博弈论系列之耶鲁公开课学习(六):纳什均衡之性别战争和古诺模型

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  本节课会对协调博弈做一次更深层的展开,上一讲的协调博弈,本质上博弈双方的收益是一样的,所以更容易协调。如果博弈双方的收益不一样,一方更趋近于策略一,另一方更趋近于策略二,该怎么办呢?其次会介绍博弈论中有一个经典模型,纳什均衡的最早应用版本——古诺双寡头模型。

性别大战(Battle Of The Sexs)

  男女双方想要约会去看电影,此时电影院正在上映三部电影:《谍影重重》(The Bourne Ultimatum),《特工风云》(The Good Shepherd),《白雪公主》(Snow White and the Seven Dwarfs)。男方更偏好于《特工风云》,女方则更偏好于《谍影重重》,两方都不喜欢《白雪公主》,希望他们能够选择一起去看电影,否则不会有收益。如果你觉得两方可以协调去看白雪公主,emmmm,祝你幸福! 具体博弈收益如下图所示:

  策略SW在任何情况都不会是BR,对于两方都是严格劣势策略,需要进行剔除。

  此博弈为协调博弈,存在两个纳什均衡。NE=(BU,BU)NE=(GS,GS)。但是两个纳什均衡下的收益,对于两方是不同的。实际博弈过程中,如果女方坚持策略BU,男方则不得不妥协选择BU

古诺双寡头模型(Cournot Duopoly)

  市场上有两家公司在生产一款同质产品。参与人是两家公司,策略是产品的产量q_1q_2
  其中生产每一个产品的成本是c,故公司的成本为c \times q
  市场定价有两个参数aba,b>0),市场定价和产品的数量有关,价格p=a-b(q_1+q_2)。两家企业生产的越多,价格自然也就越低。

  根据价格、成本和产量,我们可以先画出需求曲线(Demand curve)

  从图中就可以反映出,随着产量的增加,市场的定价在不断降低,最低不能使得定价p低于成本c,否则就亏本了。当定价和成本相等时,此交点被称为完全竞争产量,p=\frac{a-c}{b}

  接下来,我们先看博弈,对于公司一,收益可以写成:

U_1(q_1,q_2)=p*q_1-c*q_1=[a-b(q_1+q_2)-c]*q_1

  那么在对手q_2的策略下,我们需要最大化我们的利益,此时的q_1就是q_2的最佳应对(BR)。

  我们对U_1q_1上进行求导,令一阶导数为0,此时有极值。\frac{\partial U_1}{\partial q_1}=-2bq_1+(a-bq_2-c)=0

  我们发现二阶导\frac{\partial^2 U_1}{\partial q_1^2}=-2b < 0,故存在最大值。

  我们可以求得公司一的最佳应对q_1=\frac{a-c}{2b}-\frac{q_2}{2}

  同理我们也能够得到公司二的最佳应对q_2=\frac{a-c}{2b}-\frac{q_1}{2}

  假设公司二倒闭了(产量为0),此时公司一处于垄断情况,最佳应对为\frac{a-c}{2b}也被成为垄断产量。如下图所示。

  抛开上述的博弈不谈,我们已经知道了完全竞争产量。现在我们来计算一下垄断产量。垄断产量也就是让公司收益最大的产量,即\mathop {argmax}_{q}(a-b*q)*q-c*q,可以求得q=\frac{a-c}{2b}

  垄断产量还有一个定义,即边际利润为0时的产量,此时利润达到最大化。如果我们将市场定价p换成边际收益p',我们就能够画出边际收益曲线(Marginal Revenue)(图中红线所示)。边际收益是指增加一单位产品的销售所增加的收益。根据定义,我们可以写出边际收益的公式:

\begin{eqnarray}
p'&=&\frac{p*(q+\Delta q)-p*q}{(q+\Delta q) - q} \\
&=& \frac{[a-b*(q+\Delta q)]*(q+\Delta q)-[a-b*q]*q}{(q+\Delta q) - q} \\
&=& a-2b*q-b\Delta q \\
& \approx& a-2b*q
\end{eqnarray}

令边际利润p'-c=0,我们依然可以得到垄断产量q=\frac{a-c}{2b}

  让我们回到博弈中来,我们得到了公司一和公司二的最佳应对。我们画出双方最佳应对的图。横坐标为公司一的产量,纵坐标为公司二的产量。

我们发现存在纳什均衡,由于对称性,我们令q_1=q_2,解得纳什均衡q_1=q_2=\frac{a-c}{3b}

  我们对比一下它和合伙人博弈的曲线:

  古诺双寡头博弈属于策略替代博弈,你生产的多,我就得生产的少。毕竟两者是竞争关系。
  合伙人博弈属于策略互补博弈,你出力多,我也会出力多。毕竟两者是合作关系。

  为什么两个公司不各生产垄断产量的一半(两点如上图 α,β 两点连线的中点(红色的点)所分别对应的产量(水蓝色的点)),以使得行业利润最大化呢?

  这就是纳什均衡的魅力,即使通过私下达成协议(限产协议是违法的),一方仍会在另一房公司的产量下选择最佳应对。例如公司一和公司二各自生产了垄断产量的一半。此时公司一有理由增加产量来达到A点的最佳应对C点。而此时公司二也有理由相应的调整产量。来来回回,最终仍然会落到纳什均衡上。

  完全竞争产量、古诺产量、垄断产量三者的关系:
  完全竞争产量 > 古诺产量 > 垄断产量

\frac{a-c}{b} > \frac{2(a-c)}{3b} > \frac{a-c}{2b}