9 Z 4, pp. 943∼951
4
Æ k È T Â ] Ø8 ý ¤V X ì Ä ì Å
Ù
v û BM
Integrated Science Laboratory, Department of Physics, Ume˚ a University, 901 87 Ume˚ a, Sweden
»( 8 + Ö <
$ í
ç H ' a @ / < Æ § Ó ü t o < Æõ , Ã º" é ¶ 440-746 (2010¸ 9 Z 4 1{ 9 ~ Ã Î6 £ §, 2010¸ 9 Z 4 15{ 9 > F S X & ñ )
â
] j < Æs & ñ u < Æõ ° ú É r rõ < Æ\ " f > e s : r É r r & h r & ³ © ` ¦ s K H y © § 4 ô Ç ¸½ ¨
Ð o ¸ ú ¤ . þ j H Ó ü t o < Æ, : £ ¤ y : x > Ó ü t o < Æ ì r _ ½ ¨ [ þ t É r s Qô Ç > e s : r _ ¸+ þ A[ þ t` ¦ s 6 x
# 4 ¤ ¸ ú > Ð" f_ r\ ¦ Ã ºu & h Ü ¼ Ð ½ ¨ H, s É r rÓ ü t o < Æ (sociophysics)s H ¸# Q\ ¦ ò ø
ÍÒ q tr v " f ª ô Ç ½ ¨ õ [ þ t` ¦ Ò q tí ß K ? / ¦ e . : r 7 Hë H \ " f H > e s : r _ ½ ¨\ " f
H ¸½ + Ë : r& h 4 ¤ ¸ ú $ í ` ¦ Y > t é ß í H o ) a & ñ õ à ºu > í ß _ ¸¹ ¡ §` ¦ : x K ì r$ 3 ô Ç þ j H ½ ¨[ þ t` ¦ è
>
hô Ç . $ ý eà º_ v 9 Y U \ " f y à Ð# [ þ t _ l % 3 § 4 s ¾ Ó © ÷ &% 3 ` ¦ M : a ?§ 4 s # Qb G> µ 1 ÏÒ q t H
\
¦ ì r$ 3 # ‘% ò o ô Ç ´ ú @ /6 £ x (Intelligent Tit-for-tat)’ | Ä Ìs × æ כ ¹ô Ç % i ½ + É` ¦ Ã º' ô Ç H z ´` ¦ Ð
. 6 £ § Ü ¼ Ð # Q | Ã Ðs 1 l x r \ _ ' 1 l x` ¦ ¸& ñ K H ¸& ñ > e _ â Ä º, ¸ H | Ã Ðs _
' 1 l x` ¦ Å Ò# Q ½ ©# 3 \ ¸f 9 ¦ ½ + É â Ä º ¸y 9 ¸& ñ s ~ ½ ÓK ~ Ã Î H © S ! s e ` ¦ Ã º e 6 £ §` ¦ Ã
ºu > í ß ` ¦ : x K Ð . t } Ü ¼ Ð èà º > e _ ô Ç + þ A % i â B > e \ " f_ ç H+ þ A& h ` ¦ # Qb G> Ã
º < Æ& h Ü ¼ Ð / B Nd o½ + Ét ü < Õ ª > í ß ~ ½ ÓZ O ` ¦ 7 H ô Ç .
Ù þ
d # Q: > e s : r, rÓ ü t o < Æ, ý eà º_ v 9 Y U > e , ´ ú @ /6 £ x | Ä Ì, Ð' ë H ] j, % i â B > e , ç H+ þ A& h
Numerical Study of Game Theory
Seung Ki Baek
Integrated Science Laboratory, Department of Physics, Ume˚ a University, 901 87 Ume˚ a, Sweden
Beom Jun Kim ∗
Department of Physics, Sungkyunkwan University, Suwon 440-746 (Received 1 September, 2010 : accepted 15 September, 2010)
A game-theoretic approach has been providing a powerful tool in the qualitative understanding of macroscopic social phenomena in social sciences, e.g., in economics and in political science.
Recently, researchers in physics, especially in statistical physics, have also used these game-theoretic approaches, but in a more quantitative way, and have been producing a variety of interesting results in the new research area called ‘sociophysics’ by studying human society as a complex system. This work introduces recent works that have tackled the combinatorial complexities arising in game- theoretic studies with the aid of simplified assumptions and numerical computations. We first show how cooperation emerges in the prisoner’s dilemma game when each player’s memory capacity is enhanced and suggest that the intelligent tit-for-tat strategy plays a crucial role in the history of
-943-
cooperation. Then, we numerically show that there is a certain case of simultaneous coordination among many players where the system has a high risk of failure when everyone is willing to follow the coordination, which is actually higher than when some are not concerned about it. Lastly, we discuss a mathematical treatment of an equilibrium solution for a reverse auction game, which is a variant of the minority game, and its computational approach.
PACS numbers: 89.75.-k, 87.23.Ge
Keywords: Game theory, Sociophysics, Prisoners dilemma game, Tit-for-tat strategy, Pedestrian problem, Reverse auction game, Equilibrium point
I. " e  ] Ø
þ
j H rÓ ü t o < Æ (sociophysics)s H ¸# Q 1 p x ©
" f, Ó ü t o < Æ_ ª ô Ç l Z O [ þ t` ¦ Ö ¸6 x # r & ³ ©
`
¦ s K 9 H r ¸ Ö ¸ µ 1 Ï > s À Ò# Qt ¦ e [1]. s
Qô Ç ½ ¨, 7 £ ¤ 4 ¤ ¸ ú > Ð" f_ ç ß r\ @ /ô Ç : x > Ó ü t o
< Æ& h ½ ¨_ { 9 ¨ 8 Ü ¼ Ð" f F è ß © S ! \ % ô Ç | Ã Ð[ þ t _ 1
l x [2], È Ò³ ð ¸+ þ A [3], Å Òd r © ` ¦ l Õ ü t H ' 0 A l ì
ø Í ¸+ þ A [4], §: x â ì2 £ § [5], ç ß 1 l x% i < Æ [6], } © ½ ¨ ¸0 A
\
" f_ > e [7]1 p x s Ö ¸ µ 1 Ïy ½ ¨÷ &% 3 . > e s : r É r, ô Ç
Ã
Ð# % 3 H Î . Õ ª _ ' 0 A÷ r ë ß m É r
Ã
Ð# [ þ t _ ' 0 A\ ¸¿ º ' a ÷ &# Q & ñ ÷ & H © S ! \ @ / ô
Ç ½ ¨s . \ V\ ¦ [ þ t # Q _ U ´` ¦ " f Ð ì ø Í@ / ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð :
x' ¦ H ¿ º " î _ | Ã Ð, ° ú õ ` ¦ s e ¦ .
Ñ ü
t s Ä º8 £ ¤: x' s ý a8 £ ¤: x' × æ ô Ç t ½ ©g Ë :` ¦ & ñ < ÊÜ ¼
Ð+ : £ ¤Z > y â j þ t { 9 \ O s ¸ Ø æ[ t \ O s ¸l \ ¦ " é ¶ ô
Ç ¦ & ñ ½ + É Ã º e . s M : ° ú s s 3 l q& h ` ¦ $ í 2 [½ + Ét
#
Â Ò H ° ú Û ¼Û ¼ Ð_ × þ ë ß Ü ¼ Ð & ñ ÷ & H כ s m
`
¦ _ × þ , 7 á § 8 & ñ S X y ´ ú K ` ¦ s ° ú õ 1 l x{ 9 ô Ç × þ ` ¦
H t H t \ _ K & ñ ) a . s כ s è0 A ´ ú H ¸
&
ñ > e (coordination game)_ © S ! s . Õ ªo ¦ Ä º8 £ ¤: x '
` ¦ ½ + Ét ý a8 £ ¤: x' ` ¦ ½ + Ét % ! 3 Å Ò# Q © S ! [ þ t \ " f # Q b
G> ' 1 l x ½ + Ét \ ¦ p o Ò q ty K ¿ º H כ , s כ s y à Ð# _
| Ä Ì(strategy)s ¦ Ô ¦ o î r . Ó ü t : r à Ð# [ þ t É r Ð
É r Î . \ ¦ ± ú ¢ H | Ä Ì A á ¤ Ü ¼ Ð 6 £ §` ¦ Ü ã J Ã º ¸ e
. t ë ß ü < ð ø Ít Ð " f Ð " f Ð\ > _ > r
¦ e H © S ! s l M :ë H \ D ¥ ¦ K " f l | Ä Ì` ¦ Ã º
&
ñ ô Ç ¦ ô Ç[ þ t É r | Ã Ð[ þ t ¸ ð ø Ít _ { 9 ` ¦ ¦ e l
M :ë H \ , ¦ ` ¦ : x K [ t ¸ H Î . H ) t t
· ú
§ , ¸y 9 | 9 Ã º ¸ e . \ V @ / 0 A_ ¸& ñ > e
\ " f ° ú õ ` ¦ s % 6 £ § \ ¸& ñ \ z ´J ¦ Ø æ[ t M :ë H \
¦ ` ¦ 1 l x r \ ° ú É r ý a\ " f Ä º Ð, ` ¦ É r Ä º\ " f ý a
Ð & ñ ` ¦ õ H © S ! É r | 9 o \ O . s כ ¹
[ þ t` ¦ ¸¿ º ¦ 9K " f þ j _ ' 1 l x ~ ½ Ó ¾ Ó` ¦ ¹ 1 Ô ? / H { 9
∗
E-mail: beomjun@skku.edu
É
r Å Ò ç ß é ß K Ðs H > e \ " f ¸ Ã º´ ú § É r â Ä º_ Ã º
Ð K © © ` ¦ í Z 4½ + É & ñ ¸ Ð 4 ¤ ¸ ú K t 4 H ô Ç . Ä ºo H Õ
ª Qô Ç Y > t > e \ " f é ß í H o ) a & ñ õ Ã ºu > í ß ` ¦ :
x K Y > t D h Ðî r : r` ¦ ¸Ø ¦ K ? / ¦ ô Ç . : r 7 H ë
H \ " f H, $ ý eà º_ v 9 Y U > e \ à Ð# [ þ t _ l % 3
§
4 s ¾ Ó © ÷ &% 3 ` ¦ M : # Q* ô Ç | Ä Ìs $ í / B N& h t \ @ /ô Ç
½ ¨ [8]\ ¦ è> h ¦, 6 £ § Ü ¼ Ð Ð' ½ ©g Ë :` ¦ Ø Ô H | Ã Ð [
þ
t õ Ø Ôt · ú § H | Ã Ð[ þ t s / B N > r H â Ä º_ Ð' â ì 2
£
§ë H ] j\ @ /K ê r [9]. t } Ü ¼ Ð èà º > e _ ô Ç
+ þ A % i â B > e \ @ /ô Ç ½ ¨ õ [10]\ ¦ è> h ¦ ô
Ç .
II. 9 û ¤8 ý ó m Ç7 _
‘ ý eà º_ v 9 Y U ’ H s 2 £ § É r s > e s ¿ º " î _ ý eà º
\
¦ Ð Ð rÄ » H © S ! Ü ¼ Ð q Ä »÷ & " f · ¡ # & .
ç
ß é ß ô Ç \ V\ ¦ [ þ t # Q Ð . < Êa # 3 ý e\ ¦ $ t É r ° ú õ ` ¦ s
H ¿ º | à Ðs e ¦, ë ß â ¹ 1 Ï_ ¸ \ ¦ : x K Ñ ü t ¸¿ º
#
3 ý e\ ¦ $ t É r כ Ü ¼ Ð & ñ ) a y y 4¸ m f ç % i + þ A
`
¦ ~ Ã Î H ¦ . ¢ ¸, ë ß ° ú õ ` ¦ s ¶ n q q Ý ¶` ¦ '
#
Á º s l ¸ â ¹ 1 Ï\ > K Å Òt · ú § H Z > ¸_
& ñ & h 7 £ x \ ¦ ¹ 1 Ô` ¦ Ã º \ O H â ¹ 1 Ï É r s Ñ ü t \ > â p ô Ç
%
Z O ë ß ` ¦ × ¦ Ã º e ¦ . d ë H H | Ã Ð É r Ñ ü t` ¦
É
r ~ ½ Ó\ o K Z ~ ¦" f 6 £ § õ ° ú É r ] jî ß ` ¦ ~ . ðë ß { 9
É r / B N# 3 s g Ë >¶ n q` ¦ t v H 1 l x î ß $ # 3 ' ` ¦ Ñ þ
{ © É r Á º % Z O \ O s Û ¦ 9± ú כ s . t ë ß { © s
g Ë >¶ n q H 1 l x î ß $ A á ¤ s Ñ þ ô Ç { © É r 4¸ + þ A Ð
8 Á º î r % Z O ` ¦ ~ Ã Î> ) a .ñ s Qô Ç ] jî ß ` ¦ ~ Ã Î É r ° ú
É
r ` ¦ s Ñ þ l H 4¸ + þ A Ð Á º î r % Z O ` ¦ ~ Ã Î
>
÷ &Ù ¼ Ð, ¸ Ñ þ H כ s Ä »o > ) a . ì ø Í@ /
Ð ` ¦ s g Ë >¶ n q` ¦ t v H © S ! \ " f ¸, s Ñ þ H כ s
\ > H { © y 8 Ä »o ô Ç © S ! s ) a . 7 £ ¤, ` ¦ s
Ñ þ ` ¦ H g Ë >¶ n q` ¦ t v H ° ú _ { 9 © \ " f H Ñ þ H
כ
s Ä »o H כ X <, ð ø Ít Ð ` ¦ _ { 9 © \ " f ¸
° ú
_ Ñ þ # \ ' a > \ O s s Ñ þ H כ s Û ¼Û ¼
Ð\ > Ä »o ô Ç כ s ) a . " f y H Û ¼Û ¼ Ð & ³" î
> ' 1 l x ô Ç ¦ Ò q ty # Ñ ü t Ñ þ H © S ! s ÷ & H X
<, s â Ä º H Ñ ü t ¸¿ º g Ë >¶ n q H © S ! Ð H Á º î r % Z O
(4¸ + þ A)` ¦ ~ Ã Î> ) a . 7 £ ¤, d ë H _ rÄ »\ ¦ ~ Ã Î [ þ t s
H כ É r y > h \ > e # Q ½ + Ëo & h × þ s t ë ß , " f Ð g Ë >
¶ n
q` ¦ t v ¦ Û ¦ 9 : r H 8 É r U ´` ¦ ü @ ô Ç כ s l M
:ë H \ 7 á x² D G \ H l ¬ ¹ô Ç { 9 s ÷ & H כ s . t ë ß ë ß { 9 s
ý eà º[ þ t s ° ú É r © S ! \ ì ø Í4 ¤& h Ü ¼ Ð % > ) a # Q b
G> | ¨ c . · ú ¡" f\ " f C ` ¦ { © Ù þ ¡~ | Ã Ð É r 6 £ § l r\
"
f $ C ` ¦ < ÊÜ ¼ Ð+ © ° ú ¡6 £ §` ¦ ½ + É Ã º ¸ e ¦ m
> 5 Å q g Ë >¶ n q` ¦ ¦| 9 < ÊÜ ¼ Ð+ © @ /\ > # Q " ñ\ ¦ Ð
?
/ 9 ¦ ½ + É Ã º ¸ e . 7 £ ¤ g Ë >¶ n q(/ B N# 3 \ @ /ô Ç a ?§ 4 , coop- eration _ ' Í / å J C ¦ g Aô Ç )s Ñ þ (/ B N# 3 \ @ / ô
Ç C , defection_ ' Í / å J D Ð g Aô Ç )s Â
Ò m ‘כ ¹ r\ " f C { © Ù þ ¡Ü ¼ s X O > ¦
m $ X O > ’% ! 3 , s ` 8 ª ô Ç | Ä Ì_ 0 p x
$ í
s \ P o > ÷ & H ! l rs . Õ ªo ¦ s â Ä º “Z þ t C ô Ç
” õ © l & h Ü ¼ Ð ¸ a % ~ É r | Ä Ì{ 9 t H _ d ` ¦ ¾ ¡ § # Q 4
§f . z ´] j Ð Á ºô Çy ì ø Í4 ¤ ÷ & H ý eà º_ v 9 Y U \ " f
H a ? ¸ H | Ä Ì ¸ ? // ' ç H+ þ A& h (Nash equilibrium, # Q Ö
¼ Ã Ð# ¸ ² D I s | Ä Ì` ¦ Ã º& ñ ½ + É s Ä » \ O H M :\ ¦ _ p
< Ê)` ¦ s Ò ¦ Ã º e 6 £ § s · ú 94 R e . ¸ H | Ä Ì& h 0 p x
$ í
` ¦ ¦ 9ô Ç H כ É r { © y Ô ¦ 0 p x ô Ç { 9 s . " f {
© © É r Ð f _ > e õ ë ß ` ¦ t ¦ s r_ ' 1
l
x` ¦ & ñ H | Ä Ì[ þ t` ¦ $ ¦ 9K Ð ¸2 ¤ x . > e
õ ê ø Í (° ú , ` ¦)=(C, C), (C, D), (D, C), (D, D) _ W 1
t \ ¦ ´ ú ô Ç . Õ ªo ¦ f _ > e õ & ñ ÷ &t · ú §
¤` ¦ M :, 7 £ ¤ þ j í Ð > e \ e ½ + É M : # Q " × þ ` ¦ ½ + Ét
t 8K " f à Ð# H 8 ú x 5 t _ © S ! \ Z ~{ 9 à º e
. y y \ @ /K C\ ¦ ½ + Ét D\ ¦ ½ + Ét ° ú o Ù ¼ Ð ô Ç Ã Ð
#
| 9 Ã º e H | Ä Ì_ Ì Ã º H 2
5= 32 s . 0 A _
5t â Ä º\ @ /K ° ú s 2 [ H ' 1 l x` ¦ © S ! _ < ÊÃ º
b ¦ ô Ç ° ú _ | Ä Ì É r 6 £ § % ! 3 & h ` ¦ Ã º e ` ¦ כ s
: b
0|b(C, C), b(C, D), b(D, C), b(D, D). # l " f ± p · ú ¡ _
b
0(= C ¢ ¸ H D) H ¿ º Ã Ð# % 6 £ § ë ß H â Ä º
\
C\ ¦ × þ ½ + Ét D\ ¦ × þ ½ + Ét \ ¦ & ñ H | Ä Ìs . \ V
@
/ ° ú s ] j Cë ß ` ¦ l Ð 6 £ § " 3 % 3 s | Ä Ì É r C|CCCC ¦ ½ + É Ã º e . C|CDDD H ô Ç s ¸ C
s µ 1 ÏÒ q t > 5 Å q K " f © ° ú ¡6 £ § H ‘ Á º q 8 ú ¤ µ 1 Ï(Grim Trigger, GT)’ | Ä Ìs 9 C|CDCD H © @ /_ s ' 1 l x
`
¦ Ù ¼ Ð ‘´ ú @ /6 £ x(Tit-for-tat, TFT)’ | Ä Ìs . t
} \ V Ð" f C|CDDC H ° ú s \ > Ä »o ô Ç õ
\
¦ % 3 % 3 ` ¦ M :\ H _ ' 1 l x` ¦ ì ø Í4 ¤ ¦ (b(C, C) = C, b(D, C) = D), Ô ¦ o ô Ç õ \ ¦ % 3 % 3 ` ¦ M :\ H ' 1 l x` ¦
õ H H _ p \ " f (b(C, D) = D, b(D, D) = C), è
Fig. 1. Numerical integration results of Eq. (1).
è
ß K ô Ç " î g A{ 9 Ã º e t ë ß ‘ ^ ¦ Ðá Ô_ > h’ s l \ ¦ ü
< ‘ ^ ¦ Ðá Ô(Pavlov)’ | Ä Ìs ¦ Ô ¦ 2 ; . Ä ºo H ì r$ 3
`
¦ 7 á § 8 ç ß é ß " î « Ñ > l 0 AK ô Ç © S ! s ] j _
' 1 l x Ü ¼ Ðë ß s # Q ¦ & ñ ¦ S X Ò ¦& h × þ , \ V
@ / 90 % Ð C\ ¦ ¦ 10 % Ð D\ ¦ ½ + É Ã º e H d _
| Ä
Ì É r ¦ 9 t · ú § x . Õ ªo ¦ y | Ä Ìs Å Ò H Î . \ ¦ Ã º u
o l 0 AK ° ú É r © ñ a ?§ 4 (C, C)\ " f 3& h , C ` ¦ ô
Ç (C, D)\ " f 5& h , C { © ô Ç (D, C)\ " f 0& h , " f Ð C ô
Ç (D, D)\ " f H 1& h ` ¦ % 3 H ¦ x . : £ ¤& ñ | Ä Ì i\ ¦
× þ
ô Ç | Ã Ð[ þ t _ q Ö ¦` ¦ p
i ¦ K Ð (i = 1, · · · , 32).
| Ã
Ð[ þ t s | Ä Ì` ¦ Ã º& ñ K H ' 1 l x` ¦ Å Ò ç ß é ß oK " f l Õ
ü
t , ‘ô Ç | Ä Ì É r Õ ª Î . ¨ î ç H Ð ± ú Ü ¼ ± ú ` ¦ Ã º2 ¤ À
1 Ïo ` l ÷ & ¦ Z } Ü ¼ Z }` ¦ Ã º2 ¤ 8 À 1 Ïo × þ ) a ’ H d s
| ¨ c כ s . s כ s 4 ¤ ] j 1 l x% i < Æ(replicator dynam- ics, RD) s ¦ Ô ¦ o Ä º H כ Ü ¼ Ð 6 £ § % ! 3 & h ` ¦ Ã º e
.
dp
idt = (U
i− hU i)p
i. (1) s
M : U
iê ø Í Ó ü t : r | Ä Ì i\ ¦ : x K % 3 # Q & h à ºs ¦ hUi H
^ ½ ¨ % 3 H ¨ î ç H & h à º( P
j