Шпаргалка

Дифференциальные игры

Все темы на одной странице

4модулей
12статей
132определений
8формул

01

Введение в дифференциальные игры

История, постановка задач преследования-уклонения и основные классификации

Что такое дифференциальная игра: история и постановка

Рождение теории: от ракет до экономики → Ключевое отличие от оптимального управления → Формальная постановка → Что значит «стратегия»? → Классификация игр → Связь с теорией оптимального управления → Примеры из реальной жизни → Историческое развитие → Современные численные методы → Применения

Определения

Динамика
— ẋ = f(x, u, v), x ∈ ℝⁿ (состояние), u ∈ U (управление игрока P, минимизатора), v ∈ V (управление игрока E, максимизатора).
Функционал
— J = g(x(T)) + ∫₀ᵀ F(x(t), u(t), v(t)) dt.
Разомкнутая стратегия
— u = u(t) — управление как функция только времени. Планируется заранее, не реагирует на состояние системы. Математически проще, но нереалистична для практики.
Стратегия в форме обратной связи
— u = α(x, t) — управление как функция текущего состояния. Каждый игрок «видит» x и реагирует. Это реалистичная модель для реальных систем.
Стратегия обратной связи по выходу
— u = α(y, t), где y = h(x) — неполное наблюдение. Наиболее сложный случай.
Важный факт
— для нулевых игр при условии Айзекса значение игры одинаково для разомкнутых и обратносвязанных стратегий!
По сумме
— нулевая сумма (J₁ + J₂ = 0 — интересы полностью противоположны), ненулевая сумма (у каждого свой J), кооперативные (игроки могут договариваться).
По информации
— полная информация (оба видят x), неполная (x частично скрыто).
По горизонту
— конечный (T < ∞), бесконечный (T = ∞, задача преследования до захвата).
По динамике
— линейные (f = Ax + Bu + Cv), нелинейные, стохастические (с шумом).
Авиация
— перехватчик (P) и цель (E). Перехватчик хочет минимизировать расстояние к цели. Цель — максимизировать. Оптимальная стратегия P: лететь к «упреждающей точке», а не напрямую.
Экономика
— две компании устанавливают цены на конкурирующие товары. Цена первой влияет на спрос второй и наоборот. Динамическая модель → дифференциальная игра.
Автономные автомобили
— два автомобиля на перекрёстке. Каждый хочет проехать, не столкнувшись. Это задача Stackelberg или Nash-равновесия в дифференциальной игре.
Биология
— хищник и жертва в трёхмерном пространстве. Стратегически оптимальная «погоня» не всегда — «напрямую».
  • ·Игрок P (преследователь/минимизатор): min_u max_v J
  • ·Игрок E (убегающий/максимизатор): max_v min_u J
  • ·Конечно-разностные схемы для HJI: Lax-Friedrichs, ENO/WENO upwind, level-set (Osher-Sethian) — стандарт для задач малой размерности (n ≤ 4)
  • ·Метод полу-Лагранжа (Falcone, Ferretti): эффективен для задач с разрывами
  • ·Адаптивные сетки: AMR (Adaptive Mesh Refinement) для локального уточнения
  • ·Нейросетевые аппроксимации: Deep Galerkin, PINNs для HJI в высокой размерности — прорыв 2018-2023
  • ·Reach-avoid анализ: Hamilton-Jacobi reachability в библиотеках hj_reachability (Python), helperOC (MATLAB)

В 1950-е годы холодная война поставила военных аналитиков перед новой задачей: как перехватить высокоманёвренную ракету? Как уйти от перехватчика? Это не задача оптимального управления в обычном смысле — у «цели» есть собственная воля и она активно противодействует. Руфус Айзекс, работая в RAND C...

В задаче оптимального управления: один игрок управляет системой, минимизируя стоимость. Природа «не против» — нет противника. В дифференциальной игре: два (или более) игрока управляют совместно используемой системой, и их цели конфликтуют.

Это делает задачу принципиально сложнее: оптимальная стратегия одного игрока зависит от стратегии другого, и та — от стратегии первого. Это «петля»: нужно найти стратегии, которые одновременно оптимальны при заданных стратегиях противника.

Динамика: ẋ = f(x, u, v), x ∈ ℝⁿ (состояние), u ∈ U (управление игрока P, минимизатора), v ∈ V (управление игрока E, максимизатора).

Игровое уравнение Гамильтона-Якоби-Айзекса

От ГЯ-Беллмана к ГЯ-Айзекса → Функция ценности игры → Вывод уравнения HJI → Условие Айзекса → Оптимальные стратегии обратной связи → Регулярность и вязкостные решения → Полный разбор: простая игра преследования в ℝ → Применения → Численное решение HJI → Размерность как ограничение

Определения

Определение
— V(x, t) = min_{u(·)} max_{v(·)} J(x, t; u(·), v(·)) — значение игры, начатой из состояния x в момент t.
Терминальное условие
— V(x, T) = g(x) — стоимость конечного состояния.
Уравнение HJI
— ∂V/∂t + H*(x, t, ∇V) = 0
Условие Айзекса
— min_{u∈U} max_{v∈V} H(x,u,v,p) = max_{v∈V} min_{u∈U} H(x,u,v,p)
Смысл
— «игровой гамильтониан» одинаков при перестановке min и max. Это аналог условия «равновесия» в статических играх.
Когда выполнено
— при компактных U, V и непрерывном H — всегда (теорема минимакса Неймана). При несвязных управлениях могут быть проблемы.
Если нарушено
— значение игры может зависеть от порядка ходов (кто первый «объявляет» стратегию). Нужно различать «нижнее значение» V⁻ = max_v min_u J и «верхнее» V⁺ = min_u max_v J.
Численные методы
— конечные разности с монотонными схемами (Osher-Shu upwind), level-set методы (Osher-Sethian). Эти методы точно аппроксимируют вязкостное решение.
Динамика
— ẋ = u − v, x ∈ ℝ, u ∈ [−1,1] (P), v ∈ [−a,a] (E, a < 1).
Функционал
— J = x(T)² (минимизируем удалённость при T).
HJI
— ∂V/∂t + min_{|u|≤1} max_{|v|≤a} [(u−v) ∂V/∂x] = 0.
  • ·Decomposition: разбиение задачи на подзадачи меньшей размерности (Mitchell, Tomlin)
  • ·Sparse grids (Smolyak): уменьшение числа узлов до O(N log^n)
  • ·Neural network approximation: Deep BSDE (E-Han-Jentzen, 2017), PINNs — нейросеть аппроксимирует V(x,t), решая HJI как loss function
  • ·Reinforcement learning: вместо явного решения HJI — обучение оптимальной политики через симуляцию

В теории оптимального управления ценовая функция V(x,t) удовлетворяет уравнению Гамильтона-Якоби-Беллмана (HJB). Когда появляется второй игрок с противоположными интересами, уравнение модифицируется: вместо min по u появляется min по u и max по v одновременно. Это уравнение Гамильтона-Якоби-Айзек...

Определение: V(x, t) = min_{u(·)} max_{v(·)} J(x, t; u(·), v(·)) — значение игры, начатой из состояния x в момент t.

где игровой гамильтониан: H*(x, t, p) = min_{u∈U} max_{v∈V} {F(x, u, v, t) + pᵀ f(x, u, v, t)}

Условие Айзекса: min_{u∈U} max_{v∈V} H(x,u,v,p) = max_{v∈V} min_{u∈U} H(x,u,v,p)

Задача преследования-уклонения

Самая старая игра мира → Постановка: простейший вариант → Три основных случая → Игра Айзекса «Homicidal Chauffeur» → Стратегия «упреждения» (Proportional Navigation) → Численный пример: оптимальное время захвата → Применения в автономных системах → Игры с препятствиями → Кооперативное преследование → Игры с неполной информацией

Определения

Расстояние
— r(t) = |xP(t) − xE(t)|.
Захват
— r(t) ≤ l (захватывающий радиус). P хочет достигнуть захвата, E — избежать.
Барьерная поверхность
— Айзекс нашёл геометрию области начальных условий, из которых захват гарантирован (Capture Zone) и из которых уклонение гарантировано (Escape Zone). Граница — «барьер» — является особым решением HJI.
Оптимальность
— при линейной динамике и малом угле PN с N → ∞ оптимальна. При N = 4-5 практически близка к оптимуму.
Почему PN работает
— цель перехвата — точка в будущем («упреждающая точка»), а не текущее положение цели. PN автоматически вычисляет упреждение через угловую скорость.
Параметры
— P и E в ℝ², α = 2, β = 1, l = 0 (точечный захват). Начальные позиции: xP = (0,0), xE = (10, 0).
Беспилотники
— задача безопасного избегания столкновений — реверс задачи преследования. Автомобиль A хочет «убежать» от B, чтобы не столкнуться. Оптимальный «убегающий» алгоритм минимизирует риск.
Multi-UAV захват
— группа преследователей против одного убегающего. Результат: достаточно 2 скоординированных преследователя для гарантированного захвата даже более быстрого E в ограниченном пространстве.
Роботы
— patrol-evader задача для автономных охранных роботов. Библиотека SafeRL использует HJI для вычисления «безопасных» управлений в реальном времени.

Формулы

Оптимальная стратегия P (straight line chase): лети напрямую к xE(t). Так как α = 2β, P нагоняет E: dr/dt = −(α − β·cos φ), где φ — угол между u и v.
  • ·Offline: предвычислить функцию ценности V на сетке состояний
  • ·Online: lookup ближайшего значения V и градиента, выбор оптимального управления
  • ·MPC (Model Predictive Control): на каждом шаге решать задачу оптимизации на коротком горизонте
  • ·Военная авиация: системы автоматического перехвата (AIM-120 AMRAAM, Patriot)
  • ·Космос: маневрирование спутников для уклонения от обломков
  • ·Безопасность: автоматические системы охраны периметра
  • ·Спорт: анализ оптимальных стратегий в командных играх (хоккей, футбол)
  • ·Биология: моделирование охоты хищников, эволюция систем «хищник-жертва»

Охотник преследует зайца. Лиса гонится за кроликом. Военный перехватчик — за целью. Задача преследования-уклонения (Pursuit-Evasion, PE) — одна из древнейших прикладных математических задач. Айзекс придал ей строгую математическую форму и открыл первые удивительные результаты: оптимальная стратег...

Два игрока в ℝ². Преследователь P с позицией xP ∈ ℝ², скорость |u| ≤ α. Убегающий E с позицией xE ∈ ℝ², скорость |v| ≤ β.

Захват: r(t) ≤ l (захватывающий радиус). P хочет достигнуть захвата, E — избежать.

Захват гарантирован при любой стратегии E. Оптимальная стратегия P: Pure Pursuit (просто лети к E) — обеспечивает захват за конечное время.

02

Игры с нулевой суммой и минимакс

Теория игр с нулевой суммой, теорема минимакса и стратегии обратной связи

Минимакс-теорема и её расширения

Фундаментальный факт: оба игрока «знают» оптимальное значение → Теорема минимакса Неймана → Равновесие Нэша в матричных играх → Расширение на дифференциальные игры → Стратегии обратной связи vs разомкнутые → LQ-дифференциальные игры → Полный разбор: LQ-игра 1D → Седловые точки и равновесие → Алгоритмы поиска равновесия → Расширения

Определения

Смысл
— максимальный «гарантированный» выигрыш игрока 1 = минимальный «гарантированный» проигрыш игрока 2. Это значение называется ценой игры.
Доказательство через ЛП
— задача max_x min_y xᵀAy — это ЛП (можно ввести переменную v = min_y xᵀAy). Сильная двойственность ЛП → равенство min = max.
Алгоритм нахождения
— записываем как ЛП. Обе задачи — ЛП, сильная двойственность.
Важный факт
— для нулевых игр с фиксированными стратегиями — разница!
Разомкнутые стратегии
— u = u(t), v = v(t) (до игры фиксируются). «Открытый» порядок ходов:
Стратегии обратной связи
— u = α(x,t), v = β(x,t). При условии Айзекса: min max = max min = V(x₀). Стратегии обратной связи «обходят» проблему порядка ходов.
Решение
— оптимальные стратегии линейны:
Задача
— ẋ = u + v, x(0) = 1, J = x(T)² + ∫₀ᵀ [u² − v²] dt (T = 1).
  • ·x* оптимальна при y*: xᵀAy* ≤ x*ᵀAy* для всех x ∈ Δₘ
  • ·y* оптимальна при x*: x*ᵀAy ≤ x*ᵀAy* для всех y ∈ Δₙ... нет, наоборот для максимизатора
  • ·Игры с информационными асимметриями: Stackelberg, leader-follower, с задержкой информации
  • ·Игры с сигналами: один игрок может «блефовать» — отправлять ложные сигналы (применение в кибербезопасности)
  • ·Робастная оптимизация как игра: «природа» как противник, выбирающий наихудший возможный сценарий — даёт устойчивые решения для финансовых портфелей и инженерных систем

В 1928 году Джон фон Нейман доказал поразительный факт: в любой матричной игре с нулевой суммой есть «равновесие». Минимизатор не может «ухудшить» результат ниже некоторого значения V, а максимизатор не может поднять его выше того же V. Это значение V — «цена игры». Теорема минимакса — это матема...

где Δₖ — стандартный симплекс смешанных стратегий (вероятностное распределение на k чистых стратегиях).

Смысл: максимальный «гарантированный» выигрыш игрока 1 = минимальный «гарантированный» проигрыш игрока 2. Это значение называется ценой игры.

Доказательство через ЛП: задача max_x min_y xᵀAy — это ЛП (можно ввести переменную v = min_y xᵀAy). Сильная двойственность ЛП → равенство min = max.

H∞-управление как дифференциальная игра

Проблема устойчивости при неизвестных возмущениях → H∞-задача: постановка → Игровая формулировка → LMI-решение H∞ → Физическая интерпретация → Полный разбор: H∞-синтез для подвески автомобиля → Применения → H∞-норма и интерпретация → Связь с дифференциальной игрой → Алгоритмы синтеза

Определения

Система
— ẋ = Ax + Bu + Dw (w — неизвестное возмущение), выход z = Cx + Eu.
Задача H∞
— найти управление u = K(x), минимизирующее «коэффициент усиления» от w к z в наихудшем случае:
Как дифференциальная игра
— управление u — минимизатор, возмущение w — максимизатор:
Связь с устойчивостью
— если H∞-норма конечна — система устойчива. Минимальная γ, при которой задача решаема — «запас устойчивости» системы.
Модель
— ẋ₁ = x₂ (скорость кузова), mẋ₂ = −k(x₁−x₃) − c(x₂−x₄) + u (амортизатор), Mẋ₃ = x₄, Mẋ₄ = k(x₁−x₃) + c(x₂−x₄) − kₜ(x₃−w). Здесь w — неровности дороги, u — активная подвеска.
Цель
— минимизировать ‖ускорение кузова ẍ₁‖ при ограниченном ‖u‖ и худших ‖w‖.
Результат
— H∞-регулятор уменьшает ускорение кузова на 30-40% по сравнению с пассивной подвеской при тех же ограничениях на ход подвески.
  • ·min по u: 2EᵀCx + 2EᵀEu + BᵀP = 0 → u* = −(EᵀE)⁻¹(EᵀCx + (1/2)BᵀPx)
  • ·max по w: −2γ²w + DᵀPx = 0 → w* = DᵀPx/(2γ²)
  • ·Уравнения Риккати с γ-итерацией: бинарный поиск по γ + решение уравнения Риккати для каждого γ
  • ·LMI (Linear Matrix Inequalities): формулировка через выпуклые ограничения, решение через SDP-решатели (SeDuMi, MOSEK)
  • ·μ-синтез: учёт структурированной неопределённости (D-K iteration)
  • ·Loop-shaping: классическая методика H∞ через формирование частотной характеристики

В реальных системах управления — самолётах, энергосистемах, химических реакторах — всегда есть неизвестные возмущения: турбулентность, изменения нагрузки, параметрическая неопределённость. Классическое управление (LQR) оптимально при известной модели, но может «сломаться» при возмущениях. H∞-упра...

Задача H∞: найти управление u = K(x), минимизирующее «коэффициент усиления» от w к z в наихудшем случае:

‖T_{zw}‖_∞ — H∞-норма передаточной функции от w к z. Это «усиление наихудшего сигнала».

Как дифференциальная игра: управление u — минимизатор, возмущение w — максимизатор:

Дифференциальные игры с конечным горизонтом

Терминальный момент: что происходит «в конце» → Структура решения через обратную индукцию → LQ-игра с конечным горизонтом → Зоны выживания и захвата → Полный разбор: двумерная игра захвата → Численные методы для HJI → Задачи с фиксированным временем → Принцип динамического программирования → Reachability и зоны достижимости → Применения

Определения

Для LQ-игр
— V(x,t) = xᵀP(t)x (квадратичная по x), P(t) — матрица Риккати-Айзекса, удовлетворяющая ОДУ.
Условие разрешимости
— уравнение Риккати должно иметь решение на всём [0,T]. При больших T (или больших C) решение может «взорваться» — значение игры не ограничено.
Reach-Avoid множество
— начальные условия x₀, из которых P может гарантировать захват. Граница = барьерная поверхность.
Вычисление
— level-set метод (Hamilton-Jacobi toolbox). V(x,t) = 0 — граница. V(x,t) < 0 — зона P, V(x,t) > 0 — зона E.
Система
— ẋP = uP, ẋE = uE, |uP| ≤ αP, |uE| ≤ αE. Захват: |xP − xE| ≤ l.
Заменим переменную
— r = xP − xE (относительное положение). ṙ = uP − uE.
Метод конечных разностей
— дискретизация по x на сетке, интегрирование HJI назад по t.
Проклятие размерности
— для n=4 и шаге h=0.1: 10⁴ = 10,000 точек — выполнимо. Для n=6: 10⁶ — сложно. Для n=10: невозможно.

Формулы

Reach-Avoid множество: начальные условия x₀, из которых P может гарантировать захват. Граница = барьерная поверхность.Вычисление: level-set метод (Hamilton-Jacobi toolbox). V(x,t) = 0 — граница. V(x,t) < 0 — зона P, V(x,t) > 0 — зона E.
  • ·Deep learning для HJI (DeepReach, 2021): нейросеть аппроксимирует V(x,t) → работает в высоких размерностях
  • ·Линеаризация: V ≈ xᵀP(t)x (LQ-приближение)
  • ·PINN (Physics-Informed Neural Networks): обучение нейросети удовлетворять HJI как физическому ограничению
  • ·Фиксированное T, свободное x(T): V(x, T) = g(x) — задача с терминальной стоимостью
  • ·Фиксированный xT: достичь заданного состояния — V(xT, T) = 0, V(x, T) = +∞ для x ≠ xT (вырождение)
  • ·Свободное T (момент остановки): T определяется первым моментом, когда x(T) попадает в целевое множество — игры с моментом остановки

В задачах с конечным горизонтом [0, T] состояние системы x(T) имеет особый статус: функция g(x(T)) задаёт «терминальный выигрыш». Это определяет «границы» — наборы начальных состояний x₀, из которых P или E могут гарантировать нужный исход. Математически: функция ценности определяется из HJI с те...

Принцип оптимальности даёт: V(x,t) = min_u max_v {F(x,u,v,t)dt + V(x+f·dt, t+dt)}.

Это «уравнение Беллмана» в обратном времени: зная V при t+dt, вычисляем V при t. Начинаем от T (где V(x,T) = g(x)) и «идём назад».

Для LQ-игр: V(x,t) = xᵀP(t)x (квадратичная по x), P(t) — матрица Риккати-Айзекса, удовлетворяющая ОДУ.

03

Многоигровые и кооперативные дифференциальные игры

N-игровые дифференциальные игры, Nash-равновесие и кооперативные решения

N-игровые дифференциальные игры и Nash-равновесие

Когда игроков больше двух → Постановка N-игровой задачи → Равновесие Нэша (Nash Equilibrium) → Уравнения Нэша для LQ-игр → Равновесие Штакельберга → Полный разбор: ценовая конкуренция Бертрана → Вычисление NE на практике → N-игровые игры с ненулевой суммой → Существование и единственность → Применения

Определения

Динамика
— ẋ = f(x, u₁, u₂, ..., uN, t).
Функционал игрока i
— Jᵢ(u₁,...,uN) = gᵢ(x(T)) + ∫₀ᵀ Fᵢ(x, u₁,...,uN, t) dt.
Ключевое отличие от нулевой суммы
— Σᵢ Jᵢ ≠ const в общем случае. Можно выиграть «сообща», или наоборот — все проигрывают.
Смысл
— ни один игрок не может улучшить свой результат, в одностороннем порядке изменив свою стратегию (при фиксированных стратегиях остальных).
Существование
— при разумных условиях (компактные Uᵢ, непрерывные Jᵢ) NE в смешанных стратегиях существует (теорема Нэша, 1950).
Уникальность
— в общем случае NE может быть несколько или единственным. Для LQ-игр с «диагональной» структурой — единственное.
Двухуровневая игра
— лидер знает функцию реакции последователя R(uL) = argmin_{uF} JF(uL, uF). Лидер минимизирует JL(uL, R(uL)) — «решает сначала».
Равновесие Штакельберга
— набор (uL*, uF*) с uF* = R(uL*), uL* = argmin_uL JL(uL, R(uL)).
Свойство
— лидер всегда не хуже, чем в NE (имеет «advantage от первого хода»).
Статическое NE
— ∂π₁/∂p₁ = 0 и ∂π₂/∂p₂ = 0 → p₁* = p₂* = (a + bk)/(2b − c).
Nash-равновесие
— через уравнения Риккати. Траектории цен: p₁(t), p₂(t) сходятся к статическому NE — «динамика ценовой конкуренции».
Best Response Dynamics
— каждый игрок по очереди оптимизирует свою стратегию при фиксированных стратегиях остальных. Сходимость к NE не гарантирована, но часто работает.
Deep Nash
— явная формулировка Nash-условий как системы уравнений + нейросеть для совместного решения.

Формулы

Двухуровневая игра: лидер знает функцию реакции последователя R(uL) = argmin_{uF} JF(uL, uF). Лидер минимизирует JL(uL, R(uL)) — «решает сначала».Равновесие Штакельберга: набор (uL*, uF*) с uF* = R(uL*), uL* = argmin_uL JL(uL, R(uL)).
  • ·Регуляторы и компании: правительство объявляет налоги (лидер), компании реагируют (последователи)
  • ·Поставщик-ритейлер: поставщик устанавливает оптовую цену, ритейлер — розничную
  • ·Патентные гонки: лидирующая компания инвестирует, конкурент реагирует
  • ·Равновесие Нэша: профиль (u₁*,...,u_N*), при котором никому не выгодно отклоняться в одиночку. J_i(u₁*,...,u_i,...,u_N*) ≥ J_i(u*) для всех u_i.
  • ·Парето-оптимум: профиль, который нельзя улучшить для одного без ухудшения для другого.
  • ·Stackelberg-равновесие: иерархия — лидер выбирает первым, последователи реагируют.
  • ·Олигополия Курно с динамикой запасов: компании выбирают объёмы производства, динамика — накопление запасов
  • ·Климатические переговоры: страны выбирают уровень сокращения выбросов, общий результат — изменение климата (общее благо)
  • ·Управление трафиком: каждый автомобиль выбирает маршрут, общая нагрузка на сеть формирует время в пути
  • ·Многоагентные роботы: распределённое управление дронами для общей задачи (поиск, наблюдение)

Реальная конкуренция редко бывает дуэлью. Три компании делят рынок. Пять государств управляют рыболовством. Сотня трейдеров торгуют на рынке. В таких ситуациях структура стратегического взаимодействия принципиально сложнее: каждый игрок оптимизирует против «всех остальных сразу», а не против одно...

Ключевое отличие от нулевой суммы: Σᵢ Jᵢ ≠ const в общем случае. Можно выиграть «сообща», или наоборот — все проигрывают.

Смысл: ни один игрок не может улучшить свой результат, в одностороннем порядке изменив свою стратегию (при фиксированных стратегиях остальных).

Существование: при разумных условиях (компактные Uᵢ, непрерывные Jᵢ) NE в смешанных стратегиях существует (теорема Нэша, 1950).

Кооперативные дифференциальные игры и распределение выигрыша

Когда вместе выгоднее → Характеристическая функция → Шепли-значение → Ядро игры (Core) → Динамическая согласованность → Применение: управление рыбными ресурсами → Полный разбор: трёхигровая модель → Кооперативные игры: формирование коалиций → Концепции дележа → Динамическая устойчивость

Определения

Супераддитивность
— v(S ∪ T) ≥ v(S) + v(T) при S ∩ T = ∅. Если есть «синергия» от кооперации — объединяться выгодно.
Аксиоматизация
— единственное распределение, удовлетворяющее:
Ядро
— набор распределений (x₁,...,xN) с:
Пример
— государства договорились в начале игры об ограничениях по CO₂. Через 10 лет страна A обнаруживает, что ей выгоднее «выйти» из соглашения. Договорённость «нестабильна» — не является динамически согласованной.
Модель
— N государств рыбачат в общем океане. Биомасса рыбы: ẋ = r x(1 − x/K) − Σᵢ uᵢ (логистический рост − суммарный вылов).
Выигрыш i
— Jᵢ = ∫₀^∞ e^{−ρt} (uᵢ − c uᵢ²/(2x)) dt (прибыль от вылова с учётом издержек).
Nash (не кооперативное)
— каждый государство вылавливает слишком много → «трагедия общего» (Hardin). Ресурс истощается.
Кооперативное решение
— максимизируем Σᵢ Jᵢ → меньший суммарный вылов → больший суммарный выигрыш! Шепли-значение распределяет его справедливо.
Динамическая согласованность
— IDP обеспечивает, что каждое государство получает выплаты так, что «уход» из соглашения никогда не выгоден.
Задача
— v({1}) = 2, v({2}) = 3, v({3}) = 4, v({1,2}) = 7, v({1,3}) = 8, v({2,3}) = 9, v({1,2,3}) = 12.

Формулы

Выигрыш i: Jᵢ = ∫₀^∞ e^{−ρt} (uᵢ − c uᵢ²/(2x)) dt (прибыль от вылова с учётом издержек).
  • ·Эффективность: Σᵢ xᵢ = v(N)
  • ·Групповая рациональность: Σᵢ∈S xᵢ ≥ v(S) для всех S
  • ·Супераддитивность: v(S ∪ T) ≥ v(S) + v(T) для непересекающихся S, T — кооперация выгоднее
  • ·Выпуклость: v(S ∪ T) + v(S ∩ T) ≥ v(S) + v(T) — гарантирует устойчивость
  • ·Ядро (core): множество дележей, где никакая коалиция не может улучшить положение, выйдя из соглашения
  • ·Вектор Шепли: φ_i = (1/n!) Σ_π [v(S_π_i ∪ {i}) − v(S_π_i)] — средний вклад игрока i по всем порядкам присоединения
  • ·Нуклеолус (Шмайдлер): минимизирует «недовольство» наименее довольной коалиции
  • ·τ-значение (Тийс): компромисс между минимальными правами и максимальными претензиями

Nash-равновесие описывает «ситуацию без договорённостей»: каждый за себя. Но в реальности игроки часто могут договариваться о совместных стратегиях и делить выигрыш. Рыболовные государства договариваются об ограничении вылова. Страны создают климатические соглашения. Компании объединяются в консо...

v(S) = максимальный суммарный выигрыш, который S может гарантировать себе совместными действиями

Супераддитивность: v(S ∪ T) ≥ v(S) + v(T) при S ∩ T = ∅. Если есть «синергия» от кооперации — объединяться выгодно.

При супераддитивности: v(N) ≥ Σᵢ v({i}) — объединяться всем вместе выгоднее, чем действовать поодиночке.

Mean Field Games: игры с бесконечным числом игроков

Рынки, трафик и «безличная» конкуренция → Ключевая идея: среднее поле → Система уравнений MFG → Анализ уравнений → Применения MFG → Численные методы → Полный разбор: задача о скоплении → Mean Field Games: интуиция → Связанная система уравнений → Существование и численные методы

Определения

Предположение однородности
— все агенты одинаковые (i.i.d. — независимые одинаково распределённые начальные состояния).
NE в пределе N → ∞
— типичный агент оптимизирует свою стратегию, считая m(x,t) «данным» (не зависящим от его действий). В равновесии m(x,t) порождается именно этой оптимальной стратегией типичного агента — самосогласованность!
HJB (назад по времени)
— оптимальное управление типичного агента u*(x,t) при данном m:
FPK (вперёд по времени)
— эволюция распределения m при оптимальной стратегии u*(x,t):
Самосогласованность
— V зависит от m (агент адаптируется к толпе), m зависит от V (толпа движется оптимально). Это нелинейная система!
Существование решения
— при разумных условиях на H существует решение (V,m) системы MFG. Для монотонных игр (где «больше агентов → менее привлекательно») — единственность.
Crowd dynamics (динамика толпы)
— m(x,t) — плотность пешеходов. Каждый выбирает путь, минимизируя время + дискомфорт от скученности. H = |u|²/2 + αm (штраф за плотную толпу). Решение MFG воспроизводит «образование полос» движения в коридоре — наблюдаемый физический эффект!
Финансовые рынки
— «Торговля с ценовым воздействием». N трейдеров продают актив, каждая продажа снижает цену. MFG даёт «оптимальный» торговый алгоритм для каждого трейдера, учитывающий агрегированное влияние всей группы.
Телекоммуникации
— пользователи распределённой сети выбирают ресурсы (каналы, серверы). MFG описывает «равновесие распределения» при большом числе пользователей.
Эпидемиология
— агенты выбирают уровень «социального дистанцирования». MFG описывает «рациональное» поведение при пандемии — может не совпадать с «общественно оптимальным»!
Deep MFG (Carmona-Lauriere, 2021)
— аппроксимируем V(x,t) и m(x,t) нейросетями. Масштабируется до высоких размерностей (50+ переменных).
Задача
— N → ∞ частиц хотят достичь мишени в x=0. Динамика: dX = u dt + σ dW. Стоимость: J = E[∫(|u|²/2 + αm(X,t)) dt + |X(T)|²].
MFG-система
— HJB: −∂V/∂t − (σ²/2)∆V + |∇V|²/2 + αm = 0. FPK: ∂m/∂t + div(m∇V) − (σ²/2)∆m = 0.
  • ·V(x,t) — «ценность» нахождения в состоянии x в момент t для типичного агента
  • ·m(x,t) — распределение агентов в пространстве состояний
  • ·Hₚ = ∂H/∂p — оптимальное «дрейфовое поле» (скорость движения агентов)
  • ·∆-члены — случайные флуктуации (диффузия)
  • ·Метод фиктивной игры (fictitious play): итеративно обновлять u по фиксированному m, затем m по новому u
  • ·Sinkhorn для энтропийной регуляризации
  • ·DeepLearning подходы: Deep MFG (Carmona-Laurière) — нейросети представляют u и m
  • ·Толпы и эвакуация: моделирование движения людей в зданиях, на стадионах
  • ·Энергетика: миллионы потребителей выбирают тарифы и потребление
  • ·Финансы: систематический риск, modeling crowded trades
  • ·Эпидемиология: индивидуальные решения о вакцинации с учётом популяционного эффекта
  • ·Криптовалюты: майнеры как игроки в MFG за вычислительные ресурсы

Представьте тысячи трейдеров на финансовом рынке. Каждый рационален и влияет на цену, но каждый «мал» по сравнению с рынком в целом. Или тысячи пешеходов в узком коридоре — каждый оптимально выбирает путь, но взаимодействует со «средней плотностью» толпы, а не с каждым человеком индивидуально. Me...

При N → ∞ «типичный» агент взаимодействует не с конкретными другими агентами, а с «распределением» всей популяции m(x, t) — плотностью агентов в состоянии x в момент t.

Предположение однородности: все агенты одинаковые (i.i.d. — независимые одинаково распределённые начальные состояния).

NE в пределе N → ∞: типичный агент оптимизирует свою стратегию, считая m(x,t) «данным» (не зависящим от его действий). В равновесии m(x,t) порождается именно этой оптимальной стратегией типичного агента — самосогласованность!

04

Стохастические дифференциальные игры

Игры в стохастической среде, стохастические HJB и BSDE

Стохастические дифференциальные игры: постановка

Неопределённость в стратегическом взаимодействии → Стохастическая динамика → Принцип Беллмана в стохастическом случае → Оптимальные стратегии и принцип минимакса → Связанные обратные стохастические дифференциальные уравнения → Полный разбор: стохастическая LQ-игра → Связь со стохастическим контролем и финансами → Стохастические дифференциальные игры → Связь с финансовой математикой → Численные методы

Определения

Функционал
— J = E[g(X(T)) + ∫₀ᵀ F(X, u, v, t) dt] — ожидаемая стоимость.
Цель
— min_u max_v J (или наоборот).
Связь BSDE с принципом Понтрягина
— сопряжённая переменная p(t) в стохастическом случае — это не просто ОДУ, а СДУ для (p, q), где q — дополнительный мартингальный член.
Задача
— dX = (u+v)dt + σ dW, X(0) = 1, J = E[X(T)² + ∫₀ᵀ (u² − v²)dt].
Стохастическое уравнение Риккати-Айзекса
— (та же форма, что и детерминированном случае):
Замкнутая система
— dX = (−X+X)dt + σ dW = σ dW → X(t) = 1 + σW(t).
Значение игры
— V = E[X(T)²] + ∫₀ᵀ E[u*² − v*²]dt = E[(1+σW(T))²] = 1 + σ²T.
Физический смысл
— шум «увеличивает» значение игры. Это интуитивно: при случайном блуждании X, квадратичный функционал больше из-за «разброса» X.
Уравнение Блэка-Шоулза
— это частный случай! dS = μS dt + σS dW (цена акции). Цена опциона V удовлетворяет: ∂V/∂t + (1/2)σ²S²∂²V/∂S² + rS ∂V/∂S − rV = 0. Это HJB без управления (u = 0) + граничное условие. Вся финансовая теория опционов — частный случай стохастического оп...
  • ·X ∈ ℝⁿ — состояние
  • ·u ∈ U, v ∈ V — управления игроков
  • ·σ(X, t) ∈ ℝ^{n×m} — матрица волатильности
  • ·W — m-мерный стандартный броуновский процесс (Wiener process)
  • ·Детерминированная HJI: ∂V/∂t + H* = 0
  • ·Стохастическая HJI: ∂V/∂t + (σ²/2)∆V + H* = 0
  • ·Стохастические сетки: расширение конечных разностей
  • ·Symmetric splitting: разделение на детерминированную и шумовую части
  • ·Backward SDE (BSDE): представление V через стохастические уравнения, численное решение через метод Лонгстаффа-Шварца
  • ·Deep BSDE (E-Han-Jentzen, 2017): нейросетевая аппроксимация для высоких размерностей
  • ·Управление портфелем с риск-неопределённостью: робастная оптимизация Маркетти-Шейнинга
  • ·Распределённая энергетика: координация миллионов потребителей с шумовыми нагрузками
  • ·Беспилотный транспорт: учёт неопределённости поведения других участников
  • ·Робототехника в сложных условиях: квадрокоптеры в ветре

В детерминированных играх будущее предопределено: зная начальное состояние и стратегии обоих игроков, можно точно предсказать траекторию. В реальных системах всегда есть шум: рыночная волатильность, турбулентность, тепловые флуктуации. Стохастические дифференциальные игры (СДИ) расширяют детермин...

Дополнительный член (1/2)tr(σσᵀ ∇²V) — «итовский» член (следствие формулы Ито для стохастического дифференциала).

Стохастичность добавляет лапласиан ∆V = tr(∇²V), который «сглаживает» функцию ценности.

Оптимальный игровой гамильтониан: H*(x,t,p,Q) = min_{u∈U} max_{v∈V} [F + pᵀf + (1/2)tr(σσᵀQ)]

Обучение с подкреплением и дифференциальные игры

Когда аналитика недостаточно → Игровой RL: постановка → Independent Q-learning (IQL) → MADDPG (Multi-Agent DDPG) → Self-Play и конвергенция к Nash → Связь с уравнением HJI через Actor-Critic → Полный разбор: конвергенция MADDPG на задаче коопераций → Многоагентное обучение с подкреплением (MARL) → Алгоритмы MARL → Связь с дифференциальными играми

Определения

Проблема нестационарности
— если агент 1 обновляет свою политику, среда с точки зрения агента 2 меняется. «Цель» движется — сходимость Q-learning не гарантирована!
Преимущества
— простота, масштабируемость на много агентов.
Недостатки
— нет теоретических гарантий сходимости. Среда нестационарна. На практике часто работает!
Во время обучения
— критик Qᵢ(x, a₁,...,aN) видит все состояния и действия. Актор μᵢ(oᵢ) видит только своё наблюдение. Критик обеспечивает «стабильную» оценку качества.
Во время исполнения
— каждый агент действует только на основе своего oᵢ — децентрализованно.
Обновление критика
— Lᵢ = E[(Qᵢ(x,a) − yᵢ)²], yᵢ = rᵢ + γ Qᵢ'(x', a₁',...,aN')|_{aⱼ'=μⱼ'(oⱼ')}.
Обновление актора
— ∇_θᵢ J = E[∇_{aᵢ} Qᵢ · ∇_θᵢ μᵢ(oᵢ)].
Преимущество
— критик «видит» полную картину → стабильное обучение. В NE: Qᵢ(x, a*) точно оценивает равновесную стоимость.
Self-play
— агент играет против копии себя. При правильной реализации сходится к NE для двухигровых нулевых игр (например, шахматы, го).
AlphaGo/AlphaZero
— pure self-play + MCTS (Monte Carlo Tree Search) + глубокие нейросети. Достигает сверхчеловеческого уровня в го и шахматах — фактически решая огромную дискретную «дифференциальную» игру.
League Training (AlphaStar)
— для StarCraft II — игра с большой неопределённостью. Набор «лиги» — разнородных прошлых версий агента, избегает «цикличности» (A бьёт B, B бьёт C, C бьёт A).
Policy gradient для игр
— ∇_θ E[J] = E[Σₜ ∇_θ log π_θ(aᵢₜ|oᵢₜ) · Aᵢₜ], где Aᵢₜ = Qᵢ(s,a) − Vᵢ(s) — advantage.
MAPPO (Multi-Agent PPO)
— расширение PPO на N агентов с разделёнными критиками. Стандарт в современных MARL-задачах (StarCraft, Google Football, оптимизация трафика).
Задача
— 2 агента, цель — встретиться в точке (5, 5). Джoint-reward: r = −|x₁ − goal| − |x₂ − goal|.
Nash-интерпретация
— в NE оба агента двигаются напрямую к (5,5) — ни один не может улучшить свой результат в одностороннем порядке. MADDPG находит это NE через взаимодействие.
  • ·Состояние s ∈ S
  • ·Действия агентов: a₁ ∈ A₁, a₂ ∈ A₂
  • ·Переход: P(s' | s, a₁, a₂)
  • ·Награды: r₁(s, a₁, a₂), r₂(s, a₁, a₂)
  • ·Эпизод 1-100: агенты движутся случайно, средняя награда ≈ −15
  • ·Эпизод 100-500: агенты начинают двигаться к центру, но разными путями, ≈ −8
  • ·Эпизод 500-1000: конвергенция к «рандеву» стратегии, ≈ −2
  • ·Independent Q-learning: каждый агент учится независимо. Простой, но без гарантий сходимости.
  • ·MADDPG (Multi-Agent DDPG, Lowe et al., 2017): centralized training, decentralized execution — критик видит все стратегии при обучении, актор использует только свою наблюдаемость в исполнении.
  • ·Nash-Q learning: явный поиск равновесия Нэша на каждом шаге.
  • ·PSRO (Policy-Space Response Oracles): итеративно расширяет популяцию стратегий, ищет лучший ответ на текущее распределение.
  • ·MFRL (Mean Field RL): применение mean field approximation к большим N-агентным играм.
  • ·AlphaZero — аналог решения нулевой суммы игры (шахматы, Го) через self-play
  • ·AlphaStar — частичная информация (StarCraft II) через Counterfactual Regret Minimization
  • ·OpenAI Five — кооперация в команде против команды (Dota 2)
  • ·Гарантии сходимости MARL в общем случае
  • ·Масштабирование на тысячи агентов
  • ·Объяснимость стратегий
  • ·Безопасность (avoiding adversarial exploitation)

Дифференциальные игры обеспечивают красивую теорию, но на практике аналитическое решение HJI возможно лишь в немногих специальных случаях (LQ-игры, задачи с простой динамикой). В реальных задачах — нелинейная динамика, высокая размерность, неизвестная модель системы. Здесь на помощь приходит обуч...

Проблема нестационарности: если агент 1 обновляет свою политику, среда с точки зрения агента 2 меняется. «Цель» движется — сходимость Q-learning не гарантирована!

Каждый агент i учит свою Q-функцию Qᵢ(s, aᵢ) независимо, не учитывая действия других.

Недостатки: нет теоретических гарантий сходимости. Среда нестационарна. На практике часто работает!

Игровые приложения в финансах и экономике

Экономика как поле для игр → Дуополия Курно в непрерывном времени → Гонка вооружений: модель Ричардсона и её игровое обобщение → Конкуренция в НИОКР (модель Спенса) → Mean Field Game в финансах: оптимальная ликвидация → Международные экологические соглашения → Игры в финансовых рынках → Кооперативные игры в страховании → Игры в макроэкономике → Применения в реальной торговле

Определения

Модель
— два производителя выпускают qᵢ(t) единиц товара. Цена зависит от суммарного выпуска: P(t) = a − b(q₁(t) + q₂(t)).
Динамика капитала
— K̇ᵢ = uᵢ − δKᵢ (инвестиции uᵢ, амортизация δ). qᵢ = αKᵢ.
Функционал
— Jᵢ = ∫₀^∞ e^{−ρt} [P(t)qᵢ(t) − c uᵢ(t)] dt.
Nash-равновесие
— через уравнения Гамильтона или DP. Оптимальные инвестиции u*ᵢ(t) зависят от собственного капитала и капитала конкурента.
Сравнение с кооперативным
— кооперативные игроки производят меньше (монопольный выпуск), зарабатывают больше суммарно. Nash — больше совокупного выпуска, ниже цена, «потери общества» меньше. Дилемма заключённого в динамике!
Равновесие
— ẋ = ẏ = 0 → x* = (an+g₂b+g₁n)/(mn−ab), аналогично y*.
Устойчивость
— mn > ab → стабильное равновесие. mn < ab → нестабильная гонка (вооружения растут до войны или разоружения). Это классическая модель Холодной войны!
Игровое обобщение
— каждое государство оптимально выбирает уᵢ (скорость прироста вооружений). Jᵢ = ∫ e^{−ρt} [−c uᵢ² + πᵢ(x,y)] dt. Nash-равновесие через уравнения Риккати — даёт «оптимальную» гонку вооружений.
Вывод
— Nash-равновесие «гонки» неэффективно — суммарные затраты на вооружения в NE выше, чем при кооперативном соглашении. Это математическое обоснование, почему контроль над вооружениями выгоден обеим сторонам.
Эффект на общество
— Nash-инвестиции в НИОКР vs оптимальные? При спилловерах (α > 0 — одна фирма «учится» у другой): Nash-инвестиции могут быть ниже или выше социально оптимальных. Патентная система влияет на этот баланс.
Задача
— N трейдеров хотят продать свои позиции xᵢ(0) за время T. Продажи воздействуют на цену: P(t) = P₀ − λ Σᵢ q̇ᵢ(t) (агрегированный «price impact»).
MFG-уравнения
— HJB: −∂V/∂t + λQ ∂V/∂x + (∂V/∂x)²/(2λ) = 0. FPK: ∂m/∂t + ∂[m · HₚV]/∂x = 0.
Nash без соглашения
— каждая страна максимизирует ∫ e^{−ρt}[bᵢ(eᵢ) − dᵢ(S)] dt. Внешний эффект выбросов (ущерб другим) не учитывается → «трагедия атмосферы». Выбросы выше оптимума.
Кооперативное соглашение
— максимизировать Σᵢ Jᵢ → снизить выбросы до социального оптимума. «Выигрыш» от кооперации нужно распределить через трансфертные платежи.
Стабильность
— малая коалиция «выйдет», если выгода от невыполнения > штрафа. Динамически согласованное распределение (Yeung-Petrosyan) обеспечивает стабильность. Это математическая основа дискуссии о климатических соглашениях Парижа.

Формулы

Стационарное Nash-состояние (при t → ∞): каждый производитель достигает стабильного уровня капитала K̄ᵢ* = argmax прибыли при равновесных ценах.Модель: N государств, суммарные выбросы E(t) = Σᵢ eᵢ(t). Запасы CO₂: Ṡ = E − αS (поглощение). Ущерб: dᵢ = dᵢ(S). Выгода: bᵢ(eᵢ) (прибыль от эмиссии).
  • ·Игры между правительствами: торговая политика (тарифы, квоты), денежно-кредитная политика — каждая страна оптимизирует свой результат, влияя на других
  • ·Stackelberg-игры центрального банка и рынка: ЦБ устанавливает ставку, рынок реагирует ожиданиями
  • ·Игры с общими ресурсами: рыболовство, нефть, водные ресурсы — классические задачи «трагедии общего достояния», моделируются как дифференциальные игры
  • ·Climate change negotiations: страны выбирают уровень сокращения выбросов; общий результат — глобальное потепление
  • ·HFT (High-Frequency Trading): алгоритмические торговые системы используют игротеоретические модели для прогнозирования действий конкурентов
  • ·Market microstructure: книги ордеров моделируются как игры между лимитными и рыночными ордерами
  • ·Algorithmic execution: VWAP, TWAP, Implementation Shortfall — все эти алгоритмы можно интерпретировать как стратегии в дифференциальной игре
  • ·Crypto markets: децентрализованные биржи (Uniswap, dYdX) создают новые игротеоретические задачи (front-running, MEV)
  • ·Risk management: расчёт VaR (Value at Risk) с учётом стратегического поведения других участников рынка

Финансовые рынки, олигополистическая конкуренция, переговоры о климате — это всё задачи стратегического взаимодействия в динамической среде. Дифференциальные игры дают строгий математический аппарат для их анализа. Ключевое преимущество перед статическими теориями игр: учёт динамики накопления ка...

Модель: два производителя выпускают qᵢ(t) единиц товара. Цена зависит от суммарного выпуска: P(t) = a − b(q₁(t) + q₂(t)).

Nash-равновесие: через уравнения Гамильтона или DP. Оптимальные инвестиции u*ᵢ(t) зависят от собственного капитала и капитала конкурента.

Стационарное Nash-состояние (при t → ∞): каждый производитель достигает стабильного уровня капитала K̄ᵢ* = argmax прибыли при равновесных ценах.