Dinamiche Evolutive ed Equilibri Correlati

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1 Politecnico di Milano Scuola di Ingegneria dei Sistemi Dipartimento di Matematica F. Brioschi Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Matematica 20 Dicembre 2012 Relatore Roberto Lucchetti

2 Motivazione Outline

3 Cenni Storici Motivazione Outline Teoria dei Giochi: Nasce a metà del 1900, grazie ai contributi di John von Neumann e Oskar Morgenstern, con l intento di descrivere matematicamente l interazione tra individui razionali. : Nasce circa 40 anni dopo, grazie al contributo di John Maynard Smith e George R.Price, con l intento di descrivere matematicamente conflitti tra animali.

4 Concetti Fondamentali Motivazione Outline Teoria dei Giochi: Strategie pure e miste; Equilibri di Nash; Equilibri correlati : (ESS); Dinamica di gioco; Punti di equilibrio della dinamica di gioco.

5 Outline Motivazione Outline Teoria Evolutiva: Giochi Simmetrici: ESS, dinamica di gioco; Esempi: il gioco Carta-Sasso-Forbice; : ESS, dinamica di gioco; Dinamica di gioco ed equilibri correlati: Un applicazione: del modello; Dinamica di gioco; Esempi numerici

6

7 Giochi a Due Giocatori Il giocatore I gioca le righe, il giocatore II le colonne. Gioco Asimmetrico: rappresentato dalla bimatrice dei payoff P = (A, B T ) [ ] P = (A, B T (a11, b ) = 11 ) (a 12, b 21 ) (a 21, b 12 ) (a 22, b 22 ) Gioco Simmetrico: rappresentato dalla bimatrice dei payoff P = (A, A T ) [ ] [ ] P = (A, A T (a11, a ) = 11 ) (a 12, a 21 ) a11 a = 12 (a 21, a 12 ) (a 22, a 22 ) a 21 a 22

8 Equilibri di Nash Gioco Asimmetrico: Definizione Un coppia di strategie (p, q) S n S m è equilibrio di Nash se p T Aq x T Aq q T Bp y T Bp x p S n y q S m Gioco Simmetrico: Definizione Un equilibrio di Nash (p, q) si dice simmetrico se p = q, cioè se i due giocatori utilizzano la stessa strategia.

9 ESS Definizione Una strategia p S n è evolutivamente stabile (ESS) se, per ogni q p S n esiste ɛ(q) (0, 1) tale che vale per ogni ɛ : 0 < ɛ < ɛ(q). q T A (ɛq + (1 ɛ) p) < p T A (ɛq + (1 ɛ) p) (1) Ogni ESS è equilibrio di Nash; Ogni equilibrio di Nash stretto è ESS;

10 Equazioni della Replicazione Consideriamo una vasta popolazione che dispone di n strategie, E 1,..., E n, con matrice del gioco U: Definizione Lo stato della popolazione è un vettore x S n la cui componente i-esima è la frequenza con cui viene usata la strategie E i all interno della popolazione. Equazioni della Replicazione: ẋ i = x i ( (Ax)i x T Ax ) i = 1... n, (2) con A matrice in R n n tale che a ij = E T i UE j.

11 Altre Dinamiche Dinamiche a Payoff Monotono: ẋ i = x i g i (x) tale che g i (x) > g j (x) se e solo se (Ax) i > (Ax) j. Un esempio noto n ẋ i = x i e k(ax) i x j e k(ax) j, (3) j=1

12 Relazione tra Equilibri di Nash e Punti di Equilibrio della Dinamica Teorema Valgono le seguenti proprietà: 1 Se z è un equilibrio di Nash per il gioco, allora è punto di equilibrio per (2); 2 Se z è un punto di equilibrio stabile per (2), allora è equilibrio di Nash per il gioco; 3 Se z è un punto limite di un orbita interna per (2) ( cioè ξ z ints n tale che lim t Φ(t, ξ) = z), allora è un equilibrio di Nash per il gioco. 4 Se z è ESS per il gioco, allora è un punto di equilibrio asintoticamente stabile per (2). 5 se z ints n è ESS per il gioco, allora è punto di equilibrio globalmente asintoticamente stabile.

13 Il Gioco Sasso-Carta-Forbice Generalizzato A = ɛ ɛ 1 ɛ 0 con ɛ > 0. Unico equilibrio di Nash: z = ( 1 3, 1 3, 3) 1. Nella dinamica della replicazione:, (4) per ɛ > 1: z è ESS e quindi globalmente asintoticamente stabile. per ɛ = 1: z non è ESS ma è stabile (non asintoticamente); per ɛ < 1: z non è ESS ed è instabile;

14 ɛ > 1 Figura: Orbite del sistema della replicazione per ɛ > 1

15 ɛ = 1 Figura: Orbite del sistema della replicazione per ɛ = 1

16 ɛ < 1 Figura: Orbite del sistema della replicazione per ɛ < 1

17 Definizione Un coppia di strategie (p, q) S n S m si dice evolutivamente stabile per un gioco asimmetrico a due specie se p T Aq > x T Aq x p S n (5) q T Bp > y T Bp y q S m (6) Una coppia di strategie è evolutivamente stabile se e solo se è un equilibrio di Nash stretto. Una coppia di strategie evolutivamente stabile è necessariamente in strategie pure.

18 Asimmetrica Sia x i la frequenza della strategia E i nella specie X e y j la frequenza della strategia F j nella specie Y ; si ottiene il sistema della replicazione: per (x, y) S n S m. ( ẋ i = x i (Ay)i x T Ay ) ) ẏ j = y j ((Bx) j y T Bx i = 1,..., n j = 1,..., m (7)

19 Relazione tra Equilibri di Nash e Punti di Equilibrio della Dinamica Teorema Valgono le seguenti proprietà: 1 se (z, w) è un equilibrio di Nash, allora è un punto di equilibrio per la dinamica (7); 2 se (z, w) è un punto di equilibrio stabile per (7), allora è equilibrio di Nash; 3 se (z, w) è un punto limite di un orbita interna (cioè esiste (x 0, y 0 ) int(s n S m ), diverso da (z, w) tale che lim t Φ(t, (x 0, y 0 ) = (z, w)), allora è un equilibrio di Nash; 4 (z, w) è ESS se e solo se è punto di equilibrio asintoticamente stabile.

20 Equilibri Correlati Definizione Un equilibrio correlato è una distribuzione di probabilità µ su S n S m tale che, detta µ ij la probabilità assegnata alla coppia (x i, y j ), ī {1,..., n} si ha che e j {1,..., m} m m µ īj aīj µ a īj ij i {1,..., n} (8) j=1 j=1 n n µ i j b j µ b i j ij j {1,..., m} (9) i=1 i=1 L insieme degli equilibri correlati è non vuoto; ogni equilibrio di Nash è un equilibrio correlato;

21 Giochi 2 2

22 (A, B) = [ ] (a11, b 11 ) (a 12, b 12 ). (a 21, b 21 ) (a 22, b 22 ) Senza perdita di generalità consideriamo [ ] (0, 0) (α1, β (A, B) = 1 ), (α 2, β 2 ) (0, 0) con dove α i = a ij a jj e β i = b ij b ii.

23 Equilibri 1 Unico equilibrio di Nash in strategie miste (p, q), per esempio se α 1, α 2 > 0 e β 1, β 2 < 0 l esistenza di una funzione di Lyapunov non stretta per (p, q) garantisce la stabilità; 2 Unico equilibrio di Nash in strategie pure: dominazione forte: asintotica stabilità del corrispondente punto di equilibrio dominazione debole: il calcolo degli esponenti di Lyapunov permette di concluderne la stabilità; 3 Un equilibrio di Nash in strategie miste e due stretti in pure: corrispondenti punti di equilibrio asintoticamente stabili.

24 Giochi Simmetrici [ ] a11 a A = 12 ; a 21 a 22 possiamo ricondurci al gioco [ ] α1 0 A =, 0 α 2 con α 1 = a 11 a 21 e α 2 = a 22 a 12.

25 Equilibri 1 Unico equilibrio di Nash stretto in strategie pure (ESS): punto di equilibrio asintoticamente stabile; 2 Due equilibri di Nash stretti (ESS) ed uno in strategie miste: convergenza verso le ESS. 3 Due equilibri di Nash in strategie pure ed uno in miste (ESS): convergenza verso la ESS.

26 Giochi Se l equilibrio di Nash è unico unico equilibrio correlato; 2 Altrimenti l insieme degli equilibri correlati è combinazione lineare degli equilibri di Nash; Quindi 1 stabilità o asintotica stabilità dell equilibrio di Nash; 2 caso banale: ogni strategia è nel supporto dell equilibrio correlato.

27 Giochi 4 4

28 Un Nuovo Gioco A α = dove ɛ (0, 1) e 0 < α < (1 ɛ)/ ɛ α ɛ 0 1 α 1 ɛ 0 α ɛ α ɛ α ɛ α 0 Unico equilibrio di Nash: e 4 = (0, 0, 0, 1). Unico equilibrio correlato ν = e 4 e 4., (10)

29 Decomposizione della Dinamica Obiettivo: verificare che l insieme Γ := {x S 4 : x 4 = 0, x 1 x 2 x 3 = 0} (11) attrae le orbite vicine, per α piccolo. Idea: decomporre la dinamica della replicazione in ints 4 come un andamento decrescente lungo la componente x 4 ed un movimento spiraleggiante verso l esterno intorno al segmento E 0.

30 α > 0 sufficientemente piccolo la strategia usata nell unico equilibrio correlato del gioco (15), e 4, tende ad essere abbandonata per t, ovvero x 4 (t) 0. Andamento qualitativo delle orbite: decrescono lungo la direzione x 4 con movimento spiraleggiante, avvicinandosi al bordo del simplesso con x 4 = 0.

31 Estensione Questi risultati si estendono facilmente ad altre dinamiche, per esempio a payoff monotono, e ad ogni gioco del tipo a 1 b 2 c 3 d 1 Â = c 1 a 2 b 3 d 2 b 1 c 2 a 3 d 3 (12) f 1 f 2 f 3 a 4 tale che e 3 3 b i < a i < c i, i = 1, 2, 3, (a i b i ) > (c i a i ) (13) i=1 i=1 f i < a i, i = 1, 2, 3 (14)

32 Esempi Dinamica della replicazione Dinamica (3) con k=1 Figura: ɛ = 2 3, α = 0.01

33 Esempi Dinamica della replicazione Dinamica (3) con k=1 Figura: ɛ = 4 5, α = 0.01

34 Giochi 2 2: le strategie nel supporto di un equilibrio correlato non vengono eliminate; Giochi 3 3: stesse conclusioni; Giochi 4 4: risultato opposto: per il particolare gioco 0 1 ɛ α A α = ɛ 0 1 α 1 ɛ 0 α ɛ α ɛ α ɛ α 0, (15) con ɛ < 1 e α > 0 piccolo, l unica strategia nel supporto dell unico equilibrio correlato tende ad essere eliminata.

35 Il Modello Equilibri e Esempi Numerici al Problema di Immigrazione ed Integrazione

36 Il Modello Equilibri e Esempi Numerici Il Modello Due popolazioni: A: cittadini di uno stato, forniscono i servizi più essenziali; B: immigrati, devono accedere ai servizi, superando l ostacolo della lingua, dell integrazione, dell eventuale ostilità dei cittadini; Strategie possibili: un individuo di A può 1 comportarsi in modo ostile strategia N; 2 comportarsi in modo accogliente strategia W; un individuo di B può: 1 integrarsi, quindi essere in grado di esprimersi nella lingua locale strategia L; 2 non integrarsi e quindi non essere in grado di farsi comprendere strategia H;

37 Bimatrice del Gioco Il Modello Equilibri e Esempi Numerici [ (u(n, L), v(n, L)) ] (u(n, H), v(n, H)) (u(w, L), v(w, L)) (u(w, H), v(w, H)) dove u e v sono rispettivamente la funzione payoff di A e di B. Supponiamo v(w, L) > v(n, L) e v(w, H) > v(n, H). u dipende dal grado di avversione di un cittadino verso un immigrato; v dipende dall ottenimento o meno del servizio richiesto, dalla percezione della discriminazione e dal costo richiesto per integrarsi (per la strategia L).

38 Gioco Equivalente Il Modello Equilibri e Esempi Numerici (A, B) = [ ] (0, 0) (a1, b 2 ), (a 2, b 1 ) (0, 0) con a i = a ij a jj e b i = b ij b jj. Ipotesi: a 2 > 0 e non si ha mai b 1 > 0 e b 2 > 0 contemporaneamente. Il segno di a 1 dipende dalla soddisfazione nell ostacolare un individuo di B: se è maggiore dell avversione: a 1 < 0; altrimenti: a 1 > 0. Il segno di b 1, b 2 dipende dal costo per imparare la lingua: se è molto piccolo rispetto agli altri parametri: b 1 > 0, b 2 < 0; se è molto grande rispetto agli altri parametri: b 1 < 0, b 2 > 0; altrimenti: b 1 < 0, b 2 < 0.

39 Equilibri di Nash: 6 casi Il Modello Equilibri e Esempi Numerici 1 a 1 > 0, a 2 > 0, b 1 > 0, b 2 < 0: unico equilibrio in strategie pure (e 2, e 1 ) con payoff (a 2, b 1 ); 2 a 1 < 0, a 2 > 0, b 1 > 0, b 2 < 0: come nel caso precedente; 3 a 1 > 0, a 2 > 0, ( b 1 < 0, b 2 ) < 0: unico equilibrio in strategie miste b (x, y) con x = 1 b b 1+b 2, 2 b 1+b 2 = (x, 1 x) e ( ) a y = 1 a a 1+a 2, 2 a 1+a 2 = (y, 1 y); 4 a 1 < 0, a 2 > 0, b 1 < 0, b 2 < 0: unico equilibrio (e 2, e 2 ) con payoff (0, 0); 5 a 1 > 0, a 2 > 0, b 1 < 0, b 2 > 0: unico equilibrio (e 1, e 2 ) con payoff (a 1, b 2 ); 6 a 1 < 0, a 2 > 0, b 1 < 0, b 2 > 0: come nel caso 4.

40 Equazioni di Gioco Il Modello Equilibri e Esempi Numerici Siano p = (p, 1 p) e q = (q, 1 q) gli stati della popolazione rispettivamente A e B. Le equazioni della replicazione risultano { ṗ = p(1 p)(a 1 q(a 1 + a 2 )) q = q(1 q)(b 1 p(b 1 + b 2 )) (16) La dinamica (3) per l applicazione diventa: {ṗ = p(1 p) ( e ka1(1 q) e ka2q) q = q(1 q) ( e kb1(1 p) ekb2p) (17) Per k 0 si approssima la dinamica della replicazione.

41 Punti di Equilibrio della Dinamica Il Modello Equilibri e Esempi Numerici I punti (0, 0), (1, 1), (1, 0), (0, 1) e (x, y) sono punti di equilibrio per la dinamica della replicazione (16). Possiamo concludere che nei casi 1,2,4,5,6 l unico equilibrio di Nash è ESS è asintoticamente stabile; nel caso 3 l unico equilibrio di Nash non è ESS non è asintoticamente stabile; tuttavia la funzione V (p, q) = b 1 ln p + b 2 ln(1 p) a 1 ln q a 2 ln(1 q) c, c tale che V (x, y) = 0, risulta essere di Lyapunov per (x 1, y 1 ) l equilibrio di Nash è stabile.

42 Caso 1 Il Modello Equilibri e Esempi Numerici Dinamica (3), k=1 Dinamica della Replicazione Figura: Caso 1

43 Caso 2 Il Modello Equilibri e Esempi Numerici Dinamica (3), k=1 Dinamica della Replicazione Figura: Caso 2

44 Caso 3 Il Modello Equilibri e Esempi Numerici Dinamica (3), k=1 Dinamica della Replicazione Figura: Caso 3

45 Caso 4 Il Modello Equilibri e Esempi Numerici Dinamica (3), k=1 Dinamica della Replicazione Figura: Caso 4

46 Caso 5 Il Modello Equilibri e Esempi Numerici Dinamica (3), k=1 Dinamica della Replicazione Figura: Caso 5

47 Caso 6 Il Modello Equilibri e Esempi Numerici Dinamica (3), k=1 Dinamica della Replicazione Figura: Caso 6

48

49 1 razionalità dei giocatori sostituita dalla dinamica di gioco; 2 nuovo concetto di ESS; 3 congruenza tra le due teorie: convergenza verso ESS quindi verso gli equilibri di Nash; 4 non immediato il rapporto tra equilibri correlati e dinamica del gioco: per una speciale classe di giochi 4 4 le strategie usate nell unico equilibrio correlato vengono eliminate per particolari dinamiche di gioco; ciò non si verifica nei giochi 2 2 e 3 3; 5 teoria molto utile anche in contesti diversi da quello biologico, per cui è stata sviluppata.

50 Bibliografia Andrè Barreira da Silva Rocha, An Evolutionary Game Approach to the Issues of Migration, Nationalism, Assimilation and Enclaves. (2010), University of Essex, Department of Economics. Timothy N. Cason, Tridib Sharma, Recommended Play and Correlated Equilibria: An Experimental Study. (2006) corr_equil_reco.pdf. Vito Fragnelli, Teoria dei Giochi. ( ), Daniel Friedman, Evolutionary Games in Economics. Econometrica, Vol. 59, No. 3 (May, 1991), Josef Hofbauer, Heteroclinic Cycles in Ecological Differential Equations. (1994), Tatra Mountains Mathematical Publications 4,

51 Bibliografia Josef Hofbauer, Karl Sigmund, Evolutionary Game Dynamics. Bulletin of the American Mathematical Society 40, (2003), Josef Hofbauer, Karl Sigmund, Evolutionary Games and Population Dynamics. Cambridge University Press Roberto Lucchetti,A Primer in Game Theory. (2011), Esculapio. C.D. Pagani, Sandro Salsa, Analisi Matematica volume 2. (2006), Zanichelli. Fioravante Patrone, Paola Radrizzani, Equilibri Correlati. (2006), equilibri_correlati/equilibri_correlati.pdf.

52 Bibliografia Ronald Peteers, Jon Potters, On the Structure of the Set of Correlated Equilibria in two-by-two Bimatrix Games, (1999), William H. Sandholm, Deterministic Evolutionary Dynamics. (2005), New Palgrave Dictionary of Economics, 2nd edition William H. Sandholm, Evolutionary Game Theory. (2007), University of Wisconsin. William H. Sandholm, Population Games and Evolutionary Dynamics. (2008), MIT Press. J. Maynard Smith, Evolution and the Theory of Games. Cambridge Univeristy Press 1982.

53 Bibliografia J. Maynard Smith, G.R. Price, The Logic of Animal Conflict. (1973), Nature Vol. 246 (5427). Yannick Viossat, The replicator dynamics does not lead to correlated equilibria. Games and Economic Behavior 59 (2007) Yannick Viossat, Evolutionary dynamics may eliminate all strategies used in correlated equilibrium. Mathematical Social Sciences 56, 1 (2008) Yannick Viossat, Correlated equilibria, evolutionary games and population dynamics. (2005) PhD dissertation. Ecole Polytechnique, Paris. Jorgen W. Weibull, Evolutionary Game Theory. Cambridge: MIT Press E.C. Zeeman, Population Dynamics from Game Theory. (1980), Lecture Notes in Math., vol Springer, pp

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