Day 19 介紹三種與圖論有關的合作賽局

更新於 發佈於 閱讀時間約 3 分鐘

Minimum Cost Spanning Tree Game

想像有一座離島,島上分布著好幾個小漁村(玩家)。島的中央還有一座海水淡化廠(供應端,節點 0),可以提供淡水。現在,漁村們討論是否要一起出資鋪設輸水管線,好把淡化廠的淡水供應到所有村莊。


節點:

我們用節點 0 代表海水淡化廠

用節點 1, 2, 3,... 代表各個漁村


邊與成本:

假設這些點 {0, 1, 2, ...} 形成一個完全圖(意思是每兩個節點之間都有連起來),且每個邊上都有一個成本

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現在看看以下的成本圖:

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如果村莊二跟村莊三分別自己連線到淡化廠的話,那需七十單位的成本。但是如果他們結盟,並設計出一條更好的路徑(上圖藍色),則總成本變成三十單位。於是,這就變成一個經典的成本分攤賽局(Cost Allocation Game)


我們來把數學寫得更精確一點:

數學模型

考慮一個完全圖

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其中每條邊都有一個成本

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對於每個 N 中的聯盟 S ,我們定義聯盟成本函數

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這種合作賽局就稱為 Minimum Cost Spanning Tree Game


Shortest Path Game

有三家物流公司,各自負責不同區域的貨物運送。現在,他們都想把貨物從「港口」(起點) 運到「市中心」(終點),但沿途的高速公路或鐵路建設需要成本維護。要是三家公司都各自蓋自己的路段,可能很貴;而若彼此能共享部分路線,總費用就能大幅降低。

假設地理位置如下:三家公司分別要從 s1, s2, s3 送貨到 t1, t2,t3

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若三家公司都蓋自己的路段,那結果大概會是:

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但是如果三家公司結盟,並修建一個幹道:

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則潛在的可能降低所需要的總成本。又是一個 Cost Allocation Game


數學模型

考慮一個完全圖

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其中每條邊都有一個成本

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有一組玩家 N,其中每位玩家 i 有自己的「路徑需求」:想從 si ∈ V 到 ti ∈ V 連通


對任意子聯盟 S ⊆ N,令他們合力「同時滿足」所有 i ∈ S 的起點—終點連線需求。若不同玩家部分路徑重疊,只需支付一次成本。


於是,聯盟成本函數就可以定義成

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這種合作賽局就稱為 Shortest Path Game



## Steiner Tree Game

讓我們回顧第一個賽局中的案例,假設現在兩個漁村與淡水處理廠的地理分布如下。藍色指得是河流,如果搭建的輸送管道通過河流,那個成本會非常高(紅色),可是如果在山上選一著中繼站,然後再送到兩個村莊的話(綠色路徑),則可能總成本還便宜一點。


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這種包含中繼站可能性的最小成本賽局就是 Steiner Tree Game,與第一個例子的不同之處就在於這裡有「可能的中繼站」


數學模型

考慮一個完全圖

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其中每條邊都有一個成本

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而玩家 N 是節點 V 的子集,也就是要被連起來的所有頂點。

我們於是可以定義對於聯盟 S ⊆ N,其聯盟成本為

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在這裡 V' 可以包含一些中繼節點,並一定要包含 S 中的玩家。


Reference

Peleg, Bezalel, and Peter Sudhölter. _Introduction to the theory of cooperative games_. Vol. 34. Springer Science & Business Media, 2007.

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Cesare切薩雷的沙龍
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我的研究興趣是密碼學與應用數學,在這裡分享研究路上的所見所聞。
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