheinlichkeit großen Käfer zu treffen (1-x) + 5x = 1 + 4x klein groß klein 5,5 1,8 groß 8,1 3,3 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 29 Outline • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Evolutionary Game Theory Beispiel: Evolutionär Stabile Strategie Outline “groß” ist evolutionär stabil, da für kleine x die Fitness von “groß” stets größer ist als die von “klein” klein groß klein 5,5 1,8 groß 8,1 3,3 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 30 • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Evolutionary Game Theory Empirisch nachgewiesen Arms Race in der Biologie 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 31 Outline • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Evolutionary Game Theory Allgemeine Beschreibung Outline Strategien: S, T, (1-x) sind S-Organismen • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Erwartete Auszahlung für S-Organismus a(1-x)+bx Erwartete Auszahlung für T-Organismus c(1-x)+dx S ist evolutionär stabil, falls a(1-x)+bx > c(1-x)+dx 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 32 S T S a,a b,c T c,b d,d Evolutionary Game Theory Allgemeine Beschreibung Outline S ist evolutionär stabil, falls • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox a(1-x)+bx > c(1-x)+dx 1. a > c 2. a = c und b > d 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 33 S T S a,a b,c T c,b d,d Evolutionary Game Theory ESS vs. Nash Outline S,S ist Nash Gleichgewicht für a größer gleich c S,S ist ESS für 1. a > c 2. a = c und b > d Ist S evolutionär stabil, dann ist (S,S) ein Nash Gleichgewicht 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 34 S T S a,a b,c T c,b d,d • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Evolutionary Game Theory ESS und mixed Strategies Outline • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 35 Game Theorie and Networks Equilibrium Traffic Outline 4000 Autos wollen von A nach B C x/100 45 A B 45 x/100 D 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 36 • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Game Theorie and Networks Equilibrium Traffic Outline 4000 Autos wollen von A nach B C x/100 A 45 B 4000/100 + 45 = 85 45 x/100 D 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 37 • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Game Theorie and Networks Equilibrium Traffic Outline 4000 Autos wollen von A nach B C x/100 A 45 B 4000/100 + 45 = 85 45 x/100 D 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 38 • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Game Theorie and Networks Equilibrium Traffic Outline 4000 Autos wollen von A nach B C x/100 A 45 B 2000/100 + 45 = 65 45 x/100 D 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 39 • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Game Theorie and Networks Equilibrium Traffic Outline Statt 2 Spielern 4000 C A B D 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 40 Nash Equilibrium ist immer noch Menge an Best Response Strategien • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Game Theorie and Networks Equilibrium Traffic Outline Nash Equilibrium existiert C A Nash Equilibrium D 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 41 B Alle Strategiemengen, die sich gleich auf oben und unten verteilen sind Nash Gleichgewichte • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Game Theorie and Networks Braess‘s Paradox Outline 4000 Autos wollen von A nach B C x/100 45 A B 0 45 x/100 D 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 42 • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Game Theorie and Networks Braess‘s Paradox Outline 4000 Autos wollen von A nach B C x/100 45 A B 0 45 x/100 D Einziges Nash Gleichgewicht: 4000/100*2 = 80 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 43 • GT Einführung • Das Spiel • Terminologien • Nash • Mixed Strategies • Evolutionary GT • EES • Abstrakte Spiele • EES vs. Nash • GT in Netzwerken • Einführung • Gleichgewichte • Braess Paradox Vielen Dank 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 44 Quellen Inhalt Davide Easley, Jon Kleinberg, Networks Crowds and Markets, Cambridge University Press, 2010, Kapitel 6,7 und 8 Video http://wn.com/prisoner's_dilemma, accessed November 29, 2010 Bilder Käfer Myers, P., R. Espinosa, C. S. Parr, T. Jones, G. S. Hammond, and T. A. Dewey. 2006. The Animal Diversity Web (online). Accessed November 26, 2010 at http://animaldiversity.org. Baum Christmas Tree by Phillip J Rhoades, http://www.ungab.com/coloring 01.12.2010 | Arno Mittelbach | 45