Квант
Основные статьи

Игры с квадратичными функциями

Вертгейм Б. А.

6

Б. Вергеём

или вправо от себя. Их мастерство отражено в таблице *): если игрок

Игры
с квадратным функциями

Можно ли изучать математку игра? Оказывается, можно, так как в математике есть много задач, описывающих «игровые ситуации».

Мы займемся играми, связанными с поиском наиболее и наиболее значений функций. Искусство такого поиска важно во многих задачах экономики, военноного дела, биологии, спорта,…

Решающее десять одинаковатиметровых

Мы — на футбольном поле. Игрок А и вратарь В готовятся к серии из 10 одинаковатиметровых ударов. Игрок будет вправо или влево; вратарь, пытаясь угадать направление удара, готовится к прыжку влево

бет вправо (это его стратегия № 1), а вратарь готовится к прыжку влево от себя (это стратегия № 1 для B), то в среднем вворотах будет 7 мячей из 10; если же B готовился к прыжку вправо, то вляется 10 мячей и т. д.

Оба игрок будутередовать свой выбор случайным образом. Если каждый из них выбирает каждую из своих стратегий примерно в половине случайев (как говорят, с вероятностью 1/2), то в среднем будет забито (7+10+9+6):4=8 мячей.

Если же А будет применять свою первую стратегию с вероятностью 0,6 (в 60% случайе), а вторую — с вероятностью 0,4 (в 40% случайе),

*) В теории игри и в экономике подобные таблицы называются плательными матрицами.

7

a вратарь — своего первую стратегию с вероятностью 0,8, а вторую — с вероятностью 0,2, то в среднем будет забито (7⋅0,6+9⋅0,4)×0,8+(10⋅0,6+6⋅0,4)⋅0,2=7,92(7 \cdot 0,6 + 9 \cdot 0,4) \times 0,8 + (10 \cdot 0,6 + 6 \cdot 0,4) \cdot 0,2 = 7,92 мяча, что меньше 8. Конечно, говорить о том, что в данной конкретиной серии будет забито 7,92 мяча бессмысленно. Здесь имеется в виду, что при многократном повторении серий, удовлетворяющих поставленным условиям, среднее количество забитых мячей (отношение объщего количества мячей к числу серий) будет близко к числу 7,92.

Пусть вообще AA выбирает свои первую и вторую стратегии с вероятностью xx и 1−x1-x (0≤x≤10 \leq x \leq 1), а BB — с вероятностью yy и 1−y1-y (0≤y≤10 \leq y \leq 1). В этом случае говорят, что числа xx и yy определяют смешанные стратегии игроков. тогда среднее число забитых мячей равно m=(7x+9(1−x))y+(10x+6(1−x))×(1−y)=−6xy+4x+3y+6m = (7x + 9(1-x))y + (10x + 6(1-x)) \times (1-y) = -6xy + 4x + 3y + 6. (*)

Естественно возникает вопрос: каковы наиболее значения xx для AA, yy — для BB? Наилучшее значение x∗x^* для AA, размещается, должно гарантировать минимальное число забитых мячей (в среднем), независимо от тактики вратара. Наилучшее значение y∗y^* для BB должно гарантировать минимальное количество забитых мячей (в среднем), независимо от стратегии игрока, былошего пеналы.

Оказывается (вы в этом убедитесь, решив упражнение 1), x∗=1/2x^* = 1/2, y∗=2/3y^* = 2/3; в этом случае будет забито (в среднем) m∗=8m^* = 8 мячей. Легко проверить (обязательно сделать это!), что если хотя бы один из играющих будет придерживаться указанной «наилучшей» стратегии, то независимо от стратегии другого будет забито m∗=8m^* = 8 мячей (в среднем). Если же один из играющих от указанной стратегии, то он уже не может ничего гарантировать — результат будет зависеть от действия правилника.

Так, если вратарь будет одинаково часто прыгать вправо и вплево (то есть y=1/2y = 1/2), а игрок все время быть в правый угол (x=0x = 0), то будет забито в среднем меньше мячей (m=7,5m = 7,5). Но если игрок AA охитtee, он будет всегда быть влевый угол (x=1x = 1) и тогда станет забивать чаше (m=8,5m = 8,5).

А теперь отдохнем от футбола, отверяностей и займемся «просто» функциями, причем без ограничений на xx и yy — это облегчит первые шаги.

Выиграш, проигрыш, ничья

Пусть две игроков играют в такую игру: AA выбирает действительное число xx, BB — число yy, причем каждый делает свой выбор, не зная выбора противника. Оба числа сообщаются судьбе, после чего по заранее известному игрокам правли подсчитывается выиграш первого v=f(x,y)v = f(x, y), равный проигрышу второго; точнее говоря, при v>0v > 0 А выиграшает у BB величины vv, при v<0v < 0 А проигрышает BB величины ∣v∣|v|; если же v=0v = 0, то в игре — ничья; символ f(x,y)f(x, y) означает, что vv — это заданная функция двух переменных (x,yx, y).

Пусть, например, правило подсчитета выиграша в игре таково:

v=y2−x2.v = y^2 - x^2.

Попробуйте сыграть несколько раз по правлу (1). После нескольких «партей» игрок заметят, что каждому из них лучше выиграть нулявые значения: при x=y=0x = y = 0 получается ничья, причем ни одному из игроков невыгодно отклоняться от этого выбора, даже зная выбор противника.

Действительно, поскольку при x=0x = 0 v=y2v = y^2, наилучший ответ игрока BB — это выбор y=0y = 0. Аналогично, при y=0y = 0 v=−x2v = -x^2 и наилучший ход AA — это x=0x = 0.

Теперь ужеясно, что играть с плагежной функцией v=y2−x2v = y^2 - x^2 не интересно: ничья обеспечена как тому, так и другому игроку. Труднее и интереснее играть со следующей плагежной функцией:

v=y2−x2+8x−10y+9.v = y^2 - x^2 + 8x - 10y + 9.

Существуют ли в этом случае такие числа xx и yy, которые можно рекомендовать игрокам и от которых им будет «накладно» отклоняться?

Простой ключ к игре (2) дает разложение

8

Рис. 1.

v=(9−x−y)(x−y+1).v = (9 - x - y)(x - y + 1).

Составив систему уравнения
{9−x−y=0,x−y+1=0,\begin{cases} 9 - x - y = 0, \\ x - y + 1 = 0, \end{cases}

имеющий единственное решение x∗=4,y∗=5x^* = 4, y^* = 5, заключаем, что игра (2) имеет ничейный исход v∗=v(x∗,y∗)=0v^* = v(x^*, y^*) = 0 при x=x∗=4,y=y∗=5x = x^* = 4, y = y^* = 5.

Геометрическое объяснение здесь таково (рис. 1): пара чисел (x∗;y∗)∈R2(x^*; y^*) \in R^2 определяется точкой пересечения прямых, соответствующих уравнением системы; если точка с координатами (x;y)(x; y) лежит на одной из них, то v=0v = 0; для точек, лежащих внутри углов, образованных на шимми прямыми, величины vv имеет знак, указанный на рисунке. Этот рисунок дополяют следующие вычисления и рассуждания; если x=4x = 4, то v=(5−y)2≥0v = (5 - y)^2 \geq 0; vmin⁡=0v_{\min} = 0 при y=5y = 5 (в точках вертикали x=4x = 4 всегда v≥0v \geq 0); если y=5y = 5, то v=−(x−4)2≤0v = -(x - 4)^2 \leq 0; vmax⁡=0v_{\max} = 0 при x=4x = 4 (вдоль горизонтали y=5y = 5 имеем v≤0v \leq 0).

Таким образом, если AA выберет x=4x = 4, то игрок BB при любом выборе, кроме y=5y = 5, проиграает. Аналогично, если AA выберет x≠4x \neq 4, игрок BB выиграет взяв y=5y = 5.

Итак, у первого игрок есть ход, сделав который он заведomo не проиграет. Такой же ход есть и у второго игрок. Поэтому в этой игре тот, кто рискнет сыгать не «по теории», тот и проиграает (если, конечно, и его противник не идет на риск отказа от теории).

Приведем для примера результаты пятки партий нашей игры (в каждой тройке первого число — это xx, второе — yy, третье — vv): (0,0,9),(0,7,−12),(4,7,4),(4,5,0),(5,5,−1)(0,0,9), (0,7, -12), (4,7,4), (4,5,0), (5,5, -1).

Изучение этих партий подсказывает еще один путь решения (к сожалению, не всегда пригодный). Пробуем рассудать за первого игрок: «Если BB выберет y=y0y = y_0, то тогда получается квадратный треугольен v(x,y0)=(9−y0−x)(x−y0+1)v(x, y_0) = (9 - y_0 - x)(x - y_0 + 1) относительно xx, который я должен сделать как можно большем, выбрав подходящие xx; но у этого треугольена максимум при x=4x = 4, поэтому я хочу x=4!x = 4!. Рассудя аналогично, второй игрок обеспечит себе минимальный проигрывший y=5y = 5 (при любом ходе x=x0x = x_0 приводого).

Седловая точка и решение игры

Мы видели, что в игре с функцией (2) каждой игрок может гарантировать себя от проигрыша, так как удалость найти такую пару чисел (4:5), что f(4,5)=0f(4,5) = 0 и для всех остальных xx и yy значения функции ff удовлетворяют неравенству
f(x,5)≤f(4,5)≤f(4,y).f(x, 5) \leq f(4, 5) \leq f(4, y).

Отсюда видно, что первый игрок выбирая x=4x = 4, во всяком случае, не проигравает (это вытекает из последнего неравенства), как не проигравает и второй, выбирая y=5y = 5.

Дадим общее определения.

Определение седловой точки.

Пусть задана функция ff, определенная на некотором множество GG точек плоскости. Точка (x∗;y∗)∈G(x^*; y^*) \in G называется седловой точкой функции ff или точкой равновесия, если при (x,y∗)∈G,(x∗,y)∈G,(x, y^*) \in G, (x^*, y) \in G,
f(x,y∗)≤f(x∗,y∗)≤f(x∗,y).f(x, y^*) \leq f(x^*, y^*) \leq f(x^*, y).

Из этих неравенств следует, что max⁡f(x,y∗)=f(x∗,y∗)=\max f(x, y^*) = f(x^*, y^*) =
=min⁡f(x∗,y)= \min f(x^*, y)
(влевой части максимум по переменной xx при функционином y=y∗y = y^*, в правой части — минимум по yy при функционином x=x∗x = x^*).

В теории игрок седловую точку (x∗;y∗)(x^*; y^*) часто называют решением игры (с платежной функцией v=f(x,y)v = f(x, y)), число v∗=f(x∗,y∗)v^* = f(x^*, y^*) называют ценой игры, а числа x∗,y∗x^*, y^* — оптимальные стратегии первого и второго игроков соответственно.

9

Рис. 2.

Туристы и альпинисты

Туристы, желая пройти из долины D1D_1 в долину D2D_2, идут через перевал (седловину) — при этом максимальная высота на пути из D1D_1 в D2D_2 (рис. 2) оказывается минимальной по сравнению со всеми близкими маршрутами, не проходящими через седло. Альпинисты, желая совершить траверс от вершины V1V_1 к вершине V2V_2, проходят то же седло по другой причине — чтобы не «терять высоту», то есть чтобы была максимально возможной минимальная высота на пути от V1V_1 к V2V_2.

Рисунок 1 показан на карту, где высота перевала принята за нуль, а xx и yy — это долота и широта. Будем рассматривать прямые, параллельные осями, как возможности пути для туристов и альпинистов. Подобно маршрутам в горах, основные прямые рисуна 1 (y=5y=5 и x=4x=4) выделены тем, что
f(x∗,y∗)=min⁡ymax⁡xf(x,y)=max⁡xmin⁡yf(x,y),f(x^*, y^*) = \min_{y} \max_{x} f(x, y) = \max_{x} \min_{y} f(x, y),
и это очень полезно при анализе игра. Здесь max f(x,y)f(x, y) — наиболее значение ff при заданном yy и переменном xx, то есть это нахождение исход для BB при выбранном значении yy; очевидно, это велича минимальная при y=5y=5. Истолкуйте аналогично выбор x=4x=4 для играка AA.

Рассмотрим теперь игра с платежной функцией v=x2−y2v=x^2-y^2, у которой нет седловой точки (убедитесь в этом). Анализ игра с подобной функцией сильно осложняется. В данном примере противники будут заинтересованы выбирать самые большие числа, как им достичьы. Если ввести ограничения на переменные xx и yy вида ∣x∣≤a,∣y∣≤b|x| \leq a, |y| \leq b, что передко встречается на практике, появятся 4 седловые точки: x∗=±a,y∗=±b,(v∗=a2−b2)x^* = \pm a, y^* = \pm b, (v^* = a^2 - b^2).

Однако при такого рода ограничения седловая точка может и не появиться (см. упр. 3).

Решение игры с квадратной платежной функцией

Итог нашим теоретическим рассмотрением подводит следующая теорема. Пусть дана цера с платежной функцией
v=ax2+2bxy+cy2+2px+2qy+r.v = ax^2 + 2bxy + cy^2 + 2px + 2qy + r.
Эта функция имеет седловую точку, а цера — решение в следующих семи случаях и только в них:

  1. a<0,c>0a < 0, c > 0;
  2. a<0,c=0≠ba < 0, c = 0 \neq b;
  3. a<0,c=b=q=0a < 0, c = b = q = 0;
  4. a=0≠b,c>0a = 0 \neq b, c > 0;
  5. a=b=p=0,c>0a = b = p = 0, c > 0;
  6. a=c=0,b≠0a = c = 0, b \neq 0;
  7. a=b=c=p=q=0a = b = c = p = q = 0.

Седловая точка является решение системы уравнений
{ax+by+p=0,bx+cy+q=0.\begin{cases} ax + by + p = 0, \\ bx + cy + q = 0. \end{cases}

Это решение (x∗,y∗)(x^*, y^*) во всех этих случаях, кроме цера, читатель: разбор предыдуших конкретных примеров помогет ему.

Уражнения

  1. а) Расмотите игра с платежной функцией m=6+4x+3y(1−2x)m = 6 + 4x + 3y(1-2x) и найдите значение xx, при котором mm не зависит от yy, а также значение yy, при котором mm не зависит от xx. Дает ли эта пара значений решения игры?

  2. Найти решение и цены игра со следующими платежными функциями:
    a) v=−x2+6xy+y2−10x−10y+15v = -x^2 + 6xy + y^2 - 10x - 10y + 15;
    b) v=(x+y−a)(y−x−b)v = (x + y - a)(y - x - b);
    c) v=10ln⁡x−x2+2xy+y2+10x−8y−40,x>0v = 10\ln x - x^2 + 2xy + y^2 + 10x - 8y - 40, x > 0;
    d) v=k(x,−y)+a−x−b−yv = k(\sqrt{x}, -\sqrt{y}) + \sqrt{a-x} - \sqrt{b-y};
    d) v=k(−x2+2pxy+y2)−x02−2px0y+y02v = k(-x^2 + 2pxy + y^2) - x_0^2 - 2px_0y + y_0^2, где x0=a−x,y0=b−xx_0 = a - x, y_0 = b - x;