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纳什均衡理论和博弈理论
[ 作者:boyilun.net  加入时间:2008-12-13 00:00:00  来自:boyilun.net ]

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在现代生活中,博弈论越来越广泛地用在经济、军事等领域,从数学的神殿中走入现实生活。博弈论成为聪明理智的决策者认识、研究和解决现代市场经济条件下冲突与合作的利器,被人们称作“纪念人类文明发展的十八座里程碑”。
博弈论是研究决策主体的行为发生直接相互作用时的决策以及这种决策的均衡,也就是说,当一个主体的选择受到其他主体选择的影响,而且反过来影响到其他主体选择时的决策问题和均衡问题。
一个完整的博弈应当包括五个方面的内容:
第一,博弈的参加者,即博弈过程中独立决策、独立承担后果的个人和组织;
第二,博弈信息,即博弈者所掌握的对选择策略有帮助的情报资料;
第三,博弈方可选择的全部行为或策略的集合;
第四,博弈的次序,即博弈参加者做出策略选择的先后;
第五,博弈方的收益,即各博弈方做出决策选择后的所得和所失。
纳什均衡理论的论述:一个非合作博弈是有这样一组博弈者进行的,每个博弈者有一套策略和得益函数。当各个博弈者的策略在其他博弈者的策略确定时使自己的得益最大。纳什认为理性博弈者之间的讨价还价最终导致一个唯一的结果。通过公理方法和非合作模型解,纳什求证了唯一解问题。在不变威胁的情况下,每方都可选择对对方施加多大的压力。博弈论现在既要决定博弈者不同意提议时使用的威胁,又要确定将达成的协议。确定理论的公理相当于假定每个博弈者都有一个最优威胁策略,即假设这个问题存在一个结论。地二个公理是说一个博弈者不能通过去掉他的某些策略而提高得益。在非合作方法里纳什假设博弈者首先忠于自己的威胁。每组威胁都导致一个(不变威胁讨价还价)子博弈。其中选定了效用最大的那个均衡。反向并使用这一选择(即唯一解取代各个子博弈),第一阶段的威胁策略就转化为一个严格竞争博弈,即第一阶段转化博弈的均衡具有最小化的最大特征。结果整个博弈就有一个值以及最优策略。就是唯一解。
纳什的文章把此内容称为“两人合作博弈”,因为它本质上依托于存在一个仲裁者,强制实施合约与责任。纳什写道:“威胁成功的必要条件是,b不妥协时,a被迫实施威胁;否则就无多大的意义。因为一般来说,a想要的并不是实施威胁。”(1953.two-personcooperative games. Econometrica)
“囚徒困境”
“囚徒困境”是博弈论里最经典的例子之一。讲的是两个嫌疑犯(A和B)作案后被警察抓住,隔离审讯;警方的政策是"坦白从宽,抗拒从严",如果两人都坦白则各判8年;如果一人坦白另一人不坦白,坦白的放出去,不坦白的判10年;如果都不坦白则因证据不足各判1年。
  在这个例子里,博弈的参加者就是两个嫌疑犯A和B,他们每个人都有两个策略即坦白和不坦白,判刑的年数就是他们的支付。可能出现的四种情况:A和B均坦白或均不坦白、A坦白B不坦白或者B坦白A不坦白,是博弈的结果。A和B均坦白是这个博弈的纳什均衡。这是因为,假定A选择坦白的话,B最好是选择坦白,因为B坦白判8年而抵赖却要判十年;假定A选择抵赖的话,B最好还是选择坦白,因为B坦白判不被判刑而抵赖确要被判刑1年。即是说,不管A坦白或抵赖,B的最佳选择都是坦白。反过来,同样地,不管B是坦白还是抵赖,A的最佳选择也是坦白。结果,两个人都选择了坦白,各判刑8年。在(坦白、坦白)这个组合中,A和B都不能通过单方面的改变行动增加自己的收益,于是谁也没有动力游离这个组合,因此这个组合是纳什均衡。
囚徒困境反映了个人理性和集体理性的矛盾。如果A和B都选择抵赖,各判刑1年,显然比都选择坦白各判刑8年好得多。当然,A和B可以在被警察抓到之前订立一个"攻守同盟",但是这可能不会有用,因为它不构成纳什均衡,没有人有积极性遵守这个协定。

三个囚徒的故事
关于博弈论,流传最广的是一个叫做“囚徒困境”的故事。
说的是有两个人,纵火之后逃跑被警察抓住了。因为证据不够充分,法官分别对他们说,如果你招了,他不招,那么你会作为证人而被无罪释放,他将被判15年徒刑;如果你招了,他也招了,你们都被判10年;如果你不招,他招了,他被无罪释放,你被判15年,如果你们都不招,各判一年。
这两个人都会做这样一个盘算过程:假如他招了,我不招,得坐15年监狱,招了才10年,所以招了划算;假如他不招、我不招,坐一年监狱(这显然不行,因他们无法串供),如果招了,马上获释,也是招了划算。综合以上两种情况考虑,还是招了划算。最终,两个人都选择了招,结果都被判10年刑期。
这个故事说明,在一个集体里,有可能每个人都是理性的选择,但对于整个集体来说却是不理性的。而传统经济学认为市场经济有一只“看不见的手”,每个人的理性选择最终会造成对整个集体的最大利益。问题是,就像囚徒困境一样,这只看不见的手在参与选择的人数只有少数几个的时候会失去作用,因为人们决策的过程会考虑其他参与者的想法,就像赌博和下棋的时候一样,这就与买家和卖家数量都巨大时的竞争出现了不同的情况。这样,要让整个集体获得最大的利益,就要另寻一套思路了。
正是在纳什获得诺贝尔奖的1994年,美国政府拍卖了无线波谱频道许可证,这些许可证确保美国各个主要城市拥有3个相互竞争的移动通信服务供应商。这场拍卖会是由一群年轻的经济学家设计的,他们使用的就是当年获得诺贝尔奖的纳什等人发明的方法。拍卖取得了极大的成功,被认为是有史以来经济学原理应用于公共政策方面最成功(且利润最丰厚)的典范之一。而在新西兰的同样的拍卖会,由于没有应用博弈论,结果损失巨大,一个大学生用1块钱投标居然得到了一个小城市的电视许可证,原因是没有其他人参与竞争。
价格战博弈
我们经常会遇到各种各样的家电价格大战,彩电大战、冰箱大战、空调大战,我们可以解释厂家价格大战的结局也是一个“纳什均衡”,而且价格战的结果是谁都没钱赚。因为博弈双方的利润正好是零。竞争的结果是稳定的,即是一个“纳什均衡”。这个结果可能对消费者是有利的,但对厂商而言是灾难性的。所以,价格战对厂商而言意味着自杀。
污染博弈
假如市场经济中存在着污染,但政府并没有管制的环境,企业为了追求利润的最大化,宁愿以牺牲环境为代价,也绝不会主动增加环保设备投资。按照“看不见的手”的原理,所有企业都会从利己的目的出发,采取不顾环境的策略,从而进入“纳什均衡”状态。如果一个企业从利他的目的出发,投资治理污染,而其他企业仍然不顾环境污染,那么这个企业的生产成本就会增加,价格就要提高,它的产品就没有竞争力,甚至企业还要破产。这是一个“看不见的手的有效的完全竞争机制”失败的例证。直到20世纪90年代中期,中国乡镇企业的盲目发展造成严重污染的情况就是如此。只有在政府加强污染管制时,企业才会采取低污染的策略组合。企业在这种情况下,获得与高污染同样的利润,但环境将更好。 
提起约翰纳什的博弈论大家可能还都不是很了解是什么我来解释下:举个例子
一位富翁在家中被杀,财物被盗。警方在此案的侦破过程中,抓到两个犯罪嫌疑人,斯卡尔菲丝和那库尔斯,并从他们的住处搜出被害人家中丢失的财物。但是,他们矢口否认曾杀过人,辩称是先发现富翁被杀,然后只是顺手牵羊偷了点儿东西。于是警方将两人隔离,分别关在不同的房间进行审讯。由地方检察官分别和每个人单独谈话。检察官说,“由于你们的偷盗罪已有确凿的证据,所以可以判你们一年刑期。但是,我可以和你做个交易。如果你单独坦白杀人的罪行,我只判你三个月的监禁,但你的同伙要被判十年刑。如果你拒不坦白,而被同伙检举,那么你就将被判十年刑,他只判三个月的监禁。但是,如果你们两人都坦白交代,那么,你们都要被判5年刑。”斯卡尔菲丝和那库尔斯该怎么办呢?他们面临着两难的选择——坦白或抵赖。显然最好的策略是双方都抵赖,结果是大家都只被判一年。但是由于两人处于隔离的情况下无法串供。所以,按照亚当·斯密的理论,每一个人都是从利己的目的出发,他们选择坦白交代是最佳策略。因为坦白交代可以期望得到很短的监禁———3个月,但前提是同伙抵赖,显然要比自己抵赖要坐10年牢好。这种策略是损人利己的策略。不仅如此,坦白还有更多的好处。如果对方坦白了而自己抵赖了,那自己就得坐10年牢。太不划算了!因此,在这种情况下还是应该选择坦白交代,即使两人同时坦白,至多也只判5年,总比被判10年好吧。所以,两人合理的选择是坦白,原本对双方都有利的策略(抵赖)和结局(被判1年刑)就不会出现。这样两人都选择坦白的策略以及因此被判5年的结局被称为“纳什均衡”,也叫非合作均衡。因为,每一方在选择策略时都没有“共谋”(串供),他们只是选择对自己最有利的策略,而不考虑社会福利或任何其他对手的利益。也就是说,这种策略组合由所有局中人(也称当事人、参与者)的最佳策略组合构成。没有人会主动改变自己的策略以便使自己获得更大利益。“囚徒的两难选择”有着广泛而深刻的意义。个人理性与集体理性的冲突,各人追求利己行为而导致的最终结局是一个“纳什均衡”,也是对所有人都不利的结局。他们两人都是在坦白与抵赖策略上首先想到自己,这样他们必然要服长的刑期。只有当他们都首先替对方着想时,或者相互合谋(串供)时,才可以得到最短时间的监禁的结果。纳什均衡”首先对亚当·斯密的“看不见的手”的原理提出挑战。按照斯密的理论,在市场经济中,每一个人都从利己的目的出发,而最终全社会达到利他的效果。不妨让我们重温一下这位经济学圣人在《国富论》中的名言:“通过追求(个人的)自身利益,他常常会比其实际上想做的那样更有效地促进社会利益。”从“纳什均衡”我们引出了“看不见的手”的原理的一个悖论:从利己目的出发,结果损人不利己,既不利己也不利他。两个囚徒的命运就是如此。从这个意义上说,“纳什均衡”提出的悖论实际上动摇了西方经济学的基石。因此,从“纳什均衡”中我们还可以悟出一条真理:合作是有利的“利己策略”。但它必须符合以下黄金律:按照你愿意别人对你的方式来对别人,但只有他们也按同样方式行事才行。也就是中国人说的“己所不欲勿施于人”。但前提是人所不欲勿施于我。其次,“纳什均衡”是一种非合作博弈均衡,在现实中非合作的情况要比合作情况普遍。所以“纳什均衡”是对冯·诺依曼和摩根斯特恩的合作博弈理论的重大发展,甚至可以说是一场革命。从“纳什均衡”的普遍意义中我们可以深刻领悟司空见惯的经济、社会、政治、国防、管理和日常生活中的博弈现象。我们将例举出许多类似于“囚徒的两难处境”这样的例子。如价格战、军奋竞赛、污染等等。一般的博弈问题由三个要素所构成:即局中人(players)又称当事人、参与者、策略等等的集合,策略(strategies)集合以及每一对局中人所做的选择和赢得(payoffs)集合。其中所谓赢得是指如果一个特定的策略关系被选择,每一局中人所得到的效用。所有的博弈问题都会遇到这三个要素。
价格战博弈:
现在我们经常会遇到各种各样的家电价格大战,彩电大战、冰箱大战、空调大战、微波炉大战……这些大战的受益者首先是消费者。每当看到一种家电产品的价格大战,百姓都会“没事儿偷着乐”。在这里,我们可以解释厂家价格大战的结局也是一个“纳什均衡”,而且价格战的结果是谁都没钱赚。因为博弈双方的利润正好是零。竞争的结果是稳定的,即是一个“纳什均衡”。这个结果可能对消费者是有利的,但对厂商而言是灾难性的。所以,价格战对厂商而言意味着自杀。从这个案例中我们可以引伸出两个问题,一是竞争削价的结果或“纳什均衡”可能导致一个有效率的零利润结局。二是如果不采取价格战,作为一种敌对博弈论(vivalrygame)其结果会如何呢?每一个企业,都会考虑采取正常价格策略,还是采取高价格策略形成垄断价格,并尽力获取垄断利润。如果垄断可以形成,则博弈双方的共同利润最大。这种情况就是垄断经营所做的,通常会抬高价格。另一个极端的情况是厂商用正常的价格,双方都可以获得利润。从这一点,我们又引出一条基本准则:“把你自己的战略建立在假定对手会按其最佳利益行动的基础上”。事实上,完全竞争的均衡就是“纳什均衡”或“非合作博弈均衡”。在这种状态下,每一个厂商或消费者都是按照所有的别人已定的价格来进行决策。在这种均衡中,每一企业要使利润最大化,消费者要使效用最大化,结果导致了零利润,也就是说价格等于边际成本。在完全竞争的情况下,非合作行为导致了社会所期望的经济效率状态。如果厂商采取合作行动并决定转向垄断价格,那么社会的经济效率就会遭到破坏。这就是为什么WTO和各国政府要加强反垄断的意义所在。
博弈的三个要素:局中者(参与者);他们的行动(策略);全部可能的对局结果。
有限博弈:局中人数目是有限的,并且每个人可以选择的纯策略数目是有限的。但混合的决策的数目是不必有限的。其原因在于混合策略是纯策略的概率的组合。所以即使有两个纯概率,混合策略的数目也已经无限。
  零和策略:这是一种斗争最激烈的,利益冲突最大的博弈(因为你赢了别人就输了)
  非零和博弈:依靠彼此的默契,共同争取双方都比较好的“双赢的结果”。其实双方是不很友好的时候如:“囚徒困境”或价格大战,也是存在双赢的。
  纳什均衡:这是一种对局的形势,这种形式中没有任何人可以改变自己的策略单独获胜。
  博弈论里面有个重要的策略就是每个有限的博弈都有纳什均衡。这就是纳什定理。纳什定理:如果允许采取混合策略,那么每个有限博弈都会有纳什均衡
博弈论经典案例“囚徒困境”及其实证分析
实证分析:
"囚犯困境"在经济学上有很多应用,也有力地解释了一些经济现象。
一.电信价格竞争
根据我国电信业的实际情况,我们来构造电信业价格战的博弈模型。假设此博弈的参加者为电信运营商A与B,他们在电信某一领域展开竞争,一开始的价格都是P0。A(中国电信)是老牌企业,实力雄厚,占据了绝大多数的市场份额;B(中国联通)则刚刚成立不久,翅膀还没有长硬,是政府为了打破垄断鼓励竞争而筹建起来的。
正因为B是政府扶植起来鼓励竞争的,所以B得到了政府的一些优惠,其中就有B的价格可以比P0低10%。这一举动,还不会对A产生多大的影响,因为A的根基实在是太牢固了。在这样的市场分配下,A、B可以达到平衡,但由于B在价格方面的优势,市场份额逐步壮大,到了一定程度,对A造成了影响。这时候,A该怎么做?不妨假定:
A降价而B维持,则A获利15,B损失5,整体获利10;
A维持且B也维持,则A获利5,B获利10,整体获利15;
A维持而B降价,则A损失10,B获利15,整体获利5;
A降价且B也降价,则A损失5,B损失5,整体损失10。
从A角度看,显然降价要比维持好,降价至少可以保证比B好,在概率均等的情况下,A降价的收益为15×50%-5×50%=5,维持的收益为5×50%-10×50%=-2.5,为了自身利益的最大化,A就不可避免地选择了降价。从B角度看,效果也一样,降价同样比维持好,其降价收益为5,维持收益为2.5,它也同样会选择降价。在这轮博弈中,A、B都将降价作为策略,因此各损失5,整体损失10,整体收益是最差的。这就是此博弈最终所出现的纳什均衡。我们构造的这一电信业价格战博弈模型是典型的囚徒困境现象,各个局部都寻求利益的最大化,而整体利益却不是最优,甚至是最差。
许多其他行业的价格竞争都是典型的囚徒困境现象,如可口可乐公司和百事可乐公司之间的竞争、各大航空公司之间的价格竞争等等。
二.OPEC组织成员国之间的合作与背叛
“囚徒困境”告诉我们,个人理性和集体理性之间存在矛盾,基于个人理性的正确选择会降低大家的福利,也就是说,基于个人利益最大化的前提下,帕累托改进得不到进行,帕累托最优得不到实现。
上述我们在对电信价格竞争的博弈分析中,只是一次性的“囚徒困境”博弈,因此得到了互相降价的纳什均衡。而在现实生活当中,信任与合作很少达到如此两难的境地,无论在自然界还是在人类社会,“合作”都是一种随处可见的现象。比如中东石油输出国组织(Organizationof Petroleum ExportingCountries简称OPEC)的成立,本身就是要限制各石油生产国的产量,以保持石油价格,以便获取利润,是合作的产物。OPEC之所以能够成立,各组织成员国之间之所以能够合作,是因为囚徒困境如果是一次性博弈(Oneshotgame)的话,基于个人利益最大化,得到纳什均衡解,但如果是多次博弈,人们就有了合作的可能性,囚徒困境就有可能破解,合作就有可能达成。连续的合作有可能成为重复的囚徒困境的均衡解,这也是博弈论上著名的“大众定理”(FolkTheorem)的含义。
但合作的可能性不是必然性。博弈论的研究表明,要想使合作成为多次博弈的均衡解,博弈的一方(最好是实力更强的一方)必须主动通过可信的承诺(Crediblecommitment),向另一方表示合作的善意,努力把这个善意表达清楚,并传达出去。如果该困境同时涉及多个对手,则要在博弈对手中形成声誉,并用心地维护这个声誉。这里“可信的承诺”是一个很牵强的翻译,“Crediblecommitment”并不是什么空口诺言,而是实实在在的付出。所以合作是非常困难的。所以OPEC组织经常会有成员国不遵守组织的协定,私自增加石油产量。每个成员国都这样想,只要他们不增加产量,我增加一点点产量对价格没什么影响,结果每个国家都增加产量,造成石油价格下跌,大家的利润都受到损失。当然,一些产量增加较少的国家损失更多,于是也更加大量生产,造成价格进一步下降--结果,陷入一个困境:大家都增加产量,价格下跌,大家再增加产量,价格再下跌……。
理论上,几乎所有的卡特尔都会遭到失败,原因就在于卡特尔的协定(类似囚犯的攻守同盟)不是一个纳什均衡,没有成员有兴趣遵守。那么是不是不可能有卡特尔合作成功了?理论上,如果是无限期的合作,双方考虑长远利益,他们的合作是会成功的。但只要是有限次的合作,合作就不会成功。比如合作10次,那么在第九次博弈参与人就会采取不合作态度,因为大家都想趁最后一次机会捞一把,反正以后我也不会跟你合作了。但是大家料到第九次会出现不合作,那么就很可能在第八次就采取不合作的态度。第八次不合作会使大家在第七次就不合作……一直到,从第一次开始大家都不会采取合作态度。
以上是运用博弈论中的经典案例“囚徒困境”对现实经济生活的一些简单的理论上的分析,虽然在现实生活当中影响人们决策和态度的因素很多,但是,博弈论作为现代经济学的前沿领域,始终是一个强有力的分析工具。


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