Участник:Konstantin 013: различия между версиями

Материал из Алговики
Перейти к навигации Перейти к поиску
 
(не показано 27 промежуточных версий этого же участника)
Строка 3: Строка 3:
== Свойства и структура алгоритмов ==
== Свойства и структура алгоритмов ==
=== Общее описание алгоритма ===
=== Общее описание алгоритма ===
Данный алгоритм находит равновесие Нэша в игре двух лиц с конечным числом стратегий
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} F(x^0, y) = G(x^0, y^0)
     \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 (n раз для массиве длины m и ь раз для массиве длины n). Затем, для все возможных позиций проверяется, является она равноесием по нэшу, как это описывалось в разделе выше.
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 43: 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 48: 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 56: 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 65: 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 75: Строка 81:
return res;
return res;
}
}




Строка 81: Строка 88:
=== Последовательная сложность алгоритма ===
=== Последовательная сложность алгоритма ===
Сложность поиска максима во всех строках(стоблцах) в этих матрицах составит  <math> O(nm) </math>.
Сложность поиска максима во всех строках(стоблцах) в этих матрицах составит  <math> O(nm) </math>.
после этго проверка каждого элемента на равновесие имеет сложность O(1), а всех соответственно O(mn).
после этого проверка каждого элемента на равновесие имеет сложность <math> O(1) </math>, а всех соответственно <math> O(nm) </math>.


=== Информационный граф ===
=== Информационный граф ===
Строка 92: 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 101: 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 производительности от размеров матриц (в тестах они задавались квадратными) и от числа процессоров.
на графике показана зависимость времени работы программы от размеров матриц (в тестах они задавались квадратными) и от числа процессоров.
диапазоны:
диапазоны:
число процессоров: [1, 32]
сторона матриц: числа от 100 до 24100 с шагом 1000


[[File:Plot 3 (1).png|thumb|center|1200px|Рис.1. brr F]]
'''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.


Рис.1. поиск максимума для каждого столбца матрицы F

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

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

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

  1. ↑ Васин А.А., Морозов В.В. "Введение в теорию игр с приложениями в экономике"(учебное пособие). - М.: 2003. - 278 с. Pages 91-92