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Text File  |  1989-04-24  |  23.0 KB  |  678 lines

  1.  
  2. Spieltheorie
  3.  
  4. Dem Glück auf der Spur oder warum ein guter Schachspieler den
  5. Computer schlägt
  6.  
  7. Die Spieltheorie ist ein relativ junger Zweig der Mathematik.
  8. Ihre grundlegenden Ideen stammen von dem Franzosen Emile Bo-
  9. rel, während die ersten fundierten mathematischen Aussagen
  10. 1926 von John v. Neumann ausgearbeitet wurden.
  11.  
  12. In der Hauptsache beschäftigt sich die Spieltheorie mit Zwei-
  13. personen-Nullsummenspielen, das heißt zwei Personen treten in
  14. einem Wettbewerb gegeneinander an. Nullsummenspiel bedeutet
  15. nichts weiter, als daß der Gewinn des einen Spielers gleich
  16. dem Verlust des anderen ist. Ein solches Spiel wird vollstän-
  17. dig beschrieben durch eine Auszahlungstabelle, auch Spielma-
  18. trix genannt, in der alle Strategien der beiden Spieler A und
  19. B und der jeweils resultierende Gewinn/Verlust des ersten
  20. Spielers eingetragen werden:
  21.  
  22. Hat Spieler A genau m Strategien (A1,...,Am), Spieler B sei-
  23. nerseits n (B1,...,Bn) und ist aij der Gewinn für Spieler A,
  24. wenn er Ai und sein Gegner Bj gebrauchen, so ist ││aij││ die
  25. zu dem Spiel gehörende Matrix.
  26.  
  27. Beispiel:
  28. Der Spieler A wählt aus der Zahlengruppe -1, 0, 1 eine Zahl s,
  29. der Spieler B eine Zahl t aus. Nach Bekanntgabe der gewählten
  30. Zahlen erhält A den Betrag s(t-s)+ t(t+s) von B. Ist der
  31. Ausdruck negativ, so zahlt A den Betrag an B. Die Spielmatrix
  32. sieht wie folgt aus:
  33.  
  34. Repro 1                         B wählt
  35.  
  36.                       │ -1   0  1
  37.                   ────┼────────────
  38.                    -1 │  2  -1 -2
  39.        A wählt      0 │  1   0  1
  40.                     1 │ -2  -1  2
  41.                       │
  42.  
  43. Skin-Spiel: A besitzt die Karten Karo As, Pik As und Karo
  44. Zwei, während B die Karten Karo As, Pik As und Pik Zwei in der
  45. Hand hält. Unabhängig voneinander spie~ len sie jeweils eine
  46. Karte aus. A gewinnt, wenn die Karten von gleicher Farbe sind,
  47. andernfalls gewinnt B. Der Gewinn entspricht dem Wert der
  48. Karte, die der Gewinner gespielt hat (As zählt 1). Aus diesen
  49. Regeln ergibt sich dann folgende Spielmatrix:
  50.  
  51. Repro 2
  52.                    │   Karo As    Pik As    Pik 2
  53.                  ──┼──────────────────────────────
  54.         Karo As    │      1        -1        -2
  55.                    │
  56.         Pik As     │     -1         1         1
  57.                    │
  58.         Karo 2     │      2        -1        -2
  59.  
  60.  
  61. Auf den ersten Blick scheint diese Spiel B zu übervorteilen,
  62. da es mehr negative als positive Matrixelemente enthält. Die
  63. spätere genaue Analyse wird jedoch ergeben, daß der
  64. durchschnittliche Gewinn gerade 0 beträgt.
  65.  
  66.  
  67.                  Das Minimax-Prinzip
  68.  
  69.  
  70. Natürlich wünscht sich Spieler A einen möglichst großen
  71. Gewinn, während Spieler B den kleinstmöglichen Wert anstrebt;
  72. man nennt A daher auch Maximum-Spieler und B wird entsprechend
  73. Minimum-Spieler genannt.
  74.  
  75. Wählt jetzt A eine Strategie Ai, so muß er damit rechnen, daß
  76. B mit derjenigen Strategie Bj antwortet, für die der Gewinn
  77. aij minimal wird. Der Wert der Strategie Ai ist also:
  78.  
  79.                   αi = min aij
  80.                               j
  81.  
  82. Natürlich wird A versuchen, den größten Zeilengewinn zu
  83. erhalten:
  84.  
  85.        α = max αi = max min aij
  86.                            i   j
  87.  
  88. Der Wert α heißt kleinster Wert des Spiels oder Maximin-
  89. Gewinn. Die Strategie Ai, für die α=αi ist, wird optimal
  90. genannt. Ähnlich gilt für B:
  91.  
  92.                ß = min ßj = min max aij.
  93.                     j              j   i
  94.  
  95. Entsprechend wird ß größter Wert des Spiels bzw. Minimax-
  96. Gewinn genannt. In dem obengenannten Zahlenspiel ergibt sich:
  97.  
  98. Repro3
  99.                     │ B1 │  B2 │  B2 │  α
  100.                  ───┼────┼─────┼─────┼─────
  101.                  A1 │ 2  │  -1 │  -2 │  -2
  102.                  ───┼────┼─────┼─────┼─────
  103.                  A2 │ 1  │   0 │   1 │   0
  104.                  ───┼────┼─────┼─────┼─────
  105.                  A3 │-2  │  -1 │   2 │  -2
  106.                  ───┼────┼─────┼─────┼─────
  107.                  ß  │ 2  │   0 │   2 │
  108.  
  109.  
  110. Gilt α=ß, so ist der Wert des Spiels ▓=α=ß. Der Matrixeintrag
  111. aij, der den beiden optimalen Strategien Ai und Bj entspricht,
  112. heißt Sattelpunkt. Er ist zugleich Zeilenminimum als auch
  113. Spaltenmaximum. Spiele, bei denen ein Sattelpunkt existiert,
  114. bei denen also der Maximin- Gewinn gleich dem Minimax-Gewinn
  115. ist, haben folgende Eigenschaft:
  116.  
  117. Wählen beide Spieler ihre optimalen Strategien, so ist der
  118. Gewinn gleich dem Wert des Sattelpunktes. Weicht einer der
  119. beiden Spieler von seiner optimalen Strategie ab, so kann er
  120. dabei nur verlieren und niemals seinen Gewinn vergrößern.
  121.  
  122. Unser Zahlenspiel gehört in diese Kategorie:
  123. a22 = 0 ist der Sattelpunkt, A2 und B2 sind die optimalen
  124. Strategien und der Wert des Spiels ist ▓=α=ß=0. Wählt A die
  125. Zahl 0, so muß B ebenfalls 0 wählen, um den Wert ▓ zu er-
  126. reichen. Weicht er ab, so wird er garantiert ein schlechteres
  127. Ergebnis erzielen. Das aber bedeutet ebenso, daß A auch nach
  128. Bekanntgabe der von B gewählten Zahl seine Wahl nicht bereuen
  129. wird; verlieren kann er mit 0 nie. Ebenso wird natürlich auch
  130. B argumentieren und stets seiner optimalen Strategie folgen.
  131.  
  132. Damit ist klar, daß ein Zweipersonen-Nullsummenspiel mit
  133. Sattelpunkt seinen Reiz verliert, sobald es einmal vollständig
  134. analysiert worden ist.
  135.  
  136. Interessanterweise besitzt auch das Schachspiel einen solchen
  137. Sattelpunkt; vom theoretischen Standpunkt aus wäre es daher
  138. als trivial zu bezeichnen. Mithin dürfte es jedoch kaum
  139. gelingen, eine vollständige Matrix zu erstellen und daraus die
  140. (vollständige) Lösung des Schachspiels abzulesen.
  141.  
  142.  
  143.                 Gemischte Strategien
  144.  
  145.  
  146. Weitaus interessanter sind Matrix-Spiele ohne Sattelpunkt, wie
  147. zum Beispiel das bekannte Knobelspiel: Unabhängig voneinander
  148. wählen beide Spieler ein Symbol aus der Menge "Stein",
  149. "Schere" und "Papier". Die folgende Matrix entspricht den
  150. gängigen Regeln (1 entspricht Gewinn A, -1 entspricht Verlust
  151. A, 0 entspricht Unentschieden):
  152.  
  153. Repro 4
  154.                     │ Stein │ Schere │ Papier
  155.            ─────────┼───────┼────────┼────────
  156.              Stein  │   0   │    1   │   -1
  157.             Schere  │  -1   │    0   │    1
  158.             Papier  │   1   │   -1   │    0
  159.  
  160. Es ergibt sich: α=-1╪ß=1. Offensichtlich läßt sich bei diesem
  161. Spiel keine optimale Strategie angeben. Um dennoch sowohl den
  162. Wert des Spiels als auch doch ein Verhaltensempfehlung
  163. ermitteln zu können, wird der Begriff der gemischten Strategie
  164. eingeführt:
  165.  
  166. Eine gemischte Strategie ist ein m-Tupel (p1,...,pm), wobei
  167. der Wert pi die Häufigkeit angibt, mit der die Strategie Ai
  168. angewendet wird:
  169.  
  170. Repro 5
  171.                                   m
  172.          A* = (p1,...,pm), wobei  Σ  pi  =1.
  173.                                  i=1
  174.  
  175. Wählt nun B beispielsweise stets die Strategie Bj, so ist der
  176. mittlere Erwartungswert für A:
  177.  
  178. Repro 6
  179.                m
  180.             =  Σ  pi aij
  181.               i=1
  182.  
  183. Arbeitet B ebenfalls mit einer gemischten Strategie,
  184. B*=(q1,...,qn), so gilt:
  185.  
  186. repro 7
  187.  
  188.                 n      m            m   n
  189.              =  Σ qj   Σ pi aij  =  Σ   Σ   pi qj aij.
  190.                j=1    i=1          i=1 j=1
  191.  
  192.  
  193. Offensichtlich gilt für das Knobelspiel: A* =(1/3,1/3,1/3) und
  194. B* =(1/3,1/3,1/3) und damit ist ░=0, das heißt für beide Spie-
  195. ler ist es am günstigsten, jedes der drei Symbole mit der
  196. gleichen Wahrscheinlichkeit zu wählen. Der mittlere
  197. Erwartungswert beträgt dann 0.
  198.  
  199. Wie können nun solche optimalen gemischten Strategien
  200. allgemein ermittelt werden?
  201.  
  202.  
  203.                  Graphische Lösung
  204.  
  205.  
  206. Es sei zunächst die Matrix dahingehend beschränkt, daß einer
  207. der beiden Spieler, zum Beispiel A, nur zwei Strategien zur
  208. Auswahl hat.
  209.  
  210. Wählt man in einem Koordinatensystem als Abszisse die
  211. (gemischte) Strategie von A und als Ordinate die jeweilige
  212. Auszahlung, so kann jede Spalte der Spielmatrix durch eine
  213. Strecke repräsentiert werden, die den Gewinn abhängig von dem
  214. Mischungsverhältnis (p1 /p2) wiedergibt.
  215.  
  216. Spieler B wird, da er der Minimum-Spieler ist, einen möglichst
  217. niedrigen Punkt in dem Diagramm anstreben. Da A maximiert, ist
  218. diejenige gemischte Strategie die Lösung, für die der
  219. niedrigste Strategiepunkt von B am höchsten liegt.
  220.  
  221. Beispiel:
  222. Für ein nicht näher differenziertes Spiel mit der
  223. Matrix
  224.  
  225.               2  -1  -1
  226.               0   2   1
  227.  
  228. stellt das Pascal-Programm Spieltheorie-Grafik (Listing 1) das
  229. Diagramm in Abbildung 1 auf.
  230.  
  231. Das "maximierte Minimum" liegt hier bei p1 =0.25. Damit ist
  232. die optimale Strategie für A: A* =(0.25,0.75). Der Wert des
  233. Spiels ist auf der Ordinate abzulesen: ▒= 0.5.
  234.  
  235. Leider lassen sich mit diesem Verfahren nur Spiele lösen, die
  236. eine 2xn-Matrix besitzen. Für eine 3xn-Matrix kann noch ein
  237. dreidimensionales Diagramm erstellt werden, wobei jedoch das
  238. Eintragen und Ablesen schon sehr unübersichtlich wird. Daher
  239. wird jetzt eine Methode vorgestellt, mit der beliebige nxn-
  240. Matrizen mit Hilfe der linearen Optimierung gelöst werden
  241. können. Damit läßt sich zum Beispiel zeigen, daß das oben
  242. genannte Skin-Spiel tatsächlich fair ist.
  243.  
  244.                  Lineare Optimierung
  245.  
  246.  
  247. Die lineare Optimierung befaßt sich allgemein mit der
  248. Maximierung (bzw. Minimierung) einer von mehreren Variablen
  249. abhängigen Gleichung, wobei die Variablen durch ein System von
  250. Ungleichungen eingeschränkt werden. Diese Aufgaben spielen
  251. besonders im kaufmännischen Bereich eine entscheidende Rolle.
  252. Bereits das folgende, aus nur zwei Variablen bestehende
  253. Problem macht deutlich, wie aufwendig der Lösungsweg gestaltet
  254. ist. Daher ist die lineare Optimierung in der Praxis erst im
  255. Computerzeitalter anwendbar geworden.
  256.  
  257. Ein Beispiel:
  258. Ein landwirtschaftlicher Betrieb möchte Kühe- und Schafhaltung
  259. einführen. Für diesen Betrieb gelten folgende Bedingungen:
  260.  
  261. Der Platz für die Tiere ist beschränkt; es stehen Ställe für
  262. maximal 50 Kühe sowie für 200 Schafe zur Verfügung. Von den
  263. vorhandenen 72 Morgen Weideland fallen auf eine Kuh genau 1
  264. Morgen, während pro Schaf 0.2 Morgen benötigt werden. Es
  265. können in einem Jahr höchstens 10000 Arbeitsstunden geleistet
  266. werden; auf eine Kuh fallen jährlich 150, auf ein Schaf 25
  267. Stunden. Der jährliche Gewinn beträgt für eine Kuh 250 DM, für
  268. ein Schaf dagegen 45 DM. Die Aufgabe lautet, den jährlichen
  269. Gewinn zu maximieren.
  270.  
  271. Die zu lösende Gleichung ist:
  272.  
  273.   Q(x1,x2) = 250x1 + 45x2.
  274.  
  275. Das System der zu berücksichtigenden Ungleichungen
  276. stellt sich wie folgt dar:
  277.  
  278. Repro 8
  279.  
  280.                    x1        ≤     50
  281.  
  282.                        x2    ≤    200
  283.  
  284.                 x1 + 0.2 x2  ≤     72
  285.  
  286.             150 x1  + 25 x2  ≤  10000
  287.  
  288.                     x1 ≥ 0, x2 ≥ 0.
  289.  
  290.  
  291.  
  292.            Die Simplex-Methode
  293.  
  294.  
  295. Alle Aufgaben dieser Art werden mit Hilfe der sog. Simplex-
  296. Methode gelöst:
  297. Gegeben sei eine Zielfunktion Q mit n Variablen x1,...,xn und
  298. ein Ungleichungssystem mit m Ungleichungen.
  299.  
  300. Die Simplex-Methode ermittelt das Minimum der jeweiligen
  301. Zielfunktion. Um auch eine Maximierungsforderung lösen zu
  302. können, muß die Gleichung mit (-1) multipliziert werden:
  303.  
  304. Q(x1,x2) = -250x1  -45x2  = Min! .
  305.  
  306. Gearbeitet wird im Simplex-Verfahren mit folgendem
  307. Schema:
  308.  
  309. repro 9
  310.                   │...   i   ... │
  311.               ────┼──────────────┼─────┬───────
  312.               ... │...  ...  ... │ ... │ ...
  313.                   │              │     │
  314.                k  │...  aki  ... │ bk  │ bk/aki
  315.                   │              │     │
  316.               ... │...  ...  ... │ ... │ ...
  317.               ────┼──────────────┼─────┼───────
  318.                   │...  zi   ... │  Q  │
  319.  
  320.  
  321. Zu Beginn wird das Ungleichungssystem in Form der Matrix ║a║
  322. und dem Vektor │b│ in das Schema eingetragen. Die letzte Zeile
  323. erhält die -zi, das heißt die negativen(!) Komponenten der xi
  324. (i=1,...,n). Die Zielfunktion Q hat zunächst den Wert 0. Die
  325. Spalten und Zeilen werden der Reihe nach durchnumeriert
  326. (1,...,i,...,n, n+1,...,k,...,n+m).
  327.  
  328. Für unser Problem ergibt sich damit die folgende
  329. Anfangsbelegung:
  330.  
  331. repro 10
  332.                    │    1      2  │
  333.               ─────┼──────────────┼───────┬──
  334.                 3  │    1      0  │    50 │
  335.                 4  │    0      1  │   200 │
  336.                 5  │    1    0.2  │    72 │
  337.                 6  │  150     25  │ 10000 │
  338.               ─────┼──────────────┼───────┼──
  339.                    │  250     45  │     0 │
  340.  
  341.  
  342. Für jeden weiteren Schritt ist nun ein neues Schema
  343. anzulegen.
  344.  
  345. Jeder Schritt besteht aus der Auswahl eines Pivotelements aus
  346. der Matrix ║a║ und dem darauffolgenden Spalten- und
  347. Zeilentausch der durch das Pivotelement festgelegten
  348. Spalte/Zeile:
  349.  
  350. I. Auswahl des Pivotelements:
  351.   1.) Zunächst wird ein zi >0 gesucht. Ist
  352.   keins mehr vorhanden, so ist der Algorithmus be-
  353.   endet und die Lösung aus dem Schema ablesbar.
  354.   Andern falls ist durch den Index i die Pivotspal-
  355.   te bestimmt.
  356.  
  357.   2.) In die zu Beginn freigehaltene Spalte wird
  358.   für alle bk der Quotient bk/aki
  359.   (i entspricht der Pivotspalte) eingetragen, wenn
  360.   das Element aki >0 ist. Wird kein solches
  361.   Element gefunden, so ist der Algorithmus an die-
  362.   ser Stelle zu unterbrechen.
  363.  
  364.  3.) Unter diesen Quotienten bestimmt der kleinste
  365.  die Pivotzeile k.
  366.  
  367. II. Tausch.
  368.   1.) An die Stelle des Pivotelements aki
  369.   tritt 1/aki.
  370.  
  371.   2.) Alle Zahlen der Pivotzeile (auch das
  372.   bk) werden ersetzt durch ihr 1/aki
  373.   -faches, alle Zahlen der Pivotspalte (auch das
  374.   zi) durch ihr -1/aki -faches.
  375.  
  376.   3.) Alle übrigen Zahlen (auch das Q) werden nach
  377.   folgender Regel (dersog. Rechteckregel) ersetzt:
  378.  
  379. repro 11
  380.  
  381.                     P.-spalte
  382.  
  383.            P.-zeile   aki  ...   x
  384.  
  385.                       ...        ...
  386.  
  387.                       y    ...   z
  388.  
  389.              z wird ersetzt durch: z-(xy)/aki
  390.  
  391.          (so gilt z.B. für Q: Q -> Q - (bk zi )/aki)
  392.  
  393.   4.)Die Indizes i und k sind zu vertauschen.
  394.  
  395. Bei allen Ersetzungen ist übrigens zu beachten, daß nie die
  396. neuen, bereits ermittelten Zahlen verwendet werden; es sind
  397. stets die Zahlen aus dem alten Schema zu verwenden!
  398.  
  399. Mit dem Pascal-Programm "Simplex" (Listing 2) kann jeder
  400. Lösungsschritt genau verfolgt werden. Das Verfahren endet,
  401. wenn in I.1) kein zi >0 oder in I.2) kein aki >0 mehr gefunden
  402. werden kann. In unserem Beispiel ergibt sich als letztes
  403. Schema:
  404.  
  405. repro 12
  406.  
  407.               │   5       6   │
  408.           ────┼───────────────┼────────┬──
  409.            1  │  -5     0.04  │     40 │
  410.            4  │ -30      0.2  │     40 │
  411.            3  │   5    -0.04  │     10 │
  412.            2  │  30     -0.2  │    160 │
  413.           ────┼───────────────┼────────┼──
  414.               │-100       -1  │ -17200 │
  415.  
  416. Die Lösungen stehen am Ende der Zeilen, die die anfänglichen
  417. Indizes der Spalten beinhalten, das heißt:
  418.  
  419.              x1  = 40, x2  =160
  420.  
  421. Die Zielfunktion Q hat den Wert: Q(x1,x2)=-17200. Der Betrieb
  422. sollte sich also 40 Kühe und 160 Schafe anschaffen, um in
  423. einem Jahr den Maximalgewinn von 17200 DM zu erzielen.
  424.  
  425. Besteht in der Aufgabenstellung das Ungleichungssystem aus den
  426. Zeichen "≥", so ist das Schema zu Beginn zu stürzen:
  427.  
  428. Die Ungleichungen werden in die Spalten der Matrix
  429. eingetragen, der Vektor b und die Komponenten der Zielfunktion
  430. tauschen ebenso ihre Plätze wie die Indizes (erst werden die
  431. Zeilen, dann die Spalten numeriert). Die Lösungen sind in
  432. diesem Fall natürlich am Ende der jeweiligen Spalte ablesbar.
  433. Die Forderung für die Zielfunktion besteht hierbei in der
  434. Maximierung; gegebenenfalls ist diese wieder mit (-1) zu
  435. multiplizieren.
  436.  
  437.  
  438.             Umformung von Matrix-Spielen
  439.          in Aufgaben der linearen Optimierung
  440.  
  441.  
  442. Ziel dieser Einführung in die lineare Optimierung war ja, eine
  443. Möglichkeit zu finden, für beliebige nxn-Matrizen eine
  444. gemischte Strategie als Lösung anzugeben. Diese Matrix-Spiele
  445. lassen sich nämlich ohne Schwierigkeiten in Probleme der line-
  446. aren Optimierung umsetzen. Dazu ist es zunächst notwendig, den
  447. sogenannten Hauptsatz der Spieltheorie, der 1926 von J. v.
  448. Neumann bewiesen wurde, anzugeben:
  449.  
  450. Es seien eine Auszahlungsmatrix (aij) und die gemisch ten
  451. Strategien A* =(p1 ,...,pm) und B* =(q1,...,qn) gegeben. Der
  452. für A zu erwartende Durchschnittsgewinn beträgt dann minde-
  453. stens:
  454.  
  455.  
  456.                           m
  457.                     min   Σ  pi aij.
  458.                      j   i=1
  459.  
  460. Da A der Maximum-Spieler ist, wird er seine Strategie A* so
  461. wählen, daß dieser Wert möglichst groß wird:
  462.  
  463.  
  464.                                m
  465.                  1 = max min   Σ  pi aij .
  466.                      A*   j   i=1
  467.  
  468. Entsprechend gilt für B:
  469.  
  470. repro 15
  471.                                n
  472.                  2 = max min   Σ  qj aij .
  473.                      B*   i   j=1
  474.  
  475. Der Hauptsatz der Spieltheorie sagt nun aus, daß der
  476. Wert des Spiels
  477.  
  478.                      ▒=▒1  =▒2
  479.  
  480. ist.
  481.  
  482. Der Beweis des Hauptsatzes ist äußerst komplex und daher an
  483. dieser Stelle nicht wiederzugeben; interessierte Leser können
  484. ihn in (1) nachlesen.
  485.  
  486. Betrachten wir nun noch einmal das Skin-Spiel mit der
  487. Auszahlungsmatrix:
  488.  
  489. repro 16
  490.  
  491.                   │   B1    B2    B3
  492.               ────┼──────────────────
  493.                A1 │   1    -1    -2
  494.                   │
  495.                A2 │  -1     1     1
  496.                   │
  497.                A3 │   2    -1    -2
  498.  
  499.  
  500. Oben wurde bereits gesagt, daß A mit einer Strategie
  501. A* =(p1,p2,p3) den Gewinn
  502.  
  503. repro 17
  504.                           3
  505.                      min  Σ  pi aij
  506.                       j  i=1
  507.  
  508. erwarten darf. Daraus folgt, daß für alle j gilt:
  509.  
  510.       a1j p1 + a2j p2 + a3j p3 ≥ ▒.
  511.  
  512. Wird jetzt x1 = pi /▒ gesetzt, so ergibt sich:
  513.  
  514.    a1j x1 + a2j x2 + a3j x3 ≥ 1.
  515.  
  516. Außerordentlich wichtig ist natürlich, daß der Wert
  517. ▒ nicht 0 wird! Daher müssen zunächst alle Wert der
  518. Spielmatrix durch Addition einer Konstanten positiv
  519. werden. Nach Lösung der Optimierungs-Aufgabe muß
  520. diese Konstante selbstverständlich von dem ermit-
  521. telten Wert ▒ wieder subtrahiert werden. Damit
  522. steht bereits das Ungleichungssystem fest. Der
  523. Wert, den A maximieren will, ist natürlich ▒, das
  524. heißt:
  525.  
  526.  x1 + x2 + x3 = 1/▒ (p1 + p2 + p3) = 1/▒ = Min!.
  527.  
  528. Für das Skin-Spiel gilt also (die Konstante ist 3):
  529.  
  530. repro 18
  531.                  4x1  +2x2  +5x3  ≥ 1
  532.  
  533.                  2x1  +4x2  +2x3  ≥ 1
  534.  
  535.                   x1  +4x2  + x3  ≥ 1
  536.  
  537.                   x1  +x2   + x3  =Min!
  538.  
  539. Entsprechendes gilt für die gemischte Strategie von
  540. B. Beide Aufgaben können in ein und demselben Sche-
  541. ma mit dem Simplex-Verfahren gelöst werden:
  542.  
  543. repro 19
  544.                 │ y1   y2    y3  │
  545.             ────┼────────────────┼───┬──
  546.             x1  │  4    2     1  │ 1 │
  547.                 │                │   │
  548.             x2  │  2    4     4  │ 1 │
  549.                 │                │   │
  550.             x3  │  5    2     1  │ 1 │
  551.            ─────┼────────────────┼───┼──
  552.                 │  1    1     1  │ 0 │
  553.  
  554. Als Lösung ermittelt unser Programm folgendes Schema:
  555.  
  556. Repro 20
  557.                │   x3      x2      y2  │
  558.             ───┼───────────────────────┼───────┬───
  559.             x1 │ -0.78   -0.06    0.22 │  0.17 │
  560.                │                       │       │
  561.             y3 │ -0.11    0.28    0.89 │  0.17 │
  562.                │                       │       │
  563.             y1 │  0.22   -0.06    0.22 │  0.17 │
  564.             ───┼───────────────────────┼───────┼───
  565.                │ -0.11   -0.22   -0.11 │ -0.33 │
  566.  
  567.  
  568. Der Wert der Zielfunktion ist -1/3 und damit ist ▒=3. Tritt im
  569. Lösungsschema eine Variable xi bzw. yj nicht wie erwartet in
  570. einer Zeile/Spalte auf, so bedeutet dies, daß die jeweilige
  571. Strategie nutzlos ist, das heißt das pi bzw. qj ist 0. Die
  572. gemischten Strategien lauten also:
  573.  
  574.   A* = ▒(x1,x2,x3) = (0,2/3,1/3)
  575.  
  576. sowie
  577.  
  578.   B* = ▒(y1,y2,y3) =(0.5,0,0.5).
  579.  
  580. Als Wert des Skin-Spiels ergibt sich ▒-3 = 0, das heißt, das
  581. Spiel ist tatsächlich fair!
  582.  
  583. Das Fallenlassen des Strategiepaares (A1,B2) bedeutet, daß die
  584. verkleinerte 2x2-Matrix gebildet aus den restlichen Strategien
  585. dieselbe Lösung liefert, wie auch das Programm aus der 1.
  586. Folge bestätigt, das die graphische Lösung liefert.
  587.  
  588.  
  589. Weitreichende Anwendungen
  590.  
  591.  
  592. Möglicherweise haben Sie den Eindruck, daß es sich bei der
  593. Spieltheorie um eine bloße mathematische Spielerei handelt.
  594. Genau das Gegenteil ist jedoch der Fall: Insbesondere auf dem
  595. militärischen Gebiet spielt sie eine erhebliche Rolle, wenn
  596. verschiedene Angriffs- und Verteidigungsstrategien
  597. gegeneinander abgewägt werden müssen. Dementsprechend fallen
  598. auch die bekanntesten und weitreichendsten neuen Entwicklungen
  599. auf diesem Gebiet in die Zeit des zweiten Weltkriegs, nachdem
  600. die Spieltheorie nach ihrer ersten Erwähnung 1926 kaum
  601. beachtet wurde.
  602.  
  603. Ein kleines, aber durchaus nicht triviales Beispiel soll
  604. (trotz seiner Einfachheit) einmal andeuten, wie die
  605. Spieltheorie in der Praxis angewendet werden kann:
  606.  
  607. Neben dem Spiel zweier menschlicher Gegner spielt der
  608. Wettstreit Mensch gegen Natur die zweite große Rolle in der
  609. Anwendung der Spieltheorie. Ist das "Verhalten" der Natur
  610. unbekannt, so muß mit der für den menschlichen Spieler
  611. unangenehmsten "Strategiewahl" der Natur gerechnet werden:
  612.  
  613. "Ein Arzt hat eine Krankheit zu behandeln, die durch zwei
  614. verschiedene, von ihm nicht unterscheidbare Erreger verursacht
  615. wird. Er hat ebenso keinen Anhaltspunkt darüber, wie häufig
  616. der eine bzw. der andere Erreger die Ursache ist.
  617.  
  618. Zur Behandlung stehen ihm zwei verschieden Medikamente zur
  619. Verfügung, wobei die Herstellerfirma ermittelt hat, daß das
  620. erste Medikament einen durchschnittlichen Heilungserfolg von
  621. 60% verspricht, falls der erste Erreger die Krankheit
  622. verursacht hat, ansonsten beträgt die Erfolgsquote 40%. Für
  623. das zweite Medikament lauten diese Werte 30% bzw. 90%. Mit
  624. welchen Häufigkeiten sollte der Arzt nun das erste bzw. das
  625. zweite Medikament anwenden, um einen maximalen Heilungserfolg
  626. zu gewährleisten?" Zur Lösung dieses Problems wird die
  627. folgende x 2 2-Spielmatrix aufgestellt und analysiert:
  628.  
  629. repro 21
  630.  
  631.                      │  E1    E2
  632.                   ───┼────────────
  633.                   M1 │ 60%    40%
  634.                      │
  635.                   M2 │ 30%    90%
  636.  
  637.  
  638. Die mit den bereits vorgestellten Methoden ermittelte Lösung
  639. lautet: Wenn der Arzt in 75% aller Fälle das erste Medikament
  640. anwendet, so beträgt sein durchschnittlicher Heilungserfolg
  641. mindestens 52,5%. Die "optimale Strategie" der Natur, die für
  642. den Arzt unangenehmste Verteilung der Erreger, lautet:
  643. (0.625,0.375).
  644.  
  645. Diese Einführung behandelte vorwiegend die mathematische Seite
  646. der Spieltheorie als notwendige Grundlage. Es gibt jedoch
  647. erstaunlich viele praktische Anwendungen; wer sich für ein
  648. bestimmtes Gebiet interessiert, der sei auf die folgende Li-
  649. teraturauswahl verwiesen. In einem Teil davon werden Probleme
  650. aus einem begrenzten Fachbereich mit Hilfe der Spieltheorie
  651. formalisiert.
  652.  
  653.  
  654. Literatur:
  655.  
  656.  1  Stefan Vajda: "Einführung in die Linearplanung und
  657.     die Theorie der Spiele", R.Oldenbourg 1967
  658.  
  659.  2 Callatz, Wetterling: "Optimierungsaufgaben",
  660.    Springer Verlag 1966
  661.  
  662. 3 Dr. Ernst Herrmann:
  663.  "Spieltheorie und lineares Programmieren", Au-
  664.  lis Verlag Deubner & Co KG Köln 1964
  665.  
  666.  4  Douglas R. Hofstadter: "Metamagicum", Klett-Cotta
  667.     1988
  668.  
  669. 5 Spektrum der Wissenschaft, A.K.Dewdney: "Compu-
  670. ter-Kurzweil", 1/1988, S. 8ff.
  671.  
  672.  6  Max Woitschach: "Strategie des Spiels", Deutsche
  673.     Verlags-Anstalt Stuttgart 1968
  674.  
  675.  7 Rainer Künsken: "Eine Untersuchung über Macht-
  676.  beziehungen mit Hilfe der Spieltheorie", Disser-
  677.  tation an der TU Berlin 1976
  678.