2011年7月16日 星期六

鷹鴿賽局(Hawk-Dove Game)

生物演化穩定策略(evolutionary-stable strategy, ESS)
有兩個同類的動物(例如兩隻愛吃食物的豬),它們為了爭奪食物,通常會有兩個策略-鷹和鴿,鷹的策略較強硬具有攻擊性,鴿的策略較溫和願意和競爭者分享食物而避免打架。
當它們競爭一個有價值的食物V時,如果兩個動物都採用鷹的策略時,它們會打架,雙方受傷而付出代價為C,每隻動物都只能得到一半的食物V/2,打架而付出的代價也各為一半C/2,兩個動物得到的期望報酬各為(V-C)/2。當兩隻豬都採用較溫和的鴿策略時,雙方不會打架,共同分享一半的食物,各得到報酬為V/2,如果一隻豬來硬的鷹策略,另一隻容忍用鴿策略,來硬的豬會得到V,容忍的豬會得0,什麼都沒得到。報酬矩陣圖如下:

這場賽局會變成囚犯困境(Prisoner’s dilemma)的賽局或者是懦夫賽局(Chicken game),以下我們比較“理性地策略選擇均衡方式”和“快速繁殖獲利的選擇方式”兩種不同的分析。
A. 理性均衡策略(Nash Equilibrium)
如果V>C,這賽局是囚犯困境(Prisoner’s dilemma)的賽局,雙方選擇(鴿, 鴿)是最好的結果,但鷹是優勢策略(dominant strategy),最終它們都會選擇(鷹, 鷹)。
如果V<C,這賽局是懦夫賽局,這賽局存在兩個純粹策略均衡:(鷹, 鴿),(鴿, 鷹),以及一個混合策略均衡,我們假設豬B選擇鷹策略的機率為p,豬A的選擇鷹與鴿混合策略的期望效用會相等,得到以下式子:


B. 演化穩定策略 (evolutionary-stability)當VC
首先我們假設鷹策略的豬佔有多數,大部分的豬都用鷹的策略,運用鴿策略的豬為少數的突變(mutant Doves),突變豬(鴿)入侵到用鷹策略佔有多數豬(鷹)群體中,在這賽局中,突變豬的類型為m類,佔全體豬的數量比例為d,多數豬(鷹)用鷹策略的豬佔全體豬的數量比例為1-d,我們用亂數配對,一個豬(鷹)遇上突變豬(鴿)的比例為d,獲得V,而遇到一隻豬(鷹)的比例為1-d,獲得(V-C)/2,所以我們可以算出一個豬(鷹)的適應性(fitness)為〔dV+(1-d)(V-C)/2〕。同樣地,也可以算出一個豬(鴿)的適應性(fitness)為〔d(V/2)+(1-d)*0〕。因為V>C,所以(V-C)/2>0,且V>0,V>V/2,d的值介於0和1之間,我們可以得知

因此我們可知豬(鷹)的適應性較大,突變豬(鴿)無法入侵到多數豬(鷹)群體中,豬(鷹)是演化穩定策略EES。也就是不管突變豬(鴿)的比例d為多少,經過不斷地配對演化,豬(鷹)的比例會漸漸增加,最後會站於優勢(predominant)。也就是,如果群體中豬(鴿)占多數,豬(鷹)占少數為突變豬,經過配對演化後,突變豬(鷹)最後還是站於優勢(predominant),漸漸讓豬(鴿)變不見。這結果和理性的均衡解(也就是囚犯困境)一樣(鷹, 鷹)。
C. 演化穩定策略 (evolutionary-stability)當V<C時
同樣地,我們假設用鷹策略的豬佔有多數,大部分的豬都用鷹的策略,運用鴿策略的豬為少數的突變豬(mutant Doves),兩個種豬得到的適應性和上一節一樣。因為V<C,所以(V-C)/2<0,且V>0,但是因為d非常小,我們可以得知

因此,突變豬(鴿)比多數豬(鷹)的適應性還高,所以可以入侵成功,讓豬(鷹)都變成豬(鴿)。
但是如果剛開始的群體大多數都是豬(鴿),我們就應該考慮少數突變豬(鷹)的比例,是否可以成功入侵多數豬(鴿)的群體?在這賽局中,豬(鷹)的類型為m類,佔全體豬的數量比例為h,多數豬(鴿)用鷹策略的豬佔全體豬的數量比例為1-h,我們用亂數配對,一個豬(鴿)遇上突變豬(鷹)的比例為h,獲得0,而遇到一隻豬(鴿)的比例為1-h,獲得V/2,所以我們可以算出一個豬(鴿)的適應性(fitness)為〔h(V/2)+(1-h)x0〕。同樣地,也可以算出一個豬(鷹)的適應性(fitness)為〔h(V-C)/2+(1-h)V〕。因為V<C,所以(V-C)/2<0,且V>0,但是d的值非常小,我們可以得知

因此,突變豬(鷹)比多數豬(鴿)的適應性還高,所以可以入侵成功,讓豬(鴿)都變成豬(鷹)。
由以上兩個情況,不管豬是用那一種策略,只要是突變豬,都能入侵成功,因此,V<C這賽局沒有演化穩定策略EES。
參考來源: Games of Strategy, Dixit and Skeath, 2007.

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