Опираясь на понятие платежа, можно провести первую классификацию игр и разделить их на две большие группы: игры с нулевой и ненулевой суммой. В игре первого типа игроки борются за один приз или платеж, а сумма всех выигрышей равна сумме всех проигрышей. Игры, в которых можно одновременно выбирать несколько призов, называются играми с ненулевой суммой.
Спектр игр с нулевой суммой очень широк. Именно к этой категории относятся такие игры, как шашки или шахматы: когда один игрок получает очко, другой его теряет. Можно сказать, что один получает положительное очко, а второй — отрицательное. Такой сценарий фон Нейман назвал игрой с нулевой суммой для двух игроков. Эта схема включает в себя большое количество соревновательных игр. В них игрок получает все или ничего, борьба идет до конца, то есть игра заканчивается, когда один игрок побеждает, а другой проигрывает. Другими словами, игроки не могут сотрудничать друг с другом.
ПЛАТЕЖНАЯ МАТРИЦА
Для анализа игр очень полезным инструментом оказывается так называемая платежная матрица (Pay-off Matrix). Она представляет собой двойную таблицу, где слева записываются возможные стратегии игрока А, а вверху — игрока В. Под стратегиями понимаются возможности, появляющиеся в ходе игры. В каждой ячейке таблицы указаны выигрыши или проигрыши каждого игрока, полученные в результате выбранной стратегии. Два числа, разделенные запятой или косой чертой, обозначают выигрыши и проигрыши первого и второго игрока соответственно.
Игрок В
1
2
Игрок А
1
10/2
-3/5
2
1/-6
4/8
Эта платежная матрица говорит нам, что если игрок А выберет стратегию 2, а игрок В — стратегию 1, то в результате выигрыш первого составит 1, а проигрыш второго — 6. Если же игрок А выберет стратегию 1, а В — 2, то проигрыш первого составит 3, а выигрыш второго — 5. Ниже приведен еще один, более простой способ изображения платежной матрицы с такой же расшифровкой.
В1
В2
А1
10,2
-3,5
А2
1-6
4,8
При игре с нулевой суммой достаточно вставить одно число в каждую ячейку, так как выигрыш одного игрока будет равен потере другого.
Джон фон Нейман за чаепитием с выпускниками в Институте перспективных исследований Принстона (IAS) в ноябре 1947 года.
Бюст фон Неймана в Будапеште.
В 1944 году Оскар Моргенштерн (на фото) и Джон фон Нейман выпустили совместную работу Theory of Games and Economic Behavior («Теория игр и экономическое поведение·).
В1
В2
А1
9
-3
А2
-2
14
Эта матрица показывает, что если игрок А выберет первую стратегию, а игрок В — вторую, то первый потеряет 3, а второй выиграет 3, и так далее для остальных ячеек.
Этот способ представления игры для двух человек с нулевой суммой в виде двойной таблицы фон Нейман назвал сведением к нормальной форме игры.
Разумеется, таблицы, приведенные выше, могут относиться только к очень простым играм, но это не означает, что их нельзя применить и к таким сложным, как шахматы, хотя в этом случае таблица была бы огромной. Но важны не размеры таблицы, а то, что игры такого типа можно привести к нормальной форме.
Предшественником фон Неймана в моделировании игр был французский математик Эмиль Борель (1871-1956), опубликовавший с 1921 по 1927 год серию работ по теории игр, целью которых было установить выигрышные стратегии вне зависимости от фактора удачи или психологического состояния игроков в момент принятия решений. Несмотря на то что их работы в чем-то схожи, фон Нейман всегда утверждал, что проводил свои исследования совершенно независимо от Бореля. Можно с точностью сказать, что математические результаты фон Неймана имеют более общий характер и отвечают на такие ключевые вопросы, которые никогда даже не поднимались в работах Бореля. Тем не менее некоторые ученые отстаивают важность его вклада и, говоря об этой схеме, называют ее теорией Бореля — Неймана.
ПЕРВАЯ ТЕОРЕМА О МИНИМАКСЕ
Для того чтобы установить выигрышную стратегию в игре, игроки должны отвечать двум требованиям.
1. Они оба должны быть рациональными.
2. Они оба должны выбирать свои стратегии, ориентируясь исключительно на личную выгоду.
Теперь представим, что игроки А и В участвуют в игре со следующей платежной матрицей.
В1
В2
B3
А1
-5
0
-2
А2
1
-3
-2
A3
3
8
-1
Она содержит три возможных выбора для каждого игрока. Предположим, что числа обозначают выигрыши или проигрыши в евро. Следовательно, речь идет об игре с нулевой суммой в ее нормальной форме. Проанализируем возможные стратегии игроков. Допустим, В выбирает первую стратегию. В таком случае лучшим вариантом для А будет третья стратегия: с ней он заработает 3 евро, тогда как с первой потеряет 5, а со второй выиграет всего 1. Если же В выберет вторую стратегию, то А тоже будет лучше следовать третьему варианту, так как он позволяет заработать больше всего. Наконец, если В выберет третью стратегию, то А проиграет в любом случае, но его проигрыш составит только 1 евро. Следовательно, для А лучшей стратегией, безусловно, будет третья, вне зависимости от выбора В.
У игрока В немного другая ситуация. Если А выберет первую стратегию, наилучшим вариантом будет В1. В случае А2, разумеется, следует выбрать В2, а в случае A3 В должен выбрать третью стратегию, так как с ней он потеряет меньше всего. При этом В не имеет ни малейшего понятия о том, как поступит А, и тем не менее он должен сделать свой выбор. Именно в этот момент строится следующее предположение: «А — рациональный игрок, и лучший вариант для него — A3; в этом случае ВЗ будет для меня выгоднее всего, и значит, я последую этой стратегии». Игрок В знает, что в противном случае он проиграет, и пытается свести этот риск к минимуму.
Исследуя эту схему, фон Нейман сделал следующее замечание: на каждой строке всегда есть число меньше остальных двух. Он назвал его минимальным значением. Например, в предыдущей таблице в первой строке стоят числа -5, 0, -2. Самое маленькое из них -5. Таким же образом, минимальное значение для второй строки -3, для третьей —1. Фон Нейман взял самое большое из этих трех чисел, —1 (из всех трех вариантов оно является минимальным проигрышем), и назвал его максимином.
Затем он проделал то же самое для столбцов, но наоборот. Найдем самое большое, то есть максимальное, число в каждом столбце. В первом это будет 3, во втором 8, в третьем -1. Теперь определим самое маленькое из них, минимакс, которым в этом случае будет -1. Таким образом, в этой игре максимин и минимакс совпали в -1. И не случайно, ведь именно это и утверждается в теореме фон Неймана: «В большинстве игр с двумя участниками и нулевой суммой максимин всех строк всегда совпадает с минимаксом столбцов», и оно будет значением игры при оптимальной стратегии для обоих игроков.