Участник:Sveta: различия между версиями
Sveta (обсуждение | вклад) Нет описания правки |
Sveta (обсуждение | вклад) |
||
| (не показана 51 промежуточная версия этого же участника) | |||
| Строка 1: | Строка 1: | ||
Основные авторы описания: [[Участник:Sveta|Закирова С.В.]] | |||
Поиск равновесия в дуополии Штакельберга | |||
== Свойства и структура алгоритмов == | |||
= | === Общее описание алгоритма === | ||
Модель дуополии Штакельберга является развитием модели дуополии Курно. Если в модели Курно считается, что участники рынка не прогнозируют отклика конкурента на собственные действия, то в модели Штакельберга один участник рынка не прогнозирует поведения конкурента, а второй учитывает поведение первого, зная, что конкурент не ответит на его действия. Другими словами, второй участник рынка знает, что первый участник рынка ведет себя в соответствии с моделью Курно. <ref> Шагин, В. Л. Теория игр с экономическими приложениями. Учебное пособие. — М., ГУ-ВШЭ, 2003. </ref> | |||
=== Математическое описание алгоритма === | |||
Есть множество стратегий первого игрока <math> X </math> и множество стратегий <math> Y </math> второго игрока. | |||
Первым ходит игрок, называемый лидером, его стратегия <math> x \in X </math>. Второй игрок, называемый подчиненным, ходит стратегией <math> y \in Y </math>. У каждого игрока есть своя функция выигрыша. Для лидера это функция <math> H(x,y) </math>. | |||
Для подчиненного <math> G(x,y) </math>. Оба хотят максимизировать свой выигрыш, при условии лояльности(лояльность, это когда при условии одинакового выигрыша для второго, он максимизирует выигрыш первого) второго игрока по отношении к первому. Набор стратегий <math> (x^*,y^*) </math> называется равновесием Штакельберга<ref> Васин А.А., Морозов В.В. "Введение в теорию игр с приложениями в экономике"(учебное пособие). - М.: 2003. - 278 с. Pages 131-132 </ref>, если <math> y^* = R(x^*) </math> есть наилучший ответ подчиненного на стратегию лидера, которая находится как решение задачи <math> H(x^*, y^*) = max H(x,R(x)) </math> (максимум берется по всем стратегиям <math>x</math> из <math>X</math>) | |||
=== Вычислительное ядро алгоритма === | |||
Вычислительным ядром данного алгоритма является поиск максимума в строке. Таким образом мы находим наилучший ответ второго игрока. | |||
=== Макроструктура алгоритма === | |||
Как уже сказано в пункте выше, основнуая составляющая часть алгоритма это поиск максимума в строке. | |||
Алгоритм можно представить как многократное повторение(по количеству строк) поиска максимума в строках первой матрицы. После этого поиск максимума по элементам второй матрицы, индексы которых уже были найдены в первой итерации. | |||
=== Схема реализации последовательного алгоритма === | |||
<source lang="C++"> | |||
#include <vector> | |||
#include <cstdlib> | |||
#include <ctime> | |||
using namespace std; | |||
int main(int argc, char *argv[]) | |||
{ | |||
//считиываем m и n | |||
int n = strtol(argv[1], NULL, 10); | |||
int m = strtol(argv[2], NULL, 10); | |||
//создаем матрицы G и H | |||
vector<vector<double>> H(n, vector<double>(m)); | |||
vector<vector<double>> G(n, vector<double>(m)); | |||
//инициализируем матрицы G и H | |||
srand(time(NULL)); | |||
for(int i = 0; i < n; ++i) { | |||
for(int j = 0; j < m; ++j) { | |||
H[i][j] = rand(); | |||
G[i][j] = rand(); | |||
} | |||
} | |||
//ищем максимум в G благожелательно к лидеру на каждую его стратегию | |||
vector<int> ind(n); | |||
for(int i = 0; i < n; ++i){ | |||
double max_in_line = H[i][0]; | |||
int ind_max = 0; | |||
for(int j = 0; j < m; ++j){ | |||
if (G[i][j] > max_in_line) { | |||
max_in_line = G[i][j]; | |||
ind_max = j; | |||
} else if (G[i][j] == max_in_line) { | |||
if (H[i][j] > H[i][ind_max]) { | |||
ind_max = j; | |||
max_in_line = G[i][j]; | |||
} | |||
} | |||
} | |||
ind[i] = ind_max; | |||
} | |||
//ищем с учетом ответа второго наилучшую тратегию для лидера | |||
int str_h = 0; | |||
for(int i = 0; i < n; ++i) { | |||
if (H[i][ind[i]] > H[str_h][ind[str_h]]) { | |||
str_h = i; | |||
} | |||
} | |||
} | |||
</source> | |||
=== Последовательная сложность алгоритма === | |||
Для первой части - поиска наилучших стратегий для воторого потребуется <math> m * n </math> операций сравенения. | |||
Для второй части - поиска наилучших стратегий первого потребуется <math> n </math> операций сравнения. | |||
Таким образом результирующая сложность алгоритма - <math> О(n * m) </math> операций. | |||
=== Информационный граф === | |||
Опишем граф алгоритма в виде рисунка. | |||
[[File:Информационный граф РШ.png]] | |||
Круглые элеменеты графа - элементы матрицы G. Под max, имеется в виду функция поиска максимума в строке (причем с уметом благожелательности). | |||
max2 - опять же функция поиска максимума для первого, исходя из ответов второго. | |||
=== Ресурс параллелизма алгоритма === | |||
Каждую строку можно обрабатывать отдельным процессором. Таким образом каждый процессор бежит по строке и ищет там максимум (с условием благосклонности к лидеру). После этого процессоры синхронизируются и мы ищем максимум из уже найденых значений, таким образом мы получаем наибольший выигрыш для лидера, после чего находим все равновесия по Штакельбергу. | |||
Параллельная сложность: <math>О(m)</math>, где <math>m</math> число столбцов а нашей матрице. | |||
=== Входные и выходные данные алгоритма === | |||
Входными данными являются пара матриц <math> H(x,y) </math>, <math> G(x,y) </math> одинакового размера <math>n * m </math> (стратегии обоих игроков). Выходные данные это множество пар чисел <math> (x^*,y^*) </math>, где каждая из пар является равновесием по Штакельбергу в нашей дуаполии. | |||
== Программная реализация алгоритма == | |||
=== Особенности реализации последовательного алгоритма === | |||
=== Локальность данных и вычислений === | |||
=== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма === | |||
=== Масштабируемость алгоритма и его реализации === | |||
Проведём исследование масштабируемости параллельной реализации алгоритма. Набор и границы значений изменяемых параметров запуска реализации алгоритма: | |||
число процессоров [1,2 4, 8 : 32] со значениями квадрата целого числа; | |||
размер матрицы(для тестов бралась квадратная матрица) [1000:10000] с шагом 1000. | |||
На следующем рисунке приведен график производительности выбранной реализации алгоритма в зависимости от изменяемых параметров запуска. | |||
[[Файл:График_РШ.png |thumb|center|700px|Рис.1. График маштабируемости]] | |||
'''сведения о программно-аппаратной среде''' | |||
компьютер: суперкомпьютор Ломоносов | |||
компилятор с использованными опциями оптимизации: mpicxx версии openmpi/1.8.4-gcc | |||
библиотеки: #include <mpi.h>, #include <iostream>, #include <cstdlib>, #include <ctime>, #include <vector> | |||
'''выводы о масштабируемости''' | |||
Мы получили ожидаемые результаты(в целом), что производительность увеличивается с | |||
увеличеснием количества процессоров и уменьшается с увеличеннием количества строк. | |||
Это можно объяснить тем, что выбранный алгоритм очень хорошо распараллеливается, а | |||
«общение» процессоров почти не требуется (это важно так как эта процедура достаточно | |||
ресурсозатратна). | |||
=== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма === | |||
=== Выводы для классов архитектур === | |||
=== Существующие реализации алгоритма === | |||
Написанная мной, текущая реализация алгоритма: | |||
<source lang="C++"> | |||
#include <mpi.h> | |||
#include <iostream> | |||
#include <cstdlib> | |||
#include <ctime> | |||
#include <vector> | |||
using namespace std; | |||
int main(int argc, char * argv[]) | |||
{ | |||
int comm_sz, my_rank; | |||
MPI_Init(&argc, &argv); | |||
MPI_Comm comm = MPI_COMM_WORLD; | |||
MPI_Comm_size(comm, &comm_sz); | |||
MPI_Comm_rank(comm, &my_rank); | |||
//считываем размеры матрицы | |||
int n,m; | |||
if (my_rank == 0) { | |||
n = strtol(argv[1], NULL, 10); | |||
m = strtol(argv[2], NULL, 10); | |||
} | |||
MPI_Bcast(&m, 1, MPI_INT, 0, comm); | |||
MPI_Bcast(&n, 1, MPI_INT, 0, comm); | |||
//делим матрицу | |||
int local_n = n / comm_sz; | |||
int rem = n % comm_sz; | |||
if(my_rank < rem) { | |||
local_n++; | |||
} | |||
vector<vector<double> > G(local_n, vector<double> (m, -5)) , H(local_n, vector<double> (m, -5)); | |||
//генирируем мартицу | |||
srand(time(NULL)); | |||
for(int i = 0; i < local_n; ++i) { | |||
for(int j = 0; j < m; ++j) { | |||
H[i][j] = rand(); | |||
G[i][j] = rand(); | |||
} | |||
} | |||
double s_time = 0; | |||
if (rank == 0) { | |||
s_time = MPI_Wtime(); | |||
} | |||
//ищем максимум в G благожелательно к лидеру на каждую его стратегию | |||
vector<int> local_ind(local_n); | |||
vector<double> local_max(local_n); | |||
for(int i = 0; i < local_n; ++i){ | |||
double max_in_line = G[i][0]; | |||
int ind_max = 0; | |||
for(int j = 0; j < m; ++j){ | |||
if (G[i][j] > max_in_line) { | |||
max_in_line = G[i][j]; | |||
ind_max = j; | |||
} else if (G[i][j] == max_in_line) { | |||
if (H[i][j] > H[i][ind_max]) { | |||
ind_max = j; | |||
max_in_line = G[i][j]; | |||
} | |||
} | |||
} | |||
local_ind[i] = ind_max; | |||
local_max[i] = H[i][ind_max]; | |||
} | |||
//ищем с учетом ответа второго наилучшую тратегию для лидера | |||
double max_in_proc = local_max[0]; | |||
for (int i = 0; i < local_n; ++i) { | |||
if(max_in_proc < local_max[i]) { | |||
max_in_proc = local_max[i]; | |||
} | |||
} | |||
double res_max; | |||
MPI_Allreduce(&max_in_proc, &res_max, 1, MPI_DOUBLE, MPI_MAX, comm); | |||
//ищем все равновесия по Штакельбергу | |||
for (int i = 0; i < local_n; ++i) { | |||
if(res_max == local_max[i]) { | |||
//i, max_ind[i] равновесие по Штакельбергу | |||
} | |||
} | |||
//выводим время | |||
double f_time = 0; | |||
if (rank == 0) { | |||
f_time = MPI_Wtime(); | |||
cout << n << ' ' << f_time - s_time << endl; | |||
} | |||
MPI_Finalize(); | |||
} | |||
</source> | |||
== Литература == | |||
Текущая версия от 21:44, 5 декабря 2017
Основные авторы описания: Закирова С.В. Поиск равновесия в дуополии Штакельберга
Свойства и структура алгоритмов
Общее описание алгоритма
Модель дуополии Штакельберга является развитием модели дуополии Курно. Если в модели Курно считается, что участники рынка не прогнозируют отклика конкурента на собственные действия, то в модели Штакельберга один участник рынка не прогнозирует поведения конкурента, а второй учитывает поведение первого, зная, что конкурент не ответит на его действия. Другими словами, второй участник рынка знает, что первый участник рынка ведет себя в соответствии с моделью Курно. [1]
Математическое описание алгоритма
Есть множество стратегий первого игрока [math]\displaystyle{ X }[/math] и множество стратегий [math]\displaystyle{ Y }[/math] второго игрока. Первым ходит игрок, называемый лидером, его стратегия [math]\displaystyle{ x \in X }[/math]. Второй игрок, называемый подчиненным, ходит стратегией [math]\displaystyle{ y \in Y }[/math]. У каждого игрока есть своя функция выигрыша. Для лидера это функция [math]\displaystyle{ H(x,y) }[/math]. Для подчиненного [math]\displaystyle{ G(x,y) }[/math]. Оба хотят максимизировать свой выигрыш, при условии лояльности(лояльность, это когда при условии одинакового выигрыша для второго, он максимизирует выигрыш первого) второго игрока по отношении к первому. Набор стратегий [math]\displaystyle{ (x^*,y^*) }[/math] называется равновесием Штакельберга[2], если [math]\displaystyle{ y^* = R(x^*) }[/math] есть наилучший ответ подчиненного на стратегию лидера, которая находится как решение задачи [math]\displaystyle{ H(x^*, y^*) = max H(x,R(x)) }[/math] (максимум берется по всем стратегиям [math]\displaystyle{ x }[/math] из [math]\displaystyle{ X }[/math])
Вычислительное ядро алгоритма
Вычислительным ядром данного алгоритма является поиск максимума в строке. Таким образом мы находим наилучший ответ второго игрока.
Макроструктура алгоритма
Как уже сказано в пункте выше, основнуая составляющая часть алгоритма это поиск максимума в строке.
Алгоритм можно представить как многократное повторение(по количеству строк) поиска максимума в строках первой матрицы. После этого поиск максимума по элементам второй матрицы, индексы которых уже были найдены в первой итерации.
Схема реализации последовательного алгоритма
#include <vector>
#include <cstdlib>
#include <ctime>
using namespace std;
int main(int argc, char *argv[])
{
//считиываем m и n
int n = strtol(argv[1], NULL, 10);
int m = strtol(argv[2], NULL, 10);
//создаем матрицы G и H
vector<vector<double>> H(n, vector<double>(m));
vector<vector<double>> G(n, vector<double>(m));
//инициализируем матрицы G и H
srand(time(NULL));
for(int i = 0; i < n; ++i) {
for(int j = 0; j < m; ++j) {
H[i][j] = rand();
G[i][j] = rand();
}
}
//ищем максимум в G благожелательно к лидеру на каждую его стратегию
vector<int> ind(n);
for(int i = 0; i < n; ++i){
double max_in_line = H[i][0];
int ind_max = 0;
for(int j = 0; j < m; ++j){
if (G[i][j] > max_in_line) {
max_in_line = G[i][j];
ind_max = j;
} else if (G[i][j] == max_in_line) {
if (H[i][j] > H[i][ind_max]) {
ind_max = j;
max_in_line = G[i][j];
}
}
}
ind[i] = ind_max;
}
//ищем с учетом ответа второго наилучшую тратегию для лидера
int str_h = 0;
for(int i = 0; i < n; ++i) {
if (H[i][ind[i]] > H[str_h][ind[str_h]]) {
str_h = i;
}
}
}
Последовательная сложность алгоритма
Для первой части - поиска наилучших стратегий для воторого потребуется [math]\displaystyle{ m * n }[/math] операций сравенения.
Для второй части - поиска наилучших стратегий первого потребуется [math]\displaystyle{ n }[/math] операций сравнения.
Таким образом результирующая сложность алгоритма - [math]\displaystyle{ О(n * m) }[/math] операций.
Информационный граф
Опишем граф алгоритма в виде рисунка.
Круглые элеменеты графа - элементы матрицы G. Под max, имеется в виду функция поиска максимума в строке (причем с уметом благожелательности).
max2 - опять же функция поиска максимума для первого, исходя из ответов второго.
Ресурс параллелизма алгоритма
Каждую строку можно обрабатывать отдельным процессором. Таким образом каждый процессор бежит по строке и ищет там максимум (с условием благосклонности к лидеру). После этого процессоры синхронизируются и мы ищем максимум из уже найденых значений, таким образом мы получаем наибольший выигрыш для лидера, после чего находим все равновесия по Штакельбергу.
Параллельная сложность: [math]\displaystyle{ О(m) }[/math], где [math]\displaystyle{ m }[/math] число столбцов а нашей матрице.
Входные и выходные данные алгоритма
Входными данными являются пара матриц [math]\displaystyle{ H(x,y) }[/math], [math]\displaystyle{ G(x,y) }[/math] одинакового размера [math]\displaystyle{ n * m }[/math] (стратегии обоих игроков). Выходные данные это множество пар чисел [math]\displaystyle{ (x^*,y^*) }[/math], где каждая из пар является равновесием по Штакельбергу в нашей дуаполии.
Программная реализация алгоритма
Особенности реализации последовательного алгоритма
Локальность данных и вычислений
Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма
Масштабируемость алгоритма и его реализации
Проведём исследование масштабируемости параллельной реализации алгоритма. Набор и границы значений изменяемых параметров запуска реализации алгоритма:
число процессоров [1,2 4, 8 : 32] со значениями квадрата целого числа;
размер матрицы(для тестов бралась квадратная матрица) [1000:10000] с шагом 1000.
На следующем рисунке приведен график производительности выбранной реализации алгоритма в зависимости от изменяемых параметров запуска.

сведения о программно-аппаратной среде
компьютер: суперкомпьютор Ломоносов
компилятор с использованными опциями оптимизации: mpicxx версии openmpi/1.8.4-gcc
библиотеки: #include <mpi.h>, #include <iostream>, #include <cstdlib>, #include <ctime>, #include <vector>
выводы о масштабируемости
Мы получили ожидаемые результаты(в целом), что производительность увеличивается с увеличеснием количества процессоров и уменьшается с увеличеннием количества строк. Это можно объяснить тем, что выбранный алгоритм очень хорошо распараллеливается, а «общение» процессоров почти не требуется (это важно так как эта процедура достаточно ресурсозатратна).
Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма
Выводы для классов архитектур
Существующие реализации алгоритма
Написанная мной, текущая реализация алгоритма:
#include <mpi.h>
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <ctime>
#include <vector>
using namespace std;
int main(int argc, char * argv[])
{
int comm_sz, my_rank;
MPI_Init(&argc, &argv);
MPI_Comm comm = MPI_COMM_WORLD;
MPI_Comm_size(comm, &comm_sz);
MPI_Comm_rank(comm, &my_rank);
//считываем размеры матрицы
int n,m;
if (my_rank == 0) {
n = strtol(argv[1], NULL, 10);
m = strtol(argv[2], NULL, 10);
}
MPI_Bcast(&m, 1, MPI_INT, 0, comm);
MPI_Bcast(&n, 1, MPI_INT, 0, comm);
//делим матрицу
int local_n = n / comm_sz;
int rem = n % comm_sz;
if(my_rank < rem) {
local_n++;
}
vector<vector<double> > G(local_n, vector<double> (m, -5)) , H(local_n, vector<double> (m, -5));
//генирируем мартицу
srand(time(NULL));
for(int i = 0; i < local_n; ++i) {
for(int j = 0; j < m; ++j) {
H[i][j] = rand();
G[i][j] = rand();
}
}
double s_time = 0;
if (rank == 0) {
s_time = MPI_Wtime();
}
//ищем максимум в G благожелательно к лидеру на каждую его стратегию
vector<int> local_ind(local_n);
vector<double> local_max(local_n);
for(int i = 0; i < local_n; ++i){
double max_in_line = G[i][0];
int ind_max = 0;
for(int j = 0; j < m; ++j){
if (G[i][j] > max_in_line) {
max_in_line = G[i][j];
ind_max = j;
} else if (G[i][j] == max_in_line) {
if (H[i][j] > H[i][ind_max]) {
ind_max = j;
max_in_line = G[i][j];
}
}
}
local_ind[i] = ind_max;
local_max[i] = H[i][ind_max];
}
//ищем с учетом ответа второго наилучшую тратегию для лидера
double max_in_proc = local_max[0];
for (int i = 0; i < local_n; ++i) {
if(max_in_proc < local_max[i]) {
max_in_proc = local_max[i];
}
}
double res_max;
MPI_Allreduce(&max_in_proc, &res_max, 1, MPI_DOUBLE, MPI_MAX, comm);
//ищем все равновесия по Штакельбергу
for (int i = 0; i < local_n; ++i) {
if(res_max == local_max[i]) {
//i, max_ind[i] равновесие по Штакельбергу
}
}
//выводим время
double f_time = 0;
if (rank == 0) {
f_time = MPI_Wtime();
cout << n << ' ' << f_time - s_time << endl;
}
MPI_Finalize();
}