Участник:Konstantin 013: различия между версиями
| (не показаны 32 промежуточные версии этого же участника) | |||
| Строка 3: | Строка 3: | ||
== Свойства и структура алгоритмов == | == Свойства и структура алгоритмов == | ||
=== Общее описание алгоритма === | === Общее описание алгоритма === | ||
Данный алгоритм находит | Данный алгоритм находит равновесия Нэша в игре двух лиц с конечным числом стратегий | ||
=== Математическое описание алгоритма === | === Математическое описание алгоритма === | ||
| Строка 10: | Строка 10: | ||
<math> \Gamma \langle X, Y, F(x, y), G(x, y) \rangle </math>. Ситуация <math> (x^0, y^0) </math> называется ''равновесием по Нэшу'' игры <math> \Gamma </math> если: | <math> \Gamma \langle X, Y, F(x, y), G(x, y) \rangle </math>. Ситуация <math> (x^0, y^0) </math> называется ''равновесием по Нэшу'' игры <math> \Gamma </math> если: | ||
<math> | <math> | ||
\max_{x \in X} F(x, y^0) = F(x^0, y^0) \quad , \quad \max_{y \in Y} | \max_{x \in X} F(x, y^0) = F(x^0, y^0) \quad , \quad \max_{y \in Y} G(x^0, y) = G(x^0, y^0) | ||
</math> | </math> | ||
| Строка 19: | Строка 19: | ||
=== Вычислительное ядро алгоритма === | === Вычислительное ядро алгоритма === | ||
Сначала будет естественно для каждого столбца матрицы <math> F </math> найти максимум в нём и для каждой строки матрицы <math> G </math> найти максимум в ней. Т.е. мы ищем для каждого из <math> m </math> векторов <math> R^n </math> мы ищем максимум и для каждого из <math> n </math> векторов <math> R^m </math> мы ищем максимум. | Сначала будет естественно для каждого столбца матрицы <math> F </math> найти максимум в нём (таким образом мы находим наилучший ответ 1-го игрока, при фиксированной стратегии 2-го) и для каждой строки матрицы <math> G </math> найти максимум в ней (ищем наилучшие ответы 2-го игрока). Т.е. мы ищем для каждого из <math> m </math> векторов <math> R^n </math> мы ищем максимум и для каждого из <math> n </math> векторов <math> R^m </math> мы ищем максимум. | ||
После этого для каждой ситуации <math> (x^0, y^0) </math> несложно понять, является ли она равновесием Нэша: нужно просто проверить, что <math> F(x^0, y^0) </math> - максимальный элемент в <math> y^0 </math>-м столбце матрицы <math> F </math> и <math> G(x^0, y^0) </math> - максимальный элемент в <math> x^0 </math>-ой строке матрицы <math> G </math>. | После этого для каждой ситуации <math> (x^0, y^0) </math> несложно понять, является ли она равновесием Нэша: нужно просто проверить, что <math> F(x^0, y^0) </math> - максимальный элемент в <math> y^0 </math>-м столбце матрицы <math> F </math> и <math> G(x^0, y^0) </math> - максимальный элемент в <math> x^0 </math>-ой строке матрицы <math> G </math>. | ||
=== Макроструктура алгоритма === | === Макроструктура алгоритма === | ||
Алгоритм в качестве подзадачи многократно использует поис максимума в массиве (<math> n </math> раз в массиве длины <math> m </math> и <math> m </math> раз в массиве длины <math> n </math>). Затем, для все возможных позиций проверяется, является она равноесием по нэшу, как это описывалось в разделе выше. | |||
=== Схема реализации последовательного алгоритма === | === Схема реализации последовательного алгоритма === | ||
| Строка 45: | Строка 43: | ||
const std::vector<std::vector<double> > &g) | const std::vector<std::vector<double> > &g) | ||
{ | { | ||
//f and g are payoff matrices for first and second players respectively | |||
std::list<std::pair<int, int> > res; | std::list<std::pair<int, int> > res; | ||
| Строка 50: | Строка 50: | ||
int m = g[0].size(); | int m = g[0].size(); | ||
//find best response for first player for each fixed second player's strategy | |||
std::vector<double> maxf(m); | std::vector<double> maxf(m); | ||
for (int i = 0; i < m; ++i) { | for (int i = 0; i < m; ++i) { | ||
| Строка 58: | Строка 59: | ||
} | } | ||
//and best response for second player | |||
std::vector<double> maxg(n); | std::vector<double> maxg(n); | ||
for (int i = 0; i < n; ++i) { | for (int i = 0; i < n; ++i) { | ||
| Строка 67: | Строка 70: | ||
// consinering best responses for both player check each position if it's nash equilibrium | |||
for (int i = 0; i < n; ++i) { | for (int i = 0; i < n; ++i) { | ||
for (int j = 0; j < m; ++j) { | for (int j = 0; j < m; ++j) { | ||
| Строка 77: | Строка 81: | ||
return res; | return res; | ||
} | } | ||
| Строка 82: | Строка 87: | ||
=== Последовательная сложность алгоритма === | === Последовательная сложность алгоритма === | ||
Сложность поиска максима во всех строках(стоблцах) в этих матрицах составит <math> O(nm) </math>. | |||
после этого проверка каждого элемента на равновесие имеет сложность <math> O(1) </math>, а всех соответственно <math> O(nm) </math>. | |||
=== Информационный граф === | === Информационный граф === | ||
Для начала был создан граф поиска максимума для каждого столбца матрицы F. | Для начала был создан граф поиска максимума для каждого столбца матрицы F. поиск максимума для каждой строки матрицы G делается аналогично. | ||
| Строка 93: | Строка 99: | ||
Для нахождения максимума в каждой из <math> n </math> строк матрицы <math> F </math> понадобится <math> m - 1 </math> операция сравнения для вещественных чисел. | Для нахождения максимума в каждой из <math> n </math> строк матрицы <math> F </math> понадобится <math> m - 1 </math> операция сравнения для вещественных чисел. | ||
Аналогично, для нахождения максимума в каждом из <math> m </math> столбцов матрицы <math> G </math> понадобится <math> n - 1 </math> операция сравнения для вещественных чисел. | Аналогично, для нахождения максимума в каждом из <math> m </math> столбцов матрицы <math> G </math> понадобится <math> n - 1 </math> операция сравнения для вещественных чисел. | ||
при неограниченном числе ресурсов, все строки столбцы обрабатываются отдельно, поэтому сложность будет <math> max(m, n) </math>. | |||
Далее, для определения каждой ситуации на равновесие нужно просто сравнить значение в <math> F </math> с максимумом в столбце и в <math> G </math> с максимумом в строке, т.е. для каждой ситуации это <math> O(1) </math>, а так как, для каждой ситуации это независимые действия, при неограниченном числе ресурсов все вычисления имеют сложность <math> O(1) </math>. | Далее, для определения каждой ситуации на равновесие нужно просто сравнить значение в <math> F </math> с максимумом в столбце и в <math> G </math> с максимумом в строке, т.е. для каждой ситуации это <math> O(1) </math>, а так как, для каждой ситуации это независимые действия, при неограниченном числе ресурсов все вычисления имеют сложность <math> O(1) </math>. | ||
| Строка 102: | Строка 109: | ||
'''Выходные данные:''' | '''Выходные данные:''' | ||
список пар <math> (i, j) </math>, где <math> i \in [1 .. n], j \in [1 .. m] </math> | список пар <math> (i, j) </math>, где <math> i \in [1 .. n], j \in [1 .. m] </math> | ||
=== Свойства алгоритма === | |||
== Программная реализация алгоритма == | == Программная реализация алгоритма == | ||
=== Особенности реализации последовательного алгоритма === | |||
=== Локальность данных и вычислений === | |||
=== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма === | |||
=== Масштабируемость алгоритма и его реализации === | === Масштабируемость алгоритма и его реализации === | ||
на графике показана зависимость времени работы программы от размеров матриц (в тестах они задавались квадратными) и от числа процессоров. | |||
диапазоны: | |||
'''число процессоров''': [1, 32] | |||
'''сторона матриц''': числа от 100 до 24100 с шагом 1000 | |||
[[File:Plot.jpg|thumb|center|800px|Рис.1. график зависимости времени работы программы от числа процессоров и стороны матрицы]] | |||
На графике видно, что в данных тестах процессы нагружаются оптимально, т.к. их увеличение приводит к сильному уменьшению времени. При данных параметрах можно считать, что время обратно пропорцинально числу процессов. | |||
=== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма === | |||
=== Выводы для классов архитектур === | |||
=== Существующие реализации алгоритма === | === Существующие реализации алгоритма === | ||
Текущая версия от 14:19, 2 декабря 2017
Основные авторы описания: К.В.Телегин
Свойства и структура алгоритмов
Общее описание алгоритма
Данный алгоритм находит равновесия Нэша в игре двух лиц с конечным числом стратегий
Математическое описание алгоритма
Определим игру двух лиц. Пусть первый игрок имеет в своём распоряжении стратегии [math]\displaystyle{ x }[/math] из множества стратегий [math]\displaystyle{ X }[/math], а второй игрок стратегии [math]\displaystyle{ y }[/math] из множества стратегий [math]\displaystyle{ Y }[/math]. Будем рассматривать игру в нормальной форме. Это означает, что каждый из игроков выбирает стратегию, не зная выбора партнёра. Пару стратегий [math]\displaystyle{ (x, y) }[/math] будем называть ситуацией. У первого игрока имеется функция выигрыша [math]\displaystyle{ F(x, y) }[/math], а у второго [math]\displaystyle{ G(x, y) }[/math], определённые на на множестве всех ситуаций [math]\displaystyle{ X × Y }[/math]. каждый игрок стремится, по возможности, максимизировать свою функцию выигрыша. Таким образом, игра двух лиц в нормальной форме задаётся набором [math]\displaystyle{ \Gamma \langle X, Y, F(x, y), G(x, y) \rangle }[/math]. Ситуация [math]\displaystyle{ (x^0, y^0) }[/math] называется равновесием по Нэшу игры [math]\displaystyle{ \Gamma }[/math] если: [math]\displaystyle{ \max_{x \in X} F(x, y^0) = F(x^0, y^0) \quad , \quad \max_{y \in Y} G(x^0, y) = G(x^0, y^0) }[/math]
Иными словами, каждому из игроков невыгодно отколняться от ситуации равновесия.[1]
В данной статье мы рассмотрим нахождение ситуаций равновесий Нэша в одном специальном случае для множеств [math]\displaystyle{ X, Y }[/math]. Назовём игру [math]\displaystyle{ \Gamma }[/math] биматричной, если [math]\displaystyle{ X, Y }[/math] - конечные множества. тогда можно считать, что [math]\displaystyle{ X = [1, ..., n], Y = [1, ..., m] }[/math], а [math]\displaystyle{ F, G }[/math] - являются матрицами [math]\displaystyle{ R^{n × m} }[/math]
Вычислительное ядро алгоритма
Сначала будет естественно для каждого столбца матрицы [math]\displaystyle{ F }[/math] найти максимум в нём (таким образом мы находим наилучший ответ 1-го игрока, при фиксированной стратегии 2-го) и для каждой строки матрицы [math]\displaystyle{ G }[/math] найти максимум в ней (ищем наилучшие ответы 2-го игрока). Т.е. мы ищем для каждого из [math]\displaystyle{ m }[/math] векторов [math]\displaystyle{ R^n }[/math] мы ищем максимум и для каждого из [math]\displaystyle{ n }[/math] векторов [math]\displaystyle{ R^m }[/math] мы ищем максимум. После этого для каждой ситуации [math]\displaystyle{ (x^0, y^0) }[/math] несложно понять, является ли она равновесием Нэша: нужно просто проверить, что [math]\displaystyle{ F(x^0, y^0) }[/math] - максимальный элемент в [math]\displaystyle{ y^0 }[/math]-м столбце матрицы [math]\displaystyle{ F }[/math] и [math]\displaystyle{ G(x^0, y^0) }[/math] - максимальный элемент в [math]\displaystyle{ x^0 }[/math]-ой строке матрицы [math]\displaystyle{ G }[/math].
Макроструктура алгоритма
Алгоритм в качестве подзадачи многократно использует поис максимума в массиве ([math]\displaystyle{ n }[/math] раз в массиве длины [math]\displaystyle{ m }[/math] и [math]\displaystyle{ m }[/math] раз в массиве длины [math]\displaystyle{ n }[/math]). Затем, для все возможных позиций проверяется, является она равноесием по нэшу, как это описывалось в разделе выше.
Схема реализации последовательного алгоритма
Данный код реализует последовательную версию алгоритма
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <list>
#include <utility>
std::list<std::pair<int, int> >
nash_equilibrium(
const std::vector<std::vector<double> > &f,
const std::vector<std::vector<double> > &g)
{
//f and g are payoff matrices for first and second players respectively
std::list<std::pair<int, int> > res;
int n = f.size();
int m = g[0].size();
//find best response for first player for each fixed second player's strategy
std::vector<double> maxf(m);
for (int i = 0; i < m; ++i) {
maxf[i] = f[0][i];
for (int j = 1; j < n; ++j) {
maxf[i] = std::max(maxf[i], f[j][i]);
}
}
//and best response for second player
std::vector<double> maxg(n);
for (int i = 0; i < n; ++i) {
maxg[i] = g[i][0];
for (int j = 1; j < m; ++j) {
maxg[i] = std::max(maxg[i], g[i][j]);
}
}
// consinering best responses for both player check each position if it's nash equilibrium
for (int i = 0; i < n; ++i) {
for (int j = 0; j < m; ++j) {
if (f[i][j] == maxf[j] && g[i][j] == maxg[i]) {
res.emplace_back(i, j);
}
}
}
return res;
}
Последовательная сложность алгоритма
Сложность поиска максима во всех строках(стоблцах) в этих матрицах составит [math]\displaystyle{ O(nm) }[/math]. после этого проверка каждого элемента на равновесие имеет сложность [math]\displaystyle{ O(1) }[/math], а всех соответственно [math]\displaystyle{ O(nm) }[/math].
Информационный граф
Для начала был создан граф поиска максимума для каждого столбца матрицы F. поиск максимума для каждой строки матрицы G делается аналогично.

Ресурс параллелизма алгоритма
Для нахождения максимума в каждой из [math]\displaystyle{ n }[/math] строк матрицы [math]\displaystyle{ F }[/math] понадобится [math]\displaystyle{ m - 1 }[/math] операция сравнения для вещественных чисел. Аналогично, для нахождения максимума в каждом из [math]\displaystyle{ m }[/math] столбцов матрицы [math]\displaystyle{ G }[/math] понадобится [math]\displaystyle{ n - 1 }[/math] операция сравнения для вещественных чисел. при неограниченном числе ресурсов, все строки столбцы обрабатываются отдельно, поэтому сложность будет [math]\displaystyle{ max(m, n) }[/math]. Далее, для определения каждой ситуации на равновесие нужно просто сравнить значение в [math]\displaystyle{ F }[/math] с максимумом в столбце и в [math]\displaystyle{ G }[/math] с максимумом в строке, т.е. для каждой ситуации это [math]\displaystyle{ O(1) }[/math], а так как, для каждой ситуации это независимые действия, при неограниченном числе ресурсов все вычисления имеют сложность [math]\displaystyle{ O(1) }[/math].
Входные и выходные данные алгоритма
Входные данные: две матрицы [math]\displaystyle{ R^{n × m} }[/math]
Выходные данные: список пар [math]\displaystyle{ (i, j) }[/math], где [math]\displaystyle{ i \in [1 .. n], j \in [1 .. m] }[/math]
Свойства алгоритма
Программная реализация алгоритма
Особенности реализации последовательного алгоритма
Локальность данных и вычислений
Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма
Масштабируемость алгоритма и его реализации
на графике показана зависимость времени работы программы от размеров матриц (в тестах они задавались квадратными) и от числа процессоров. диапазоны:
число процессоров: [1, 32]
сторона матриц: числа от 100 до 24100 с шагом 1000

На графике видно, что в данных тестах процессы нагружаются оптимально, т.к. их увеличение приводит к сильному уменьшению времени. При данных параметрах можно считать, что время обратно пропорцинально числу процессов.
Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма
Выводы для классов архитектур
Существующие реализации алгоритма
Данный код реализует параллельную версию алгоритма
#include <iostream>
#include <vector>
#include <list>
#include <algorithm>
#include <mpi.h>
using namespace std;
vector<vector<double> >
create_local_matrix(
int n,
int m,
int n_proc,
int rank)
{
int loc_n = rank < n % n_proc ? n / n_proc + 1 : n / n_proc;
vector<vector<double> > F(loc_n, vector<double>(m));
for (auto &i: F) {
for (auto &j: i) {
j = rand() % 1000;
}
}
return F;
}
vector<double>
calc_max_in_rows(const vector<vector<double> > &G)
{
vector<double> G_max(G.size());
for (int i = 0; i < G.size(); ++i) {
G_max[i] = G[i][0];
for (int j = 1; j < G[i].size(); ++j) {
G_max[i] = max(G_max[i], G[i][j]);
}
}
return G_max;
}
vector<double>
calc_max_in_cols(const vector<vector<double> > &F)
{
vector<double> F_max(F[0].size());
for (int i = 0; i < F_max.size(); ++i) {
F_max[i] = F[0][i];
for (int j = 1; j < F.size(); ++j) {
F_max[i] = max(F_max[i], F[j][i]);
}
}
return F_max;
}
int
main(int argc, char *argv[])
{
int n_proc;
int rank;
int n, m;
MPI_Init(&argc, &argv);
MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &n_proc);
MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rank);
//reading and sending n and m;
if (rank == 0) {
// this is main process
cin >> n >> m;
if (n < m) {
swap(n, m);
}
}
MPI_Bcast(&n, 1, MPI_INT, 0, MPI_COMM_WORLD);
MPI_Bcast(&m, 1, MPI_INT, 0, MPI_COMM_WORLD);
//Create and fill its part of matrices F and G
srand(time(NULL));
vector<vector<double> > F = create_local_matrix(n, m, n_proc, rank);
vector<vector<double> > G = create_local_matrix(n, m, n_proc, rank);
//every process calculate max in every its rows of matrix G and columns of matrix F
int loc_n = rank < n % n_proc ? n / n_proc + 1 : n / n_proc;
//columns of F
vector<double> loc_F_col_max = calc_max_in_cols(F);
//and rows of G
vector<double> loc_G_row_max = calc_max_in_rows(G);
//now we gather this local maximums in on common vector
vector<double> F_max(m);
MPI_Allreduce(loc_F_col_max.data(), F_max.data(), m, MPI_DOUBLE, MPI_MAX, MPI_COMM_WORLD);
//find nash equilibriums
vector<pair<int, int> > loc_ans;
for (int i = 0; i < loc_n; ++i) {
for (int j = 0; j < m; ++j) {
if (F[i][j] == F_max[j] && G[i][j] == loc_G_row_max[i]) {
loc_ans.push_back(make_pair(i, j));
}
}
}
MPI_Finalize();
}
Литература
- ↑ Васин А.А., Морозов В.В. "Введение в теорию игр с приложениями в экономике"(учебное пособие). - М.: 2003. - 278 с. Pages 91-92