- •Часть 3
- •§1. Мажорирующие и минорирующие стратегии. Понижение порядка матрицы в матричной игре
- •– Столбцы, – строки матрицы а. Столбец и к-ая чистая стратегия второго игрока называются мажорирующими, если найдутся такие числа
- •§2. Графо-аналитический метод решения игр с двустрочными и двустолбцовыми матрицами
- •П.1. Графо-аналитический метод для решения игры с двустрочной матрицей выигрышей
- •П.2. Графо-аналитический метод для решения игры с двустолбцовой матрицей выигрышей
- •§3. Игры с матрицами, отличающимися порядком строк и столбцов
- •§4. Простые стратегии
- •§5. Общее решение игровых задач
- •§1. Мажорирующие и минорирующие стратегии.
- •§2. Графо-аналитический метод решения игр с двустрочными и
- •§3. Игры с матрицами отличающимися порядком строк и столбцов.......19
- •§4. Простые стратегии………………………………………………...……21
- •§5. Общее решение игровых задач…………………………………...……24
§1. Мажорирующие и минорирующие стратегии. Понижение порядка матрицы в матричной игре
Во второй части пособия по теории игр (см.[9]) были изложены методы сведения решения матричных игр к решению задач линейного программирования. При большой размерности матриц решение задач линейного программирования приводит к определенным вычислительным трудностям. Поэтому в тех случаях, когда это возможно, целесообразно понижать порядок игровых матриц. Более того, если игровая матрица содержит только две строки или два столбца или станет такой в результате понижения ее порядка, может быть использован существенно более простой метод нахождения оптимальных стратегий, чем методы, изложенные в [5].
В настоящем параграфе приводятся правила понижения порядка матрицы выигрышей.
Определение
1.1. Расширением
вектора
на i-ом
месте называется m+
1 -мерный вектор
.
Определение 1.2. Пусть игра Г определена матрицей
A
=
, (1.1)
– Столбцы, – строки матрицы а. Столбец и к-ая чистая стратегия второго игрока называются мажорирующими, если найдутся такие числа
,
(1.2)
что
,
(1.3)
и называется строго мажорирующими, если неравенство (1.3) выполняется как строгое.
Вектор
и к-ая чистая стратегия второго игрока
называются минорирующими, и строго
минорирующими, если в (1.3)
выполняются,
соответственно, неравенства
и <. Аналогичная терминология
используется и для строк
и чистых стратегий первого игрока.
Теорема
1.1(
о мажорирующей стратегии второго игрока
). Пусть
игра Г определена матрицей (1.1), а игра
– матрицей
;
– цена,
,
– оптимальные
смешанные стратегии первого и второго
игроков в игре
.
Если
столбец
матрицы
является мажорирующим, то число
V
=
является ценой, вектор
и вектор
,
для которого
,
при j=1,
…, к-1, к+1,…, n,
являются оптимальными смешанными
стратегиями первого и второго игроков
в игре Г. При этом, если столбец
является строго мажорирующим, то
в любой оптимальной стратегии второго
игрока.
Доказательство.
Для оптимальных
стратегий
,
игры
согласно
теореме 2.2.1 об оптимальных смешанных
стратегиях
выполняются
неравенства
i=1,…,
m,
(1.4)
j=1,…,
k-1,
k+1,…,
n.
(1.5)
Построим
вектор
,
где
при j=1,
…, к-1, к+1,…, n,
т.е. расширение
вектора
на i-ом
месте. Так как к-ая
координата вектора
равна нулю, то, из (1.4) получим
, i
= 1 ,…, m
.
(1.6)
Покажем,
что неравенство (1.5) выполняется и для
индекса j
= k
. В силу
неравенства (1.3) для любого
выполняются неравенства
,
(1.7)
где
коэффициенты
удовлетворяют условиям (1.2). Умножим
(1.7) на
и просуммируем
по i
. Тогда,
используя неравенство (1.5) и учитывая
условия (1.2), получим
.
(1.8)
Таким образом, из (1.6), (1.5) и (1.8) следуют неравенства
i=1,…,
m,
j=1,…,
n,
которые
в силу следствия теоремы 2.2.1 о необходимых
и достаточных условиях оптимальности
стратегий доказывают, что стратегии
являются оптимальными в игре Г,
а число
– ее ценой.
Первое
утверждение теоремы доказано.
Убедимся
в справедливости второго утверждения
теоремы. Если к-ая
чистая стратегия является строго
мажорирующей, то неравенства (1.7) , а
следовательно, и неравенство (1.8)
выполняются как строгие. Тогда по теореме
2.2.2 о дополняющей нежесткости
во всех оптимальных стратегиях второго
игрока. Теорема доказана.
Аналогично доказывается и следующая
Теорема 1.2. (о минорирующих стратегиях первого игрока ). Пусть Г – игра с матрицей А, у которой строка является минорирующей, т.е.
,
(1.9)
где
коэффициенты
удовлетворяют условию
;
(1.10)
матрица
получена из матрицы А вычеркиванием
ее к – ой строки и
–
игра, определенная матрицей
.
Если
–
соответственно, цена, оптимальные
стратегии первого и второго игроков в
игре
,
то число V=
,
,
а расширение стратегии
на к-ом месте, т.е. вектор
,
являются, соответственно, ценой,
оптимальными стратегиями второго и
первого игроков в игре Г. Если к – ая
чистая стратегия первого игрока в
игре Г является строго минорирующей,
то в этой игре к – ая координата равна
нулю для любой оптимальной стратегии
первого игрока.
Доказательство.
Пусть
,
.
Тогда в силу теоремы 2.2.1 оптимальности
выполняются
неравенства
i=1,…,
k-1,
k+1,…,
n,
(1.11)
j=1,…,
n.
(1.12)
Введем
векторы
и
,
где
при i=1,…,
k-1,
k+1,…,
n
. Тогда,
распространяя в (1.12) суммирование на
все индексы, получим
j=1,…,
n.
(1.13)
Получим далее неравенство вида (1.11) для i=k . Для этого умножим неравенство (1.9) скалярно на вектор . Учитывая (1.10) и (1.11), получим
.
(1.14)
Таким образом, для числа и смешанных стратегий , в силу (1.11), (1.12) и (1.14) выполняются условия
.
Отсюда
в силу следствия теоремы 2.2.1 число
и смешанные
стратегии
и
являются, соответственно, ценой и
оптимальными стратегиями в игре
Г. Теорема
доказана.
Пример 1.1. Пусть игра определена матрицей
.
Требуется, используя теоремы 1.1 и 1.2, упростить игровую матрицу.
Здесь
.
Следовательно,
третья чистая стратегия второго игрока
является мажорирующей. Поэтому
существует такая оптимальная стратегия
второго игрока, для которой
,
и третий столбец матрицы можно вычеркнуть.
Но поскольку эта стратегия является
не строго мажорирующей, то возможно
есть и другая оптимальная стратегия
второго игрока, в которой третья
координата может быть и ненулевой.
Замечаем также, что
,
поэтому в
любой оптимальной стратегии
второго игрока
.
Вычеркнем и второй столбец. Итак, вместо
решения игры с матрицей А
можно
находить решение игры с матрицей
.
В
матрице
вторая строчка стала минорирующей.
Поэтому существует оптимальная стратегия
первого игрока, в которой
.
Вторая строка вычеркивается. Остается
решить игровую задачу с матрицей
.
В результате решения этой задачи для первого игрока будут найдены первая и третья координаты, а для второго игрока – первая четвертая и пятая координаты их оптимальных стратегий. Остальные координаты равняются нулю.
Как увидим в следующем параграфе игру с двустрочной матрицей можно решить значительно проще, чем методом сведения к задаче линейного программирования.
