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混雑ゲームの純粋均衡の数え上げ

経路を選ぶ混雑ゲームで、「どのプレイヤーも別の経路に移って費用が下がらない」条件を、人数の組 の不等式に直せる。条件を満たす組ごとに、区別できるプレイヤーの割り当て を足して、純粋戦略ナッシュ均衡の個数を求められる

前提

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算数中学高校大学大学院

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  1. 最適反応と純粋戦略ナッシュ均衡 (大学数学 ゲーム理論)
  2. 樹形図で数え上げる (算数 場合の数)
  3. 積の法則と和の法則 (算数 場合の数)
  4. 和の法則・積の法則と樹形図 (数学A 場合の数と確率)
  5. 順列・円順列・重複順列 (数学A 場合の数と確率)
  6. 組合せ (数学A 場合の数と確率)
  7. 同じものを含む順列・重複組合せ (数学A 場合の数と確率)

説明

何人かが同時に経路を選び、各経路の費用がその経路を使う人数だけで決まる状況を「混雑ゲーム」と呼びます。この技能では、ある割り当てが純粋戦略ナッシュ均衡かどうかを、各経路の人数の組 についての不等式で判定します。そのうえで、条件を満たす組ごとに区別できるプレイヤーの割り当て方を数えて足し合わせ、均衡の個数を求めます。交通網や通信ネットワークの混雑を考えるときに使います。

なぜそうしてよいのか

プレイヤーを と区別し、各人が経路 A, B, C のどれか 1 つを選ぶとします。経路 A を 人が使うときの 1 人あたりの費用を と書きます(B, C も同様)。費用は「誰が使うか」ではなく「何人使うか」だけで決まるので、ある戦略の組が均衡かどうかは、人数の組 ()だけで判定できます。

純粋戦略ナッシュ均衡は、どのプレイヤーも自分だけ戦略を変えて得をしない(費用が下がらない)組でした。A を使っている人が B に移ると、B の人数は自分を含めて 人になるので、移った後の費用は です。よって「A の人が B に移っても得をしない」は と書けます。同じ経路の人は全員同じ費用で、移った先の状況も同じなので、この不等式を A の 1 人について確かめれば A の全員について確かめたことになります。一方、A を使う人がいない()ときは、A から移ろうとする人が存在しないので、この条件は課しません。

人数の組が条件を満たせば、その人数になる割り当てはすべて均衡です。 人を A に 人、B に 人、C に 人と分ける方法は、文字 A, B, C をそれぞれ 個並べる同じものを含む順列と同じで 通りです。異なる人数の組から同じ割り当ては生じないので、和の法則でこれらを足せば均衡の総数になります。

手順

  1. 費用関数 を確認し、人数の組 (, 各成分は 0 以上の整数)を考える。組は全部で 個ある。

  2. 均衡条件を書く: なら かつ 。、 のときも同様に、移り先の人数を して比べる。人数が 0 の経路には条件を課さない。

  3. 各不等式を の範囲の条件に直し、すべてを満たす組 を漏れなく挙げる( のように 1 つの文字で場合分けすると漏れにくい)。

  4. 条件を満たす各組について、割り当ての数 を計算する。

  5. それらを足して、純粋戦略ナッシュ均衡の個数とする。

例題

区別できる 4 人のプレイヤーが、それぞれ経路 A, B, C のどれか 1 つを同時に選ぶ。経路 A, B は使う人数が 人のとき 1 人あたりの費用がそれぞれ 、経路 C は人数によらず費用 である。各プレイヤーは自分の費用を小さくしたい。4 人の経路の選び方(戦略の組)のうち、純粋戦略ナッシュ均衡であるものの個数を求めよ。

例題の解答

【手順1】。人数の組 は を満たす 0 以上の整数の組で、 個。
【手順2】均衡条件:
・ のとき かつ
・ のとき かつ
・ のとき かつ 、すなわち かつ
【手順3】(0 のときも成り立つ)なので 。 で場合分けする。
・: より 。, も満たすので は均衡。
・:, , より 。どちらも , を満たす。。
・:, より 。。
・: で と を同時に満たせないので不可。
・: で を満たさない(C の人が A に移ると費用が 1 に下がる)ので不可。
【手順4】:。:。:。:。
【手順5】。よって純粋戦略ナッシュ均衡は 42 個。

答え:

よくある誤り

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

この技能を使う問題