5. Comportamiento estratégico cooperativo 5.1. Juegos cooperativos Un juego cooperativo (con utilidad transferible) en forma coalicional consiste en: (i) un conjunto no vacío y finito N de jugadores, cuyos subconjuntos se denominan coaliciones; y (ii) una función v (llamada función característica) que asocia con cada coalición S (es decir, con cada subconjunto S de N) un número real v(S), que representa el pago (la “utilidad”, los “beneficios”) que los miembros de S pueden obtener por sí mismos y que deben repartirse entre ellos. Convención. Aunque un juego es, por tanto, un par (N, v), para simplificar se identifica v con el juego y se habla de “el juego v”. Cuando i N, se escribirá v(i) en lugar de v({i}) y, cuando N es un conjunto de números, se escribirá (a modo de ejemplo) v(12) en lugar de v({1, 2}). Hipótesis. (i) La coalición vacía no genera pagos: v() = 0. (ii) Propiedad de superaditividad: para todo subconjunto S y T de N sin elementos en común, v(S T) v(S) + v(T). Es decir, la unión de dos coaliciones disjuntas puede al menos procurarse un “valor” tan grande como la suma de los valores que obtienen por separado. Esta propiedad captura, grosso modo, la idea que cuando mayor es una coalición mayor es lo que sus miembros pueden conseguir actuando colectivamente. Aclaración. El término “utilidad transferible” significa que v(S) se puede repartir de cualquier manera (sin restricción alguna) entre los miembros de S. Puede, por ejemplo, pensarse que v(S) es dinero. Un juego es esencial si v(N) > iN v(i). Es decir, si todos los jugadores forman la gran coalición N (la coalición de todos los jugadores), lo que pueden obtener v(N) al formar la gran coalición es mayor que la suma iN v(i) de lo que cada uno puede hacer por separado. Interpreta estas dos propiedades: (i) el juego v es de suma constante si, para todo S N, v(S) + v(N\S) = v(N); (ii) el juego v es convexo si, para todo S N y todo T N, v(S T) + v(S T) v(S) + v(T). Una imputación en un juego en forma coalicional v con n jugadores es un vector (x, … , xn) tal que: (i) iN xi = v(N); y (ii) para todo jugador i en N, xi v(i). Una imputación es una especificación sobre cómo distribuir entre los jugadores el pago que puede conseguirse cuando todos se reúnen en la gran coalición (puesto que, asumiendo la superaditividad, ninguna coalición puede conseguir más que la gran coalición N), de forma que cada jugador obtenga al menos tanto como puede conseguir por sí mismo. La interpretación es que la imputación (x, … , xn) reparte el valor v(N) de forma que al jugador i le corresponde xi. Un concepto de solución para juegos cooperativos consiste en la selección del conjunto de imputaciones que se consideran “razonables” o “aceptables”. Se presentan a continuación dos conceptos de solución: el núcleo (que generalmente selecciona más de una imputación) y el valor de Shapley (que consiste en una única imputación). 5.2. El núcleo Definición 1. El núcleo de un juego en forma coalicional v con n jugadores es el conjunto de todas las imputaciones (x, … , xn) tales que, para todo S N, iS xi v(S). El núcleo de un juego v recoge todas las imputaciones cuyo reparto de ganancias entre los jugadores es inmune a objeciones que pueda formular cualquier coalición. Dicho de otro modo, una imputación está en el núcleo si lo que corresponde a cada coalición según la imputación es al menos tan grande como lo que esa coalición puede conseguir por sí misma. Porque si le correspondiese menos, los miembros de la coalición tendrían incentivo a romper el acuerdo que establece la imputación separándose de la gran coalición. Ejemplo. Sea el juego con 3 jugadores v(i) = 0 para todo i N, v(12) = 10, v(13) = 15, v(23) = 20 y v(123) = 25. La imputación (x, x, x) = (7, 9, 9) no pertenece al núcleo porque la coalición {2, 3} puede obtener por sí misma 20 y en la imputación le corresponde sólo 18. Así como los perfiles de estrategias que constituían un equilibrio en un juego no cooperativo eran estables/robustas/inmunes a desviaciones por parte de jugadores (en un equilibrio ningún jugador, actuando por separado, tenía incentivo a desviarse de la estrategia que prescribía el equilibrio), las imputaciones que están en el núcleo de un juego cooperativo son estables/robustas/inmunes a desviaciones por parte de coaliciones, es decir, a desviaciones por parte de grupos de jugadores. Teorema 1. El núcleo de un juego esencial y de suma constante está vacío. El Teorema 1 establece que no todos los juegos cooperativos tienen imputaciones que 12enero2002 sean in-munes a desviaciones por parte de coaliciones: hay juegos en los que ninguna imputación (x, … , xn) cumple que, para todo S N, iS xi v(S). Por tanto, el núcleo de esos juegos será el conjunto vacío. El paralelismo con los juegos no cooperativos se encuentra en aquellos jue-gos que no poseen algún equilibrio en estrate-gias puras. Ejemplo. Sea el juego v(1) = 5, v(2) = 10, v(3) 15, v(12) = 25, v(13) = 30, v(23) = 35 y v(123) = 40. Comprueba que este juego es superaditivo (satisface la propiedad de superaditividad), de suma constante y esencial. Por el Teorema 1, no hay ninguna imputación en núcleo. Porque para que la imputación (x, x, x) esté en el núcleo deben satisfacerse a la vez 7 condiciones: x v(1) = 5; x v(2) = 10; x v(3) = 15; x + x v(12) = 25; x + x v(13) = 30; x + x v(23) = 35; y x + x + x = v(123) = 40. Pero 40 – x = x + x 35 im-plica 5 x; y dado que x 5, se concluye que, para que (x, x, x) esté en el núcleo, x debe ser 5. Un argumento similar prueba que x = 10 (utilizando x + x + x = 40, x + x 30 y x 10) y x = 15 (utilizando x + x + x = 40, x + x 25 y x 15). Así, para estar en el núcleo, (x, x, x) ha de cumplir que x = 5, x = 10 y x = 15. Sin embargo, el vector (x, x, x) = (5, 10, 15) no es una imputación, porque x + x + x v(N) = 40. Esto significa que ningún vector (x, x, x) cumple las 7 condiciones de pertenencia al núcleo. Ejercicio 1. Calcula todas las imputaciones del núcleo del juego v(1) = v(2) = v(3) = 5, v(12) = v(13) = v(23) = 10 y v(123) = 15. ¿Es v esencial? ¿De suma constante? ¿Superaditivo?. Si el Teorema 1 identifica una clase de juegos cuyo núcleo está vacío, el siguiente teorema identifica condiciones necesarias y suficientes para que un juego de 3 jugadores posea alguna imputación en el núcleo. Teorema 2. El núcleo de un juego en forma coalicional con 3 jugadores es no vacío si, y sólo si: 5.3. El valor de Shapley El valor de Shapley es un concepto de solución para juegos cooperativos que selecciona una única imputación (, … , n) en cada juego. Las imputaciones en el núcleo pueden entenderse como repartos de pagos que pueden tener lugar. O, más bien, hay razones para descartar que tenga lugar un reparto que no se corresponda con una imputación que esté en el núcleo: que alguna coalición tendrá incentivo a no aceptar ese reparto. El valor de Shapley no tiene ese carácter descriptivo de identificar lo que puede ocurrir, sino que su carácter es más bien normativo: establece una imputación “justa” basada en pagos esperados. El valor de Shapley establece pues un reparto de referencia que se construye asignando a cada jugador un pago “medio”. Hay al menos dos maneras de entender ese pago “medio” que un jugador espera obtener al jugar v. Para simplificar, consideremos un juego con 3 jugadores, i, j y k. La primera motivación del valor de Shapley es como sigue. Tomemos al jugador i. Éste puede integrarse en 3 tipos de coaliciones: las que no contienen a ningún otro jugador, las que contienen un solo jugador y las que contienen dos jugadores. La definición del pago “medio” o “esperado” de i se basa en dos hipótesis. Primera, que la probabilidad que tiene i de incorporarse al cualquiera de los 3 tipos de coaliciones es la misma (en este caso, 1/3). Segunda, que el pago que recibe i al integrarse en la coalición ya formada S es lo que contribuye i a esa coalición. La contribución de i a la coalición S se define como lo que se obtiene cuando i se añade a S (el valor v(S {i})) menos lo que S obtenía antes de que se incorporara i (el valor v(S)). De modo que si, sin i, se obtenía v(S) y con i se obtiene v(S {i}), la contribución de i es v(S {i}) – v(S) y, en principio, sería “justo” que i recibiese lo que aporta a la coalición. v(1) + v(2) + v(3) v(N) v(1) + v(23) v(N) v(2) + v(13) v(N) v(3) + v(12) v(N) v(12) + v(23) + v(13) 2 v(N). Sólo hay una coalición del primer tipo, la coalición vacía . Si i se incorpora a esta coalición contribuye en v(i) – v(). Como v() = 0, su contribución es v(i). De modo que su contribución esperada al primer grupo de coaliciones es (1/3)v(i). Por consiguiente, si se cumplen estas condiciones, el núcleo no está vacío; y si el núcleo no está vacío, se cumplen estas condiciones. Hay dos coaliciones del segundo tipo: una formada por {j} y otra por {k}. La probabilidad de incorporarse a alguna coalición de un cierto tipo se distribuye igualitariamente entre todas las coaliciones de ese tipo. En este caso, la probabilidad 1/3 de incorporarse a una Ejercicio 2. Comprueba si el núcleo del siguiente juego está o no vacío: v(i) = 0, v(12) = v(13) = v(23) = 3 y v(123) = 5. 12enero2002 coalición con 1 miembro se reparte igualitariamente entre todas las coaliciones que tengan un miembro, por lo que la probabilidad de que i se incorpore a la coalición {j} es la misma de que se incorpore a {k}, 1/3 multiplicado por 1/2. Si i se incorpora a la coalición {j}, lo cual hace con probabilidad 1/6, contribuye con v(ij) – v(j). Si i se incorpora a la coalición {k}, lo cual hace también con probabilidad 1/6, contribuye con v(ik) – v(k). Su contribución esperada es, en este segundo tipo, (1/6)(v(ij) – v(j)) + (1/6)(v(ik) – v(k)). Por último, hay una única coalición del tercer tipo, {j, k}. La contribución de i a esta coalición es v(ijk) – v(jk) y su contribución esperada es (1/3)(v(ijk) – v(jk)). En total, la contribución esperada de i a una coalición es (1/3)v(i) + (1/6)(v(ij) – v(j)) + (1/6)(v(ik) – v(k)) + (1/3)(v(ijk) – v(jk)). (1) Éste es el valor de Shapley para el jugador i en el juego v: su contribución media a cada coalición cuando (i) la probabilidad de incorporarse a una coalición de un cierto tamaño es siempre la misma y (ii) dentro del conjunto de coaliciones con un mismo tamaño, la probabilidad de incorporarse a una de ellas es también siempre la misma. Definición 2. El valor de Shapley de un juego v con n jugadores es la imputación (, … , n) tal que i = S N con i S [(n – s)! (s – 1)!/ n!] [v(S) – v(S\{i})], donde s es el número de miembros de la coalición S y, para el número natural k, k! (léase “ca factorial”) = k (k – 1) (k – 2) … 3 2 1, con 0! = 1 por definición. Por ejemplo, si n = 3, el valor de Shapley del jugador i se calcularía considerando todas las coaliciones S que continene a i. Son 4: {i}, {i, j}, {i, k} e {i, j, k}. Así que i es el sumatorio de cuatro miembros. El primero resulta de tomar S = {i}. En este caso, (n – s)! = (3 – 1)! = 2! = 2, (s – 1)! = (1- 1)! = 1, n! = 3! = 6 y v(S) – v(S\{i}) = v({i}) – v() = v({i}). En resumen, el primer componente es (2/6)v(i) = (1/3)v(i). El segundo miembro resulta de tomar S = {i, j}. En este caso s = 2, con lo que [(n – s)! (s – 1)!/ n!] [v(S) – v(S\{i})] = (1/6) (v(ij) – v(j)). El tercer miembro resulta de tomar S = {i, k}. Como s = 2, [(n – s)! (s – 1)!/ n!] [v(S) – v(S\{i})] = (1/6) (v(ik) – v(k)). El último miembro resulta de tomar S = N = {i, j, k}. Ahora s = 3 y [(n – s)! (s – 1)!/ n!] [v(S) – v(S\{i})] = (2/6) (v(ijk) – v(jk)). De modo que i coincide con (1). La segunda motivación y construcción del valor de Shapley se basa en suponer que el juego se juega como sigue. Los jugadores forman la gran coalición escogiendo aleatoriamente un orden de incorporación de manera que todos las ordenaciones de los jugadores son igualmente probables. El primer jugador i del orden seleccionado obtiene v(i); el segundo jugador j en el orden obtiene v(ij) – v(i); y, en general, el jugador k obtiene v(S {k}) – v(S), donde S es el conjunto de todos los jugadores que preceden a k en el orden en que se forma la gran coalición. En ese caso, el pago esperado de un jugador i cualquiera es i = S N con i S [(n – s)! (s – 1)!/ n!] [v(S) – v(S\{i})], es decir, su valor de Shapley. La razón es que la probabilidad de que s jugadores dados entren en la gran coalición antes de los restantes n – s jugadores es (n – s)! s! / n!. Y la probabilidad de que, entre esos s jugadores, un cierto jugador i sea el último en incorporarse a la gran coalición es 1/s. El producto de estas dos probabilidades es (n – s)! (s – 1)! / n!, que determina la probabilidad de que i obtenga el pago v(S) – v(S\{i}). De aquí que i sea el pago esperado de i cuando el juego se juega de la forma descrita. Ejemplo. El juego v(1) = 5, v(2) = 10, v(3) 15, v(12) = 25, v(13) = 30, v(23) = 35 y v(123) = 40 no tiene núcleo. Vamos a calcular el valor de Shapley siguiendo la segunda forma de motivarlo. Al haber tres jugadores, hay tres maneras de construir la gran coalición: según los órdenes de incorporación (1, 2, 3), (1, 3, 2), (2, 1, 3), (2, 3, 1), (3, 1, 2) y (3, 2, 1). La hipótesis es que todos los órdenes tienen la misma probabilidad de ser seleccionados. Consideremos al jugador 1. Si se llegara a formar N en el orden (1, 2, 3), a 1 le correspondería el pago v(1), por ser el primero. Lo mismo recibiría si el orden fuese (1, 3, 2). Si el orden fuese (2, 1, 3), a 1 le correspondería v(12) – v(2). Si fuese (2, 3, 1), v(123) – v(23). Si fuese (3, 1, 2), v(13) – v(3). Y si fuese (3, 2, 1), v(123) – v(23). Al ser todas las contribuciones igualmente probables, la contribución esperado coincide con la contribución media: [v(1) + v(1) + (v(12) – v(1)) + (v(123) – v(23)) + (v(13) – v(3)) + (v(123) – v(23))]/6. Este valor coincide con . El mismo procedimiento determina que la contribución media del jugador 2 sea y la del 3, . Así que la contribución media de cada jugador cuando el juego es jugado de la forma indicada es su valor de Shapley. 12enero2002 Uno de los atractivos del valor de Shapley es que siempre está definido y es único. Observación. El índice i coincide con el valor de Shapley de i en el juego v. Teorema 3. Todo juego tiene un único valor de Shapley. El índice i expresa la probabilidad de que el jugador i sea decisivo, es decir, de que su incorporación a una coalición perdedora la transforme en ganadora. El “poder” de i se mide mediante la probabilidad de que sea un miembro pivote de una coalición ganadora (de que su salida de la coalición la transforme en perdedora). El problema es que el valor de Shapley puede no pertenecer al núcleo, por lo que el reparto que establece el valor de Shapley no sería inmune a objeciones de alguna coalición. Ejercicio 3. Comprueba que (2/3, 1/6, 1/6) es el valor de Shapley del juego v(i) = v(23) = 0, v(12) = v(13) = v(123) = 10. Comprueba que la única imputación que esta en el núcleo del juego es (10, 0, 0). Sería pues interesante y útil identificar tipos de juegos en los que el valor de Shapley disfrutara de las propiedades de estabilidad de las imputaciones que pertenecen al núcleo. Teorema 4. Si un juego es convexo, entonces su valor de Shapley pertenece al núcleo del juego. Del Teorema 4 se deduce que el núcleo de un juego convexo es no vacío. Definición 4. Juegos de votación con pesos y cuota. Dados los números [q; p, … , pn], el juego de votación con cuota q y n jugadores con pesos p, … , pn viene definido por la función característica v tal que v(S) = 1 si la suma de los pesos de los miembros de S es mayor o igual a la cuota y v(S) = 0 en otro caso. Si v(S) = 1 se interpreta que S es una coalición ganadora y si v(S) = 0, que es perdedora. Ejemplo. [2; 1, 1, 1] representa el juego de votación con 3 jugadores, en el que cada jugador tiene un voto y la cuota está en 2 votos: v(1) = v(2) = v(3) = 0 y v(12) = v(13) = v(23) = v(123) = 1. En otras palabras, [2; 1, 1, 1] representa la votación por mayoría simple con 3 votantes. Como ilustración, consideremos el juego [2; 1, 1, 1]. El jugador 1 sólo es decisivo cuando se incorpora a la coalición {2} o a la {3}. Por tanto, sólo en 2 ocasiones es pivote. Pero (por simetría del juego) lo mismo ocurre con el 2 y el 3: el 2 sólo es decisivo al incorporarse a {1} o a {3}, y el 3 sólo al incorporarse a {1} o {2}. De modo que todos son igualmente “poderosos” o decisivos. O, más exactamente, la probabilidad de que uno cualquiera de ellos sea decisivo es la misma de que lo sea cualquier otro. Capturando esta intuición, = = = 1/3. El índice de poder representado por el valor de Shapley permite evaluar la “bondad” de determinados métodos de votación. Por ejemplo, en el Ejercicio 16 se muestra que un método de votación con ponderaciones 49, 37, 14 y que exige cuota 51 opera, en la práctica, como si no hubiera ponderaciones: todos los jugadores tienen el mismo índice de poder. Por último, el Ejercicio 13 representa un parlamento con 6 grupos parlamentarios en el que las decisiones se toman por mayoría simple y en donde dos de los grupos son los mayoritarios y el resto son partidos minoritarios. Así, 1/3 indica que cada uno de los dos primeros grupos dispone de 1/3 de los escaños y que cada uno de los cuatro restantes partidos posee 1/12 de los escaños. La medida de poder de cada grupo reflejada en el valor de Shapley indica que, en conjunto, los partidos minoritarios tienen más poder de lo que la suma de sus escaños parece sugerir. El valor de Shapley permite definir un índice de poder en juegos de votación. Sea G el conjunto de las coaliciones más pequeñas que son ganadoras. Es decir, S G si, y sólo si, v(S) = 1 y, para cualquier subconjunto T de S diferente de S, v(T) = 0. Definición 5. El índice de poder i del jugador i en v es i = S G con i S (n – s)! (s – 1)!/ n!, donde s es el número de elementos de S. 12enero2002 Ejercicios adicionales Ejercicio 4 (Harsanyi (1977, p. 218)). Calcula el valor de Shapley (v) del juego en forma coalicional con función característica v(1) = 10, v(2) = 20, v(3) = 30, v(12) = 40, v(13) = 40, v(23) = 80 y v(123) = 160. Solución: (v) = (35, 60, 65). Ejercicio 5 (Harsanyi (1977, p. 220)). Calcula el valor de Shapley (v) del juego en forma coalicional cuya función característica coincide con la del juego del Ejercicio 1 excepto en {1, 2, 3}, cuyo valor es 91. Solución: (v) = (12, 37, 42). Ejercicio 6 (Harsanyi (1977, p. 233)). Calcula el valor de Shapley (v) del juego en forma coalicional con función característica v(i) = 0, v(12) = v(13) = v(23) = 42 y v(123) = 90. Solución: (v) = (30, 30, 30). Comprueba que el valor coincide con el del juego u(i) = 0, u(12) = u(13) = u(23) = u(123) = 90. Ejercicio 7 (Luce y Raiffa (1957, p. 251)). Comprueba que los juegos u, v y w definidos a continuación satisfacen: (a) w = u + v; y (b) (w) = (u) + (v), con (w) = (½, 1, ½) (u) = (0, ½, ½) y (v) = (½,½, 0). Los juegos son: u(S) = 0 excepto u(123) = u(23) = 1; v(S) = 0 excepto v(123) = v(12) = 1; y w(i) = w(13) = 0, w(12) = w(23) = 1 y w(123) = 2. Ejercicio 8 (Luce y Raiffa (1957, pp. 207 y 249)): mercado con un vendedor (jugador 1) y dos compradores (jugadores 2 y 3). El jugador 1 desea vender un objeto indivisible que valora en a €. El jugador 2 valora el bien en b € y el 3 en c €. Asumamos a < b c. Razona por qué esta situación puede representarse mediante el juego en forma coalicional v(1) = a, v(2) = v(3) = v(23) = 0, v(12) = b y v(13) = v(123) = c. Comprueba que el núcleo de este juego consiste en las imputaciones (x, x, x) tales que b x c, x = 0 y x = c – x. Interpreta el resultado. Comprueba que (v) = (a/3 + b/6 + c/2, –a/6 + b/6, –a/6 – b/3 + c/2). Ejercicio 9. Comprueba que [5; 2, 3, 4] y [2; 1, 1, 1] definen el mismo juego en forma coalicional. Muestra que el valor de Shapley de este juego es (1/3, 1/3, 1/3) y que esta imputación no pertenece al núcleo. 6 miembros y operaba en 1964 con voto ponderado y cuota [58; 31, 31, 28, 21, 2, 2]. La equivalencia anterior muestra que tres de los miembros no tenían ninguna influencia en las decisiones. Ejercicio 11. Comprueba que (1/2, 1/6, 1/6, 1/6) es el valor de Shapley del juego representado por [3; 2, 1, 1, 1]. Ejercicio 12. Comprueba que (2/3, 1/6, 1/6) es el valor de Shapley del juego representado por [3; 2, 1, 1]. Comprueba que la única imputación que esta en el núcleo del juego es (1, 0, 0). Ejercicio 13 (Robert Aumann): el precio competitivo de un voto. Calcula el valor de Shapley del juego representado por [1/2; 1/3, 1/3, 1/12, 1/12, 1/12, 1/12]. Interpreta el resultado. Ejercicio 14 (Ordeshook (1986), pp. 463-464). Comprueba que (2, 3’5, 5’5) es el valor de Shapley del juego v(1) = 0, v(2) = 2, v(3) = 3, v(12) = 3, v(13) = 6, v(23) = 7, v(123) = 11. Ejercicio 15. Comprueba que (¼, ¼, ¼, ¼) es el vector de índices de poder del juego representado por [3; 1, 1, 1, 1]. Ejercicio 16 (Ordeshook (1986), pp. 466-467). Comprueba que (1/3, 1/3, 1/3) es el vector de índices de poder del juego representado por [51; 49, 37, 14]. Muestra que este juego es equivalente a [2; 1, 1, 1]. Referencias Harsanyi, John C. (1977): Rational behavior and bargaining equilibrium in games and social situations. Cambridge: Cambridge University Press. Luce, Duncan y Raiffa, Howard (1957): Games and decisions. Nueva York: John Wiley. Ordeshook, Peter C. (1986): Game theory and political theory. Cambridge: Cambridge University Press. Ejercicio 10 (W. Lucas). Comprueba que [58; 31, 31, 28, 21, 2, 2] y [2; 1, 1, 1, 0, 0, 0] definen el mismo juego en forma coalicional. El Board of Supervisors del condado de Nassau (Long Island, NY) estaba formado por 12enero2002