Хорди Деулофеу
Дилемма заключенного и доминантные стратегии. Теория игр
Предисловие
Нет такого раздела математики, пусть даже самого абстрактного, который не может когда-либо быть применен к реальному миру.
Н. И. ЛобачевскийЕсли люди отказываются верить в простоту математики, то это только потому, что они не понимают всю сложность жизни.
Джон фон НейманКакова взаимосвязь между играми и математикой? Математические игры — это всего лишь развлечение, или же их можно использовать для моделирования реальных событий? Что нужно для анализа игры с точки зрения математики и что может дать подобный анализ? Можно ли использовать математику при анализе поведения человека и при принятии решений?
На эти и многие другие вопросы мы попытались ответить в этой книге. Она, в отличие от других книг по этой теме — не просто сборник интересных задач. На примерах мы попытались объяснить математические понятия, процессы и теории.
Мы постарались показать, что серьезная и занимательная, чистая и прикладная математика — порой две стороны одной медали или даже четыре грани одного тетраэдра. Занимательная математика, которая изначально предназначалась лишь для интеллектуального удовольствия, с помощью теории игр превратилась в один из наиболее широко применяемых разделов математики.
Первая глава носит исторический характер и рассказывает о многовековой связи игр и математики. В двух следующих главах говорится об играх, в которые не вмешивается воля случая (игры с полной информацией) и об азартных играх. Так, во второй главе на примере небольших игр показывается, как можно проанализировать игру, чтобы всегда выигрывать (то есть как определить выигрышную стратегию), и какие математические инструменты для этого требуются. Третья глава посвящена элементарной математике, описывающей случайные явления на примере азартных игр, где требуется вычислять вероятность событий. Этим занимается теория вероятностей.
Последние две главы представляют собой введение в теорию игр — раздел математики, созданный Джоном фон Нейманом в середине XX века. Теория игр изучает поведение людей, чтобы оптимизировать принятие решений в экономике, политике, военной сфере, биологии и многих других областях. В этой теории игры используются как математические модели реальных ситуаций.
Важная часть теории игр заключается в формулировке и анализе определенных дилемм, например, как в игре «Ястребы и голуби» (в какой степени оправдан риск?) или в дилемме заключенного (что выгоднее — молчать или доносить?). В подобных ситуациях, которые повсеместно встречаются в нашей жизни, трудный выбор между сотрудничеством и соперничеством осложняет принятие оптимальных решений. Математика не дает окончательных ответов на подобные вопросы, но с помощью оценки разных вариантов помогает определить риски безрассудного соперничества и понять выгоду сотрудничества.
Глава 1. История взаимоотношений игр и математики
Каждый мужчина и каждая женщина пусть проводят свою жизнь, играя в прекраснейшие игры.
ПлатонМатематика — это серьезная или развлекательная наука? Теоретическая или прикладная? Разумеется, на оба эти вопроса можно дать один и тот же ответ: «И то и другое». Но может показаться, что так мы уйдем от реального ответа, поэтому попытаемся раскрыть мысль.
Давно ведутся споры о том, развивается математика сама по себе и решает лишь собственные задачи или ее развитие стимулируют вопросы, поставленные в других областях. Чтобы развеять сомнения, обратимся к истории математики. В Древнем Египте и Вавилонии математика носила исключительно прикладной и практический характер, что подтверждают дошедшие до нас источники. В Древней Греции, где сформировалась суть этой науки — необходимость доказывать правильность полученных результатов, — математика по большей части была теоретической. В ней шла речь об абстрактных понятиях, таких как число или форма, которые, однако, часто находили неожиданное применение в повседневной жизни или в других науках.
Развлекательный характер множества игр не означает, что они не требуют вычислений. Напротив, тот, кто лучше проведет нужные расчеты, и одержит победу.
Можно сказать, что математика развивается благодаря тому, что ученые пытаются решить задачи или ответить на вопросы о нашем мире в самом широком смысле этого слова. Но так как математика является продуктом деятельности человека, все эти вопросы обусловлены культурой, в которой развивается математика, и именно эта культура определяет, какие вопросы представляют в данный момент наибольший интерес.
Математика занимательная и серьезная, чистая и прикладная
Джон фон Нейман, один из главных героев этой книги, в своей лекции «Роль математики в науке и обществе» (The Role of Mathematics in Science and Society) подтвердил, что множество важнейших математических идей появились без каких-либо мыслей об их предполагаемой полезности, но по прошествии времени математические теории, модели и методы стали использоваться при решении задач в самых разных областях человеческих знаний. В то же время многие математические идеи зародились в реальном мире, в котором мы живем, потому что математика, пусть и далекая от реальности, тем не менее в разных формах присутствует в ней.
Фон Нейман никоим образом не принадлежит к тем математикам, которые не ценят прикладное значение этой научной дисциплины (недаром он является одним из создателей теории игр, в значительной степени носящей прикладной характер). Ученый подтверждает, что очень часто ученые добивались успеха, когда не искали что-то полезное целенаправленно и руководствовались лишь соображениями красоты с точки зрения математики. Фактически в финале своей лекции фон Нейман подчеркивает, что прогресс в математике был бы значительно меньше, если бы все исследования велись исключительно с учетом их возможной полезности для человечества. Напротив, своеобразный принцип невмешательства позволил добиться поистине удивительных результатов.
Проводя параллель с полезностью математики, можно упомянуть и ее развлекательный характер. Может ли такая абстрактная наука одновременно быть столь интересной? И снова история математики подсказывает нам ответ. В этой главе вы увидите, как игры и занимательная математика шли бок о бок практически во все времена и множество раз давали начало новым теориям: например теории вероятностей, теории графов и, разумеется, теории игр.
Головоломка, игра и математическая задача весьма схожи: они представляют собой вызов интеллекту. Принимая этот вызов, игрок (или тот, кто решает задачу) должен приложить определенные умственные усилия, чтобы справиться с задачей или обыграть соперника. Подобные усилия кому-то могут показаться обременительными и скучными, но они приносят подлинное удовольствие тем, кому по душе математика, загадки для ума или игры, в которых нужно подумать. Ведь, как говорил Мигель де Гусман, математика — это всегда игра, а также многое-многое другое.
Многие традиционные игры можно проанализировать с точки зрения теории игр.
Аналогично процесс обдумывания ходов в настольных играх очень похож на решение математических задач, так как математика сама по себе может быть занимательной и стимулировать интеллект. Тот факт, что математика имеет большое значение как самостоятельный вид умственной деятельности и используется в самых разнообразных областях, иногда простых, иногда сложных (как, например, некоторые популярные игры), не означает, что она очень