Рис. 14.4. Дерево решений для задачи инвестирования Исходя из схемы рис. 14.4 получаем ожидаемую прибыль за год для каждой из двух альтернатив.

Для акций компании А: 5000 0,6 + ( 2000) 0,4 = 2 200 (долл.).

Для акций компании B: 1500 0,6 + 500 0,4 = 1 100 (долл.).

Вашим решением, основанным на этих вычислениях, является покупка акций компании А.

В теории принятия решений повышение и понижение котировок на бирже име нуются состояниями природы, возможные реализации которых являются случай ными событиями (в данном случае с вероятностями 0,6 и 0,4). В общем случае за дача принятия решений может включать n состояний природы и m альтернатив.

Если pj вероятность j го состояния природы, а aij платеж, связанный с приня тием решения i при состоянии природы j (i = 1, 2,..., m, j = 1, 2,..., n), тогда ожи даемый платеж для решения i вычисляется в виде где по определению p1 + p2 +... + pn = 1.

Наилучшим решением будет то, которое соответствует MVi* = max i {MVi } или MVi* = min i {MVi }, в зависимости от того, является ли платеж в задаче доходом (прибылью) или убытком (затратами).

УПРАЖНЕНИЯ 14.2. 1. Вас пригласили на телевизионную игру Колесо фортуны. Колесо управляет ся электронным образом с помощью двух кнопок, которые сообщают колесу сильное (В) или слабое (Н) вращение. Само колесо разделено на равные об ласти белую (Б) и красную (К). Вам сообщили, что в белой области колесо останавливается с вероятностью 0,3, а в красной 0,7. Плата, которую вы получаете за игру, равна (в долл.) следующему.

Изобразите соответствующее дерево решений.

2. Фермер Мак Кой может выращивать либо кукурузу, либо соевые бобы. Веро ятность того, что цены на будущий урожай этих культур повысятся, останутся на том же уровне или понизятся, равна соответственно 0,25, 0,30 и 0,45. Если цены возрастут, урожай кукурузы даст 30 000 долл. чистого дохода, а урожай соевых бобов 10 000 долл. Если цены останутся неизменными, Мак Кой лишь покроет расходы. Но если цены станут ниже, урожай кукурузы и соевых бобов приведет к потерям в 35 000 и 5 000 долл. соответственно.

a) Представьте данную задачу в виде дерева решений.

b) Какую культуру следует выращивать Мак Кою?

3. Допустим, у вас имеется возможность вложить деньги в три инвестиционных фонда открытого типа: простой, специальный (обеспечивающий максималь ную долгосрочную прибыль от акций мелких компаний) и глобальный. При быль от инвестиции может измениться в зависимости от условий рынка. Суще ствует 10% ная вероятность, что ситуация на рынке ценных бумаг ухудшится, 50% ная что рынок останется умеренным и 40% ная рынок будет воз растать. Следующая таблица содержит значения процентов прибыли от суммы инвестиции при трех возможностях развития рынка.

Альтернатива (фонды) Ухудшающийся рынок Умеренный рынок Растущий рынок a) Представьте задачу в виде дерева решений.

b) Какой фонд открытого типа вам следует выбрать?

4. Предположим, у вас имеется возможность вложить деньги либо в 7,5% ные облигации, которые продаются по номинальной цене, либо в специ альный фонд, который выплачивает лишь 1% дивидендов. Если существу ет вероятность инфляции, процентная ставка возрастет до 8%, и в этом случае номинальная стоимость облигаций увеличится на 10%, а цена ак ций фонда на 20%. Если прогнозируется спад, то процентная ставка по низится до 6%. При этих условиях ожидается, что номинальная стоимость облигаций поднимется на 5%, а цена акций фонда увеличится на 20%. Ес ли состояние экономики останется неизменным, цена акций фонда увели чится на 8%, а номинальная стоимость облигаций не изменится. Экономи сты оценивают в 20% шансы наступления инфляции и в 15% наступление спада. Ваше решение относительно инвестиций принимается с учетом экономических условий следующего года.

a) Представьте задачу в виде дерева решений.

b) Будете ли вы покупать акции фонда или облигации?

5. Фирма планирует производство новой продукции быстрого питания в нацио нальном масштабе. Исследовательский отдел убежден в большом успехе новой продукции и хочет внедрить ее немедленно, без рекламной кампании на рынках сбыта фирмы. Отдел маркетинга положение вещей оценивает иначе и предлагает провести интенсивную рекламную кампанию. Такая кампания обойдется в 100 000 долл., а в случае успеха принесет 950 000 долл. годового дохода. В случае провала рекламной кампании (вероятность этого составляет 30%) годовой доход оценивается лишь в 200 000 долл. Если рекламная кампания не проводится вовсе, годовой доход оценивается в 400 000 долл. при условии, что покупателям понра вится новая продукция (вероятность этого равна 0,8), и в 200 000 долл. с вероят ностью 0,2, если покупатели останутся равнодушными к новой продукции.

a) Постройте соответствующее дерево решений.

b) Как должна поступить фирма в связи с производством новой продукции?

6. Симметричная монета подбрасывается три раза. Вы получаете один доллар за каждое выпадение герба (Г) и дополнительно 0,25 доллара за каждые два по следовательных выпадения герба (заметим, что выпадение ГГГ состоит из двух последовательностей ГГ). Однако вам приходится платить 1,1 долл. за каждое выпадение решки (Р). Вашим решением является участие или неучастие в игре.

a) Постройте соответствующее дерево решений для описанной игры.

b) Будете ли вы играть в эту игру?

7. Предположим, у вас имеется возможность сыграть в игру следующего со держания. Симметричная игральная кость бросается два раза, при этом воз можны четыре исхода: 1) выпадает два четных числа, 2) выпадает два нечет ных числа, 3) выпадает сначала четное, затем нечетное число, 4) выпадает сначала нечетное, затем четное число. Вы можете делать одинаковые ставки на два исхода. Например, вы можете поставить на два четных числа (исход 1) и два нечетных (исход 2). Выигрыш на каждый доллар, поставленный на первый исход, равен 2 доллара, на второй и третий исходы 1,95 доллара, на четвертый 1,50 доллара.

a) Постройте дерево решений для описанной игры.

b) На какие исходы следует делать ставки?

c) Можно ли иметь стабильный выигрыш в этой игре?

8. Фирма производит партии продукции с 0,8, 1, 1,2 и 1,4 % бракованных из делий с вероятностями 0,4, 0,3, 0,25 и 0,05 соответственно. Три потребите ля А, В и С заключили контракт на получение партий изделий с процентом некачественных изделий не выше 0,8, 1,2 и 1,4 % соответственно. Фирма штрафуется в сумме 1000 долл. за каждый пункт процента в случае, если процент некачественных изделий выше указанного. Наоборот, поставка пар тий изделий с меньшим процентом бракованных изделий, чем оговорено в контракте, приносит фирме прибыль в 500 долл. за каждый пункт процен та. Предполагается, что партии изделий перед отправкой не проверяются.

a) Постройте соответствующее дерево решений.

b) Какой из потребителей должен иметь наивысший приоритет при получе Пункт процента это одна десятая процента. Прим. ред.

9. Фирма планирует открыть новое предприятие в Арканзасе. В настоящее вре мя имеется возможность построить либо крупное предприятие, либо неболь шое, которое через два года можно будет расширить при условии высокого спроса на выпускаемую им продукцию. Рассматривается задача принятия решений на десятилетний период. Фирма оценивает, что на протяжении этих 10 лет вероятность высокого и низкого спроса на производимую продукцию будет равна 0,75 и 0,25 соответственно. Стоимость немедленного строитель ства крупного предприятия равна 5 млн. долл., а небольшого 1 млн. долл.

Расширение малого предприятия через два года обойдется фирме в 4,2 млн.

долл. Прибыль, получаемая от функционирования производственных мощ ностей на протяжении 10 лет, приводится в следующей таблице.

a) Постройте соответствующее дерево решений, принимая во внимание, что через два года фирма может либо расширить небольшое предприятие, ли b) Сформулируйте стратегию строительства для фирмы на планируемый летний период. (Для простоты не принимайте во внимание возможную 10. Решите предыдущее упражнение, предположив, что ежегодная учетная ставка равна 10 % и что решение принимается с учетом инфляции. (Совет. Для реше ния задачи необходимы таблицы сложных процентных ставок.) 11. Решите упражнение 9, предположив, что спрос может быть высоким, сред ним и низким с вероятностями 0,7, 0,2 и 0,1 соответственно. Расширение не большого предприятия будет проведено лишь в том случае, если на протяже нии первых двух лет спрос будет высоким. Следующая таблица содержит данные о прибылях за год.

12. Электроэнергетическая компания использует парк из 20 грузовых автомоби лей для обслуживания электрической сети. Компания планирует периодиче ский профилактический ремонт автомобилей. Вероятность поломки автомоби ля в первый месяц равна нулю, во второй месяц 0,03 и увеличивается на 0,01 для каждого последующего месяца, по десятый включительно. Начиная с одиннадцатого месяца и далее, вероятность поломки сохраняется постоянной на уровне 0,13. Случайная поломка одного грузового автомобиля обходится компании в 200 долл., а планируемый профилактический ремонт в 75 долл.

Компания хочет определить оптимальный период (в месяцах) между плани руемыми профилактическими ремонтами.

a) Постройте соответствующее дерево решений.

b) Определите оптимальную длину цикла для профилактического ремонта.

13. Ежедневный спрос на булочки в продовольственном магазине задается сле дующим распределением вероятностей.

Магазин покупает булочку по 55 центов, а продает по 1,20 долл. Если булоч ка не продана в тот же день, то к концу дня она может быть реализована за центов. Величина запаса булочек может принимать одно из возможных зна чений спроса, которые перечислены выше.

a) Постройте соответствующее дерево решений.

b) Сколько булочек необходимо заказывать ежедневно?

14. Пусть в предыдущем упражнении временной интервал, для которого необхо димо решить задачу принятия решений, составляет два дня. Альтернативы для второго дня зависят от объема реализации булочек в первый день. Если реали зован в точности весь запас первого дня, магазин закажет такое же количество булочек и на второй день. Если потребность в булочках в первый день пре вышает имеющийся запас, то для второго дня магазин может заказать любой из объемов спроса на булочки, который превышает запас первого дня. И на конец, если в первый день реализовано меньше булочек, чем было закупле но, то для второго дня магазин может заказать любой из объемов спроса на булочки, который меньше запаса первого дня. Постройте соответствующее дерево решений и определите оптимальную стратегию заказа.

15. Автомат производит тысяч единиц некоего продукта ежедневно. Если увеличивается, доля брака p, будучи случайной величиной, возрастает в со ответствии со следующей функцией плотности вероятности:

Каждое бракованное изделие приносит убыток в 50 долл., а качественное из a) Постройте дерево решений для этой задачи.

b) Определите значение, при котором ожидаемая прибыль принимает мак симальное значение.

16. Наружный диаметр d цилиндра, производимого автоматом, имеет верхнее и нижнее допустимые значения d + tU и d tL соответственно. Производственный процесс настроен так, что величина диаметра является нормально распределен ной случайной величиной с математическим ожиданием µ и стандартным откло нением. Каждый цилиндр со значением диаметра, превышающим верхнее до пустимое значение, доводится до нужных размеров за c1 долл. Цилиндр, диаметр которого меньше установленной нижней нормы, реализуется с убытком c2 долл.

Определите оптимальное значение настройки для автомата.

17. Критерий предельного уровня. Фирма для технических целей использует в одном из своих производственных процессов химические препараты (химикалии). Срок годности этих препаратов составляет один месяц, после чего оставшаяся их часть уничтожается. Объем используемых фирмой хи мических препаратов (в галлонах) является случайной величиной, изме няющейся в соответствии со следующим распределением.

Химикалии поступают в производство в начале каждого месяца. Фирма плани рует определить количество химических препаратов, удовлетворяющих двум кон фликтующим критериям (или предельным уровням): среднее число оставшихся химикалий не должно превышать 20 галлонов в месяц, и среднее количество не достающих химикалий не должно превышает 40 галлонов в месяц.

14.2.2. Другие критерии ожидаемого значения В этом разделе рассматриваются две модификации критерия ожидаемого значе ния. Первая состоит в определении апостериорных вероятностей на основе экспе римента над исследуемой системой, вторая в определении полезности реальной стоимости денег.

Апостериорные вероятности Байеса. Распределения вероятностей, которые ис пользуются при формулировке критерия ожидаемого значения, получаются, как правило, из накопленной ранее информации (см. раздел 12.5). В некоторых случаях оказывается возможным пересчитать эти вероятности с помощью текущей и/или по лученной ранее информации, которая обычно основывается на исследовании выбо рочных (или экспериментальных) данных. Получаемые при этом вероятности назы вают апостериорными (или байесовскими), в отличие от априорных, полученных из исходной информации. Следующий пример показывает, как рассмотренный в разде ле 14.2.1 критерий ожидаемого значения можно модифицировать так, чтобы вос пользоваться новой информацией, содержащейся в апостериорных вероятностях.

Пример 14.2. В примере 14.3.1 априорные вероятности 0,6 и 0,4 повышения и понижения котировок акций на бирже были определены из наличных публикаций финансового характера.

Предположим, вместо того, чтобы полностью полагаться на эти публикации, вы реши ли провести личное исследование путем консультаций с другом, который хорошо раз бирается в вопросах, касающихся фондовой биржи. Друг высказывает общее мнение ‘‘за’’ или ‘‘против’’ инвестиций. Это мнение в дальнейшем определяется количественно следующим образом. При повышении котировок его мнение с 90% ной вероятностью будет ‘‘за’’, при снижении котировок вероятность его мнения ‘‘за’’ уменьшится до 50 %. Каким образом можно извлечь пользу из этой дополнительной информации?

Мнение друга фактически представляет условные вероятности ‘‘за против’’ при заданных состояниях природы в виде повышения и понижения котировок. Введем следующие обозначения:

v1 мнение ‘‘за’’, v2 мнение ‘‘против’’, m1 повышение котировок, m2 понижение котировок.

Мнение друга можно записать в виде вероятностных соотношений следующим образом.

С помощью этой дополнительной информации задачу выбора решения можно сформулировать следующим образом.

1. Если мнение друга ‘‘за’’, акции какой компании следует покупать 2. Если мнение друга ‘‘против’’, то, опять таки, акции какой компании следует покупать Рассматриваемую задачу можно представить в виде дерева решений, показанного на рис. 14.5. Узлу 1 здесь соответствует случайное событие (мнение друга) с соот ветствующими вероятностями ‘‘за’’ и ‘‘против’’. Узлы 2 и 3 представляют выбор между компаниями А и В при известном мнении друга ‘‘за’’ или ‘‘против’’ соответ ственно. Узлы 4 7 соответствуют случайным событиям, связанным с повышением и понижением котировок.

Рис. 14.5. Дерево решений с апостериорными вероятностями Для оценки различных альтернатив, показанных на рис. 14.5, необходимо вычис лить апостериорные вероятности Р{mi | vj}, указанные на соответствующих ветвях, выходящих из узлов 4 7. Эти апостериорные вероятности вычисляются с учетом дополнительной информации, содержащейся в рекомендациях друга, с помощью следующих действий.

Условные вероятности Р{vj | mi} для данной задачи запишем сле Шаг 2. Вычисляем вероятности совместного появления событий.

При заданных априорных вероятностях Р{m1} = 0,6 и Р{m2} = 0,4 ве роятности совместного появления событий определяются умноже нием первой и второй строк таблицы, полученной на шаге 1, на 0, и 0,4 соответственно. В результате имеем следующее.

Шаг 3. Вычисляем абсолютные вероятности.

Эти вероятности получаются путем суммирования элементов соот ветствующих столбцов таблицы, полученной на шаге 2. В итоге Шаг 4. Определяем искомые апостериорные вероятности по формуле Эти вероятности вычисляются в результате деления каждого столбца таблицы, полученной на шаге 2, на элемент соответствующего столб ца таблицы, вычисленной на шаге 3, что приводит к следующим ре зультатам (округленным до трех десятичных знаков).

Это те вероятности, которые показаны на рис. 14.5. Они отличаются от исходных априорных вероятностей Р{m1} = 0,6 и Р{m2} = 0,4.

Теперь можно оценить альтернативные решения, основанные на ожидаемых пла тежах для узлов 4 7.

Мнение ‘‘за’’ Доход от акций компании А в узле 4 = 5000 0,730 + ( 2000) 0,270 = 3110 (долл.).

Доход от акций компании B в узле 5 = 1500 0,730 + 500 0,270 = 1230 (долл.).

Решение. Инвестировать в акции компании А.

Мнение ‘‘против’’ Доход от акций компании А в узле 6 = 5000 0,231 + ( 2000) 0,769 = 383 (долл.).

Доход от акций компании B в узле 7 = 1500 0,231 + 500 0,769 = 731 (долл.).

Решение. Инвестировать в акции компании B.

Заметим, что предыдущие решения эквивалентны утверждению, что ожидаемые платы в узлах 2 и 3 равны 3110 и 731 долл. соответственно (рис. 14.5). Следова тельно, при известных вероятностях Р{v1} = 0,74 и Р{v2} = 0,26, вычисленных на шаге 3, можно определить ожидаемую плату для всего дерева решений (упражнение 14.2.2.3).

Вычисление в Excel апостериорных вероятностей. Шаблон Excel ch14Bayes Posterior.xls вычисляет апостериорные вероятности для заданных матриц условных вероятностей, которые не должны превышать размер 1010. Для вычислений необ ходимо задать вероятности Р{m} и Р{v | m}. Excel проверит входные данные на нали чие ошибок и при их обнаружении выведет соответствующее сообщение. На рис. 14. показано применение шаблона для решения задачи примера 14.2.2.

УПРАЖНЕНИЯ 14.2. 1. Несмотря на сезон дождей, Джим Боб планирует завтра идти на рыбалку, но только если не будет дождя. Из данных о погоде прошлых лет следует, что имеет ся 70% ная вероятность, что в сезон дождей будет идти дождь. В шесть часов ве чера синоптики предсказали с 85% ной вероятностью, что завтра будет дождь.

Следует ли Джиму Бобу планировать рыбалку на завтра?

2. Фирма ‘‘Электра’’ получает 75 % электронных деталей от поставщика А и 25 % поставщика В. Доля брака в продукции поставщиков А и В составля ет 1 и 2 % соответственно. При проверке пяти деталей из полученной партии обнаружена лишь одна дефектная. Определите вероятность того, что партия получена от поставщика А. Проведите аналогичные вычисления относительно поставщика В. (Подсказка. Вероятность появления бракованной детали в пар тии подчиняется биномиальному закону распределения.) 3. Предположим, что в задаче из примера 14.2.2 есть дополнительный выбор, связанный с инвестированием 10 000 долл. в надежный депозит, который приносит 8 % прибыли. Совет вашего друга по прежнему относится к инве стированию через биржу.

a) Постройте соответствующее дерево решений.

b) Какое оптимальное решение в этом случае? (Совет. Используйте вероят ности Р{v1} и Р{v2}, полученные на шаге 3 в примере 14.2.2, для вычисле ния ожидаемой суммы инвестирования через биржу.) 4. Допустим, вы являетесь автором романа, который обещает быть популяр ным. Вы можете либо самостоятельно напечатать роман, либо сдать его в из дательство. Издательство предлагает вам 20 000 долл. за подписание кон тракта. Если роман будет пользоваться спросом, будет продано экземпляров, в противном случае лишь 10 000 экземпляров. Издательство выплачивает авторский гонорар в сумме один доллар за экземпляр. Исследо вание рынка, проведенное издательством, свидетельствует о том, что сущест вует 70% ная вероятность, что роман будет популярным. Если же вы сами напечатаете роман, то понесете потери в сумме 90 000 долл., связанные с пе чатанием и маркетингом, но в этом случае каждый проданный экземпляр принесет вам прибыль в два доллара.

a) Принимая во внимание имеющуюся информацию, вы примете предложе ние издательства или будете печатать роман самостоятельно?

b) Предположим, что вы заключили договор с литературным агентом на ис следование, связанное с потенциальным успехом романа. Исходя из преды дущего опыта, компания извещает вас, что если роман будет пользоваться спросом, то исследование предскажет неверный результат в 20 % случаев.

Если же роман не станет популярным, то исследование предскажет верный результат в 85 % случаев. Как эта информация повлияет на ваше решение?

5. Вернитесь к проблеме выбора решения фермером Мак Коем из упражне ния 14.2.1.2. Фермер имеет дополнительный выбор, связанный с использо ванием земли как пастбища, что гарантированно принесет ему прибыль в 7500 долл. Фермер получил также дополнительную информацию от броке ра, касающуюся степени стабильности будущих цен на продукцию. Оценки брокера ‘‘благоприятный неблагоприятный’’ выражаются количественно в виде следующих условных вероятностей.

В данном случае a1 и a2 оценки брокера ‘‘благоприятный’’ и ‘‘небла гоприятный’’, а s1, s2 и s3 представляют изменение в будущих ценах: соответ ственно ‘‘понижение’’, ‘‘такие же’’, ‘‘повышение’’.

a) Постройте соответствующее дерево решений.

b) Найдите оптимальное решение задачи.

6. Пусть в упражнении 14.2.1.5 дирекция компании решила провести пробную продажу своей продукции в выбранных населенных пунктах. Результатом пробной продажи являются оценки ‘‘хорошо’’ (а1) или ‘‘плохо’’ (а2). Тест дает следующие условные вероятности с проведением рекламной кампании и без нее.

P{ajvi} с рекламной кампанией P{ajvi} без рекламной кампании Здесь v1 и v2 обозначают соответственно ‘‘успех’’ и ‘‘неуспех’’, а w1 и w ‘‘восприимчивый’’ и ‘‘невосприимчивый’’ покупатель.

a) Постройте соответствующее дерево решений.

b) Определите оптимальный план действий фирмы.

7. Статистические данные о работе компании показывают, что с вероятностью 5 % произведенная партия продукции будет неприемлемой (плохой). Плохая партия содержит 15 % дефектных изделий, а хорошая лишь 4 %. Пусть значение переменной а = а1 (= а2) обозначает, что партия изделий является хорошей (плохой). Тогда соответствующие априорные вероятности равны со ответственно Р{а = а1} = 0,95 и Р{а = а2} = 0,05.

Вместо того чтобы отправить партии продукции с характеристиками, осно ванными на априорных вероятностях, из каждой партии проверяются два изделия. Возможны следующие результаты проверки.

a) Определите апостериорные вероятности Р{аisj}, i = 1, 2; j = 1, 2, 3.

b) Предположим, что фирма отправляет партии продукции двум потребите лям А и В. Контракты с ними определяют, что процент бракованных из делий в поставках не должен превышать 5 и 8 % соответственно. Преду сматривается штраф в 100 долл. за превышение на один процент максимально допустимого лимита бракованных изделий. Поставка пар тий лучшего качества, чем указано в контракте, приносит производителю прибыль в 80 долл. за каждый процент уменьшения доли бракованных изделий. Постройте соответствующее дерево решений и определите при оритетную стратегию отправки партий продукции.

Функции полезности. В предыдущих примерах критерий ожидаемого значения применялся лишь в тех ситуациях, где платежи выражались в виде реальных де нег. Зачастую возникают ситуации, когда при анализе следует использовать скорее полезность, чем реальную величину платежей. Для демонстрации этого предпо ложим следующее. Существует шанс 50 на 50, что инвестиция в 20 000 долл. или принесет прибыль в 40 000 долл., или будет полностью потеряна. Соответствующая ожидаемая прибыль равна 40000 0,5 20000 0,5 = 10000 долл. Хотя здесь ожи дается прибыль в виде чистого дохода, разные люди могут по разному интерпрети ровать полученный результат. Инвестор, который идет на риск, может вложить деньги, чтобы с вероятностью 50 % получить прибыль в 40 000 долл. Наоборот, ос торожный инвестор может не выразить желания рисковать потерей 20 000 долл.

С этой точки зрения очевидно, что разные индивидуумы проявляют разное отно шение к риску, т.е. они проявляют разную полезность по отношению к риску.

Определение полезности является субъективным. Оно зависит от нашего отноше ния к риску. В этом разделе мы представляем систематизированную процедуру чи словой оценки отношения к риску лица, принимающего решение. Конечным резуль татом является функция полезности, которая занимает место реальных денег.

В примере, приведенном выше, наилучший платеж равен 40 000 долл., а наи худший 20 000 долл. Мы устанавливаем произвольную (но логически обос нованную) шкалу полезности U, изменяющуюся от 0 до 100, где 0 соответствует полезности 20 000, а 100 40000, т.е. U( 20000) = 0 и U(40000) = 100. Далее определяем полезность в точках между 20000 и 40000 для определения общего вида функции полезности.

Если отношение лица, принимающего решение, беспристрастно к риску, то ре зультирующая функция полезности является прямой линией, соединяющей точки (0, 20000) и (100, 40000). В этом случае как реальные деньги, так и их полезность дают совпадающие решения. В более реальных ситуациях функция полезности мо жет принимать другой вид, отражающий отношение к риску лица, принимающего решение. На рис. 14.7 иллюстрируется вид функции полезности для трех индиви дуумов X, Y и Z. Индивидуум X не расположен к риску (осторожен), так как прояв ляет большую чувствительность к потере, чем к прибыли. Индивидуум Z противо положность в этом отношении индивиду X; он настроен на риск. Это следует из того, что для индивидуума X при изменении в 10 000 долл. вправо и влево от точки, соот ветствующей 0 долларов, увеличение прибыли изменяет полезность на величину ab, которая меньше изменения полезности bc, обусловленной потерями такой же вели чины, т.е. ab < bc. В то же время такие же изменения в ±10000 долл., относящиеся к индивидууму Z, обнаруживают противоположное поведение; здесь de > ef. Далее, ин дивидуум Y является нейтральным к риску, так как упомянутые изменения порож дают одинаковые изменения полезности. В общем случае индивидуум может быть как не расположен к риску, так и настроен на риск, в зависимости от суммы риска.

В этом случае соответствующая кривая полезности будет иметь вид удлиненной буквы S.

Кривые полезности, аналогичные изображенным на рис. 14.7, определены с по мощью количественного показателя, характеризующего отношение к риску лица, принимающего решение, для различных значений уровня реальных денег в пределах установленного интервала. Так в рассмотренном примере установленным интервалом является ( 20000, 40000), соответствующая полезность изменяется в интервале (0, 100). Необходимо определить полезность, соответствующую таким промежуточ ным значениям, как например, 10 000, 0, 10 000, 20 000 или 30 000. Соответствую щая процедура построения функции полезности начинается с того, что организовы вается лотерея для определения суммы реальных денег х, для которой ожидаемое значение полезности будет вычислено по следующей формуле.

U(х) = рU( 20000) + (1 р)U(40000) = 0р + 100(1 р) = Рис. 14.7. Функция полезности для лиц, по разному Для определения значения U(х) просят лицо, принимающее решение, сообщить свое предпочтение между гарантированной наличной суммой х и возможностью сыграть в лотерею, в которой с вероятностью р реализуется проигрыш в сумме 20000 долл. и с вероятностью 1 р имеет место выигрыш в 40000 долл. При этом под предпочтением понимается выбор значения ‘‘нейтральной’’ вероятности р, при котором, с точки зрения лица, принимающего решение, возможности сыграть в ло терею и получить гарантированную сумму х являются одинаково привлекатель ными. Например, если х = 20000 долл., лицо, принимающее решение, может зая вить, что гарантированные 20000 долл. наличными и лотерея одинаково привлекательны при р = 0,8. В этом случае вычисляется полезность для х = по следующей формуле.

Эта процедура продолжается до тех пор, пока не будет получено достаточное ко личество точек (х, U(х)) для определения формы функции полезности. Затем мож но определить искомую функцию полезности путем регрессионного анализа или просто линейной интерполяции между полученными точками.

Хотя здесь применяется количественная процедура для определения функции по лезности, сам подход далек от того, чтобы быть научно обоснованным. То, что процеду ра полностью определяется мнением лица, принимающего решение, порождает сомне ния относительно надежности описанного процесса. Процедура, в частности, неявно предполагает, что лицо, принимающее решение, является рационально мыслящим требование, которое не всегда может быть согласовано с вариациями в поведении и настроении, что является типичным для человеческой личности. В этом отношении лицо, принимающее решение, должно придерживаться концепции полезности в ши роком смысле, в соответствии с которой денежные величины не должны быть единст венным решающим фактором в теории принятия решений.

УПРАЖНЕНИЯ 14.2. 1. Допустим, вы студент университета штата Арканзас, и имеете сильное желание присутствовать на следующем баскетбольном матче. Проблема в том, что входной билет стоит 10 долл., а у вас есть лишь 5 долл. Вы можете рискнуть 5 долл. в игре в покер с шансами 50 на 50 удвоить свою сумму или совсем ее проиграть.

a) Будете ли вы, исходя из реальной стоимости денег, искушать судьбу, иг b) Учитывая ваше сильное желание присутствовать на матче, переведите на личные деньги в функцию полезности.

c) Основываясь на функции полезности, которую вы построили, примете ли 2. Семья переехала в местность, где возможны землетрясения, и собирается по строить дом. Решается вопрос, стоит ли строить дом в соответствии с высо кими стандартами, рассчитанными на сейсмическую зону. Строительство дома в соответствии с такими стандартами обойдется в 850 000 долл., а без их учета в 350 000 долл. В случае землетрясения (его вероятность равна 0,001) восстановление дома, построенного без соответствующих стандартов, обойдется в 900 000 долл. Примените в этой ситуации рассмотренную выше процедуру использования лотереи, предполагая, что шкала полезности из меняется от 0 до 100.

3. Инвестиция в 10 000 долл. в предприятие с высоким уровнем риска имеет шанс 50 на 50 увеличить эту сумму до 14 000 долл. на протяжении следую щего года либо уменьшить ее до 8 000 долл. Это значит, что чистый доход со ставит либо 4000 долл., либо 2000 долл.

a) Принимая позицию нейтрального к риску инвестора и шкалу полезности от 0 до 100, определите полезность 0 долл. чистого дохода и соответст вующую ‘‘нейтральную’’ вероятность.

b) Пусть два инвестора А и В определили следующие ‘‘нейтральные’’ веро Нарисуйте графики функций полезности для инвесторов А и В и охарак теризуйте их отношение к риску.

c) Пусть инвестор А может вложить деньги в одно из двух рискованных предприятий: I или II. Инвестиция в предприятие I может принести прибыль в сумме 3000 долл. с вероятностью 0,4 или убыток в 1000 долл.

с вероятностью 0,6. Инвестиция в предприятие II может принести при быль в 2000 долл. с вероятностью 0,6 или вовсе не принести прибыли с ве роятностью 0,4. Используя функцию полезности инвестора А, построен ную в предыдущем пункте, и критерий ожидаемой полезности, определите предприятие, которое следует выбрать инвестору А. Каково ожидаемое денежное значение, соответствующее выбранному предпри ятию (используйте линейную интерполяцию функции полезности)?

d) Повторите упражнение предыдущего пункта для инвестора В.

14.3. ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЙ В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ

Элемент ai представляет i е возможное решение, а элемент sj j е состояние природы.

Плата (или доход), связанная с решением ai и состоянием sj, равна v(ai, sj).

Отличие между принятием решений в условиях риска и неопределенности со стоит в том, что в условиях неопределенности вероятностное распределение, соот ветствующее состояниям sj, j = 1, 2,..., n, либо неизвестно, либо не может быть оп ределено. Этот недостаток информации обусловил развитие следующих критериев для анализа ситуации, связанной с принятием решений.

2. Минимаксный критерий.

Эти критерии отличаются по степени консерватизма, который проявляет индиви дуум, принимающий решение, перед лицом неопределенности.

Критерий Лапласа опирается на принцип недостаточного основания, который гласит, что, поскольку распределение вероятностей состояний Р(sj) неизвестно, нет причин считать их различными. Следовательно, используется оптимистическое предположение, что вероятности всех состояний природы равны между собой, т.е.

P{s1} = P{s2} =... = P{sn} = 1/n. Если при этом v(ai, sj) представляет получаемую при быль, то наилучшим решением является то, которое обеспечивает Этот принцип впервые сформулирован Я. Бернулли. Прим. перев.

Если величина v(ai, sj) представляет расходы лица, принимающего решение, то оператор ‘‘max’’ заменяется на ‘‘min’’.

Максиминный (минимаксный) критерий основан на консервативном осторож ном поведении лица, принимающего решение, и сводится к выбору наилучшей альтернативы из наихудших. Если величина v(ai, sj) представляет получаемую при быль, то в соответствии с максиминным критерием в качестве оптимального выби рается решение, обеспечивающее Если величина v(ai, sj) представляет потери, используется минимаксный критерий, который определяется следующим соотношением.

Критерий Сэвиджа стремится смягчить консерватизм минимаксного (максиминного) критерия путем замены матрицы платежей (выигрышей или проигрышей) v(ai, sj) мат рицей потерь r(ai, sj), которая определяется следующим образом.

Чтобы показать, как критерий Сэвиджа ‘‘смягчает’’ минимаксный (максиминный) критерий, рассмотрим следующую матрицу платежей v(ai, sj):

Применение минимаксного критерия приводит к тому, что решение а2 с фикси рованными потерями в 10000 долл. является предпочтительным. Однако можно вы брать и а1, так как в этом случае существует возможность потерять лишь 90 долл., ес ли реализуется состояние s2, при потенциальном выигрыше 11 000 долл.

Посмотрим, какой результат получится, если в минимаксном критерии вместо матрицы платежей v(ai, sj) использовать матрицу потерь r(ai,sj).

Как видим, минимаксный критерий, применяемый к матрице потерь, приводит к выбору решения а1 в качестве предпочтительного.

Рассмотрим теперь критерий Гурвица. Этот критерий охватывает ряд различных подходов к принятию решений от наиболее оптимистичного до наиболее пессими стичного (консервативного). Пусть 0 1 и величины v(ai, sj) представляют доходы.

Тогда решению, выбранному по критерию Гурвица, соответствует Параметр показатель оптимизма. Если = 0, критерий Гурвица становится кон сервативным, так как его применение эквивалентно применению обычного мини максного критерия. Если = 1, критерий Гурвица становится слишком оптимистич ным, ибо рассчитывает на наилучшие из наилучших условий. Мы можем конкретизировать степень оптимизма (или пессимизма) надлежащим выбором вели чины из интервала [0, 1]. При отсутствии ярко выраженной склонности к оптимиз му или пессимизму выбор = 0,5 представляется наиболее разумным.

Если величины v(ai, sj) представляют потери, то критерий принимает следую щий вид:

Пример 14.3. Национальная школа выживания подбирает место для строительства летнего лагеря в центре Аляски в целях тренировки людей на выживание в условиях дикой приро ды. Школа считает, что число участников сбора может быть 200, 250, 300 или человек. Стоимость летнего лагеря будет минимальной, поскольку он строится для удовлетворения только определенных небольших потребностей. Отклонения в сторо ну уменьшения или увеличения относительно идеальных уровней потребностей вле кут за собой дополнительные затраты, обусловленные строительством избыточных (неиспользуемых) мощностей или потерей возможности получить прибыль в случае, когда некоторые потребности не удовлетворяются. Пусть переменные а1 а4 представ ляют возможные размеры лагеря (на 200, 250, 300 или 350 человек), а переменные s1 s4 соответствующее число участников сбора. Следующая таблица содержит мат рицу стоимостей (в тысячах долларов), относящуюся к описанной ситуации.

Описанная ситуация анализируется с точки зрения четырех рассмотренных выше критериев.

Критерий Лапласа. При заданных вероятностях P{sj} = 1/4, j = 1, 2, 3, 4, ожидае мые значения затрат для различных возможных решений вычисляются следую щим образом.

M{a1} = (1/4)(5 + 10 + 18 + 25) = 14 500, M{a2} = (1/4)(8 + 7 + 12 + 23) = 12 500 Оптимум, M{a3} = (1/4)(21 + 18 + 12 + 21) = 18 000, M{a4} = (1/4)(30 + 22 + 19 + 15) = 21 500.

Минимаксный критерий. Этот критерий использует исходную матрицу стоимостей.

Критерий Сэвиджа. Матрица потерь определяется посредством вычитания чисел 5, 7, 12 и 15 из элементов столбцов от первого до четвертого соответственно. Следова тельно, Критерий Гурвица. Результаты вычислений содержатся в следующей таблице.

Альтернатива Минимум строк Максимум строк Используя подходящее значение для, можно определить оптимальную альтерна тиву. Например, при = 0,5 оптимальными являются либо альтернатива а1, либо а2, тогда как при = 0,25 оптимальным является решение а3.

Реализация в Excel критериев принятия решений в условиях неопределенности.

Шаблон Excel ch14UncertainlyDecision.xls можно использовать для вычисления всех критериев, описанных выше. Основой вычислений служит матрица затрат (диапазон В9:К19). Если надо использовать матрицу выигрышей, то все элементы этой матрицы надо умножить на 1. Максимальный размер матриц 1010. На рис. 14.8 показано применение этого шаблона к данным примера 14.3.1.

УПРАЖНЕНИЯ 14. 1. Хенк прилежный студент, который обычно получает хорошие отметки благодаря, в частности, тому, что имеет возможность повторить материал в ночь перед экзаменом. Перед завтрашним экзаменом Хенк столкнулся с не большой проблемой. Его сокурсники организовали на всю ночь вечеринку, в которой он хочет участвовать. Хенк имеет три альтернативы:

половину ночи участвовать в вечеринке, а половину учиться, Рис. 14.8. Решение в Excel примера 14.3. Профессор, принимающий завтрашний экзамен, непредсказуем, и экзамен может быть легким (s1), средним (s2) или трудным (s3). В зависимости от сложности экзамена и времени, затраченного Хенком на повторение, можно ожидать следующие экзаменационные баллы.

a) Порекомендуйте Хенку, какой выбор он должен сделать (основываясь на каждом из четырех критериев принятия решений в условиях неопреде b) Предположим, что Хенк более заинтересован в оценке (в буквенном вы ражении), которую он получит на экзамене. Буквенным оценкам от А до D, означающим сдачу экзамена, соответствует 90, 80, 70 и 60 баллов.

Иначе при числе баллов ниже 60 студент получает оценку F, которая сви детельствует о том, что экзамен не сдан. Изменит ли такое отношение 2. В приближении посевного сезона фермер Мак Кой имеет четыре альтернативы:

Платежи, связанные с указанными возможностями, зависят от количества осадков, которые условно можно разделить на четыре категории:

Платежная матрица (в тыс. долл.) оценивается следующим образом.

3. Один из N станков должен быть выбран для изготовления Q единиц опреде ленной продукции. Минимальная и максимальная потребность в продукции равна Q и Q соответственно. Производственные затраты TCi на изготовле ние Q единиц продукции на станке i включают фиксированные затраты Ki и удельные затраты ci на производство единицы продукции и выражаются a) Решите задачу с помощью каждого из четырех критериев принятия ре шений в условиях неопределенности.

b) Решите задачу при следующих данных, предполагая, что 1000 Q 4000.

14.4. ТЕОРИЯ ИГР В теории игр рассматриваются ситуации, связанные с принятием решений, в кото рых два разумных противника имеют конфликтующие цели. К числу типичных при меров относится рекламирование конкурирующих товаров и планирование военных стратегий противоборствующих армий. Эти ситуации принятия решений отличаются от рассмотренных ранее, где природа не рассматривается в роли недоброжелателя.

В игровом конфликте участвуют два противника, именуемые игроками, каждый из которых имеет некоторое множество (конечное или бесконечное) возможных вы боров, которые называются стратегиями. С каждой парой стратегий связан платеж, который один из игроков выплачивает другому. Такие игры известны как игры двух лиц с нулевой суммой, так как выигрыш одного игрока равен проигрышу другого.

В такой игре достаточно задать результаты в виде платежей для одного из игроков.

При обозначении игроков через А и В с числом стратегий m и n соответственно игру обычно представляют в виде матрицы платежей игроку А:

Такое представление матричной игры означает, что если игрок А использует стратегию i, а игрок В стратегию j, то платеж игроку А составляет aij и, следова тельно, игроку В aij.

14.4.1. Оптимальное решение игры двух лиц с нулевой суммой Поскольку игры берут свое начало в конфликте интересов, оптимальным решени ем игры является одна или несколько таких стратегий для каждого из игроков, при этом любое отклонение от данных стратегий не улучшает плату тому или другому иг року. Эти решения могут быть в виде единственной чистой стратегии или нескольких стратегий, которые являются смешанными в соответствии с заданными вероятно стями. Рассматриваемые ниже примеры демонстрируют перечисленные ситуации.

Пример 14.4. Две компании А и В продают два вида лекарств против гриппа. Компания А реклами рует продукцию на радио (А1), телевидении (А2) и в газетах (А3). Компания В, в допол нение к использованию радио (В1), телевидения (В2) и газет (В3), рассылает также по почте брошюры (В4). В зависимости от умения и интенсивности проведения рек ламной кампании, каждая из компаний может привлечь на свою сторону часть клиентов конкурирующей компании. Приведенная ниже матрица характеризует процент клиентов, привлеченных или потерянных компанией А.

Решение игры основано на обеспечении наилучшего результата из наихудших для каждого игрока. Если компания А выбирает стратегию А1, то, независимо от того, что предпринимает компания В, наихудшим результатом является потеря компанией А 3 % рынка в пользу компании В. Это определяется минимумом элементов первой строки матрицы платежей. Аналогично при выборе стратегии А2 наихудшим исходом для компании А является увеличение рынка на 5 % за счет компании В. Наконец, наи худшим исходом при выборе стратегии А3 является потеря компанией А 9 % рынка в пользу компании В. Эти результаты содержатся в столбце ‘‘Минимумы строк’’. Чтобы достичь наилучшего результата из наихудших, компания А выбирает стратегию А2, так как она соответствует наибольшему элементу столбца ‘‘Минимумы строк’’.

Рассмотрим теперь стратегии компании В. Так как элементы матрицы являются платежами компании А, критерий наилучшего результата из наихудших для компании В соответствует выбору минимаксного значения. В результате приходим к выводу, что выбором компании В является стратегия В2.

Оптимальным решением в игре является выбор стратегий А2 и В2, т.е. обеим компа ниям следует проводить рекламу на телевидении. При этом выигрыш будет в пользу компании А, так как ее рынок увеличится на 5 %. В этом случае говорят, что цена игры равна 5 % и что компании А и В используют стратегии, соответствующие седловой точке.

Решение, соответствующее седловой точке, гарантирует, что ни одной компании нет смысла пытаться выбрать другую стратегию. Действительно, если компания В переходит к другой стратегии (В1, В3 или В4), то компания А может сохранить свой выбор стратегии А2, что приведет к большей потере рынка компанией В (6 или 8 %).

По тем же причинам компании А нет резона использовать другую стратегию, ибо если она применит, например, стратегию А3, то компания В может использовать свою стратегию В3 и увеличить свой рынок на 9 %. Аналогичные выводы имеют ме сто, если компания А будет использовать стратегию А1.

Оптимальное решение игры, соответствующее седловой точке, не обязательно должно характеризоваться чистыми стратегиями. Вместо этого оптимальное реше ние может требовать смешивания случайным образом двух или более стратегий, как это сделано в следующем примере.

Пример 14.4. Два игрока А и В играют в игру, основанную на подбрасывании монеты. Игроки од новременно и независимо друг от друга выбирают герб (Г) или решку (Р). Если ре зультаты двух подбрасываний монеты совпадают (т.е. ГГ или РР), то игрок А полу чает один доллар от игрока В. Иначе игрок А платит один доллар игроку В.

Следующая матрица платежей игроку А показывает величины минимальных эле ментов строк и максимальных элементов столбцов, соответствующих стратегиям обоих игроков.

Максиминная и минимаксная величины (цены) для этой игры равны 1 долл. и долл. соответственно. Так как эти величины не равны между собой, игра не имеет решения в чистых стратегиях. В частности, если игрок А использует стратегию АГ, игрок В выберет стратегию ВР, чтобы получить от игрока А один доллар. Если это случится, игрок А может перейти к стратегии АР, чтобы изменить исход игры и получить один доллар от игрока В. Постоянное искушение каждого игрока пе рейти к другой стратегии указывает на то, что решение в виде чистой стратегии неприемлемо. Вместо этого оба игрока должны использовать надлежащую слу чайную комбинацию своих стратегий. В рассматриваемом примере оптимальное значение цены игры находится где то между максиминной и минимаксной цена ми для этой игры:

максиминная (нижняя) цена цена игры минимаксная (верхняя) цена.

Следовательно, в данном случае цена игры должна лежать в интервале [ 1, 1], из меряемом в долларах.

УПРАЖНЕНИЯ 14.4. 1. Определите решение, определяемое седловой точкой, соответствующие чис тые стратегии и цену игры для следующих игр, в которых платежи заданы 2. В следующих играх заданы платежи игроку А. Укажите область значений для параметров p и q, при которых пара (2, 2) будет седловой точкой 3. Укажите область, которой принадлежит цена игры в каждом из следующих случаев, предполагая, что платежи заданы для игрока А.

4. Две фирмы производят два конкурирующих товара. Каждый товар в на стоящее время контролирует 50 % рынка. Улучшив качество товаров, обе фирмы собираются развернуть рекламные кампании. Если они не будут этого делать, то существующее состояние рынка не изменится. Однако если какая либо фирма будет более активно рекламировать свои товары, то другая фир ма потеряет соответствующий процент своих потребителей. Исследование рынка показывает, что 50 % потенциальных потребителей получают инфор мацию посредством телевидения, 30 % через газеты и 20 % по радио.

a) Сформулируйте задачу в виде игры двух лиц с нулевой суммой и выберите подходящие средства рекламы для каждой фирмы.

b) Укажите интервал значений, которому принадлежит цена игры. Может ли каждая фирма действовать с единственной чистой стратегией?

5. Пусть aij (i, j) й элемент платежной матрицы с m стратегиями игрока А и n стратегиями игрока В. Элементы платежной матрицы представляют собой платежи игроку А. Докажите, что 14.4.2. Решение матричных игр в смешанных стратегиях Решение матричных игр в смешанных стратегиях может быть найдено либо графически, либо методами линейного программирования. Графический метод применим для решения игр, в которых хоть один игрок имеет две чистые страте гии. Этот метод интересен в том плане, что графически объясняет понятие седловой точки. Методами линейного программирования может быть решена любая игра двух лиц с нулевой суммой.

Графическое решение игр. Рассмотрим игру 2 n, в которой игрок А имеет две стратегии.

Игра предполагает, что игрок А смешивает стратегии А1 и А2 с соответствующи ми вероятностями х1 и 1 x1, 0 х1 1. Игрок В смешивает стратегии В1, В2,..., Вn с вероятностями y1, y2,..., yn, где yj 0, j = 1, 2,..., n, и y1 + y2 +... + yn = 1. В этом случае ожидаемый выигрыш игрока А, соответствующий j й чистой стратегии иг рока В, вычисляется в виде Следовательно, игрок А ищет величину х1, которая максимизирует минимум ожи даемых выигрышей Пример 14.4. Рассмотрим следующую игру 24, в которой платежи выплачиваются игроку А.

Игра не имеет решения в чистых стратегиях, и, следовательно, стратегии должны быть смешанными. Ожидаемые выигрыши игрока А, соответствующие чистым стратегиям игрока В, приведены в следующей таблице.

На рис. 14.9 изображены четыре прямые линии, соответствующие чистым страте гиям игрока В. Чтобы определить наилучший результат из наихудших, построена нижняя огибающая четырех указанных прямых (изображенная на рисунке толстыми линейными сегментами), которая представляет минимальный (наихудший) выиг рыш для игрока А независимо от того, что делает игрок В. Максимум (наилучшее) нижней огибающей соответствует максиминному решению в точке x1* = 0,5. Эта точка определяется пересечением прямых 3 и 4. Следовательно, оптимальным решением для игрока А является смешивание стратегий А1 и А2 с вероятностями 0,5 и 0,5 соот ветственно. Соответствующая цена игры v определяется подстановкой х1 = 0, в уравнение либо прямой 3, либо 4, что приводит к следующему.

Рис. 14.9. Графическое решение игры двух лиц с нулевой Оптимальная смешанная стратегия игрока В определяется двумя стратегиями, ко торые формируют нижнюю огибающую графика. Это значит, что игрок В может смешивать стратегии В3 и В4, в этом случае у1 = у2 = 0 и у4 = 1 у3. Следовательно, ожидаемые платежи игрока В, соответствующие чистым стратегиям игрока А, имеют такой вид.

Наилучшее решение из наихудших для игрока В представляет собой точку мини мума верхней огибающей заданных двух прямых (построение прямых и определе ние верхней огибающей будет для вас поучительным). Эта процедура эквивалентна решению уравнения Его решением будет у3 = 7/8, что определяет цену игры v = 4 (7/8) 1 = 5/2.

Таким образом, решением игры для игрока А является смешивание стратегий А и А2 с равными вероятностями 0,5 и 0,5, а для игрока В смешивание стратегий В и В4 с вероятностями 7/8 и 1/8. (В действительности игра имеет альтернативное решение для игрока В, так как максиминная точка на рис. 14.9 определяется более чем двумя прямыми. Любая выпуклая линейная комбинация этих альтернативных решений также является решением задачи.) Для игры, в которой игрок А имеет m стратегий, а игрок В только две, реше ние находится аналогично. Главное отличие состоит в том, что здесь строятся гра фики функций, представляющих ожидаемые платежи второго игрока, соответст вующие чистым стратегиям игрока А. В результате ведется поиск минимаксной точки верхней огибающей построенных прямых.

УПРАЖНЕНИЯ 14.4. 1. Решите графически игру с подбрасыванием монет из примера 14.4.2.

2. Робин часто ездит между двумя городами. При этом есть возможность вы брать один из двух маршрутов: маршрут А представляет собой скоростное шоссе в четыре полосы, маршрут В длинную обдуваемую ветром дорогу.

Патрулирование дорог осуществляется ограниченным числом полицейских.

Если все полицейские расположены на одном маршруте, Робин с ее страст ным желанием ездить очень быстро, несомненно, получит штраф в 100 долл.

за превышение скорости. Если полицейские патрулируют на двух маршру тах в соотношении 50 на 50, то имеется 50 % ная вероятность, что Робин по лучит штраф в 100 долл. на маршруте А и 30 % ная вероятность, что она по лучит такой же штраф на маршруте В. Кроме того, маршрут В длиннее, поэтому бензина расходуется на 15 долл. больше, чем на маршруте А. Опре делите стратегию как для Робин, так и для полиции.

3. Решите графически следующие игры, в которых платежи выплачиваются 4. Дана следующая игра двух лиц с нулевой суммой.

a) Проверьте, что смешанные стратегии с вероятностями (1/6, 0, 5/6) для игрока А и с вероятностями (49/54, 5/54, 0) для игрока В являются опти мальными, и определите цену игры.

b) Покажите, что цена игры равна Решение матричных игр методами линейного программирования. Теория игр находится в тесной связи с линейным программированием, так как любую конеч ную игру двух лиц с нулевой суммой можно представить в виде задачи линейного программирования и наоборот. Дж. Данциг [3] отмечает, что, когда в 1947 году создатель теории игр Дж. фон Нейман впервые ознакомился с симплекс методом, он сразу установил эту взаимосвязь и обратил особое внимание на концепцию двой ственности в линейном программировании. Этот раздел иллюстрирует решение матричных игр методами линейного программирования.

Оптимальные значения вероятностей хi, i = 1, 2,..., m, игрока А могут быть оп ределены путем решения следующей максиминной задачи.

Чтобы сформулировать эту задачу в виде задачи линейного программирования, положим Отсюда вытекает, что Следовательно, задача игрока А может быть записана в виде при ограничениях Отметим последнее условие, что цена игры v может быть как положительной, так и отрицательной.

Оптимальные стратегии y1, y2,..., yn игрока В определяются путем решения задачи Используя процедуру, аналогичную приведенной выше для игрока А, приходим к выводу, что задача для игрока В сводится к следующему.

при ограничениях Две полученные задачи оптимизируют одну и ту же (не ограниченную в знаке) переменную v, которая является ценой игры. Причиной этого служит то, что зада ча игрока В является двойственной к задаче игрока А (вам предлагается доказать это утверждение в упражнении 14.4.3.5, используя определение двойственности из главы 4). Это означает, что оптимальное решение одной из задач автоматически определяет оптимальное решение другой.

Пример 14.4. Решим следующую матричную игру методами линейного программирования.

Значение цены игры v находится между 2 и 2.

Задача линейного программирования для игрока А при ограничениях Оптимальным решением является х1 = 0,39, х2 = 0,31, х3 = 0,29 и v = 0,91.

Задача линейного программирования для игрока В при ограничениях Оптимальным решением является у1 = 0,32, у2 = 0,08, у3 = 0,60 и v = 0,91.

В программе TORA для решения игр двух игроков с нулевой суммой надо выбрать команду Zero-sum Games Solve LP-based (Игры с нулевой суммой Решить Как задачу ЛП). На рис. 14.10 показан результат решения задачи примера 14.4.4 (файл ch14ToraGamesEx14-4-4).

Рис. 14.10. Решение программой TORA игры двух игроков с нулевой суммой из примера 14.4. УПРАЖНЕНИЯ 14.4. 1. На загородном пикнике две команды, по два человека в каждой, играют в прятки. Есть четыре места, где можно спрятаться (А, Б, В и Г), и два члена прячущейся команды могут спрятаться каждый отдельно в любых двух из че тырех мест. Затем другая команда имеет возможность проверить любые два места. Команда, которая ищет, получает премию, если будут обнаружены оба участника прячущейся команды, если же не обнаружен ни один участник, то она выплачивает премию. Иначе игра заканчивается вничью.

a) Сформулируйте задачу в виде игры двух лиц с нулевой суммой.

b) Определите оптимальные стратегии и цену игры.

2. Университетские команды UA и DU определяют свои стратегии игры в на циональном чемпионате по баскетболу для колледжей. Оценивая возможно сти своих ‘‘запасных скамеек’’, каждый тренер разработал по четыре вариан та замены игроков на протяжении игры. Способность каждой команды выполнять двух, трехочковые и штрафные броски является основным фак тором, определяющим результат игры. Приведенная ниже таблица содер жит очки чистого выигрыша команды UA на протяжении одного владения мячом в зависимости от стратегий, планируемых каждой командой.

a) Решите игру методами линейного программирования и определите выиг b) Исходя из имеющейся информации, какая из двух команд может выиг c) Пусть за всю игру имеется 60 возможностей владения мячом (30 владений для каждой команды). Предскажите ожидаемое количество очков, с ко торым будет выиграна игра чемпионата.

3. Армия полковника Блотто сражается с вражеской армией за контроль над двумя стратегически важными позициями. Полковник имеет в своем распо ряжении два полка, а его противник три. Каждый из противников может посылать на любую позицию только целое число полков или совсем не посы лать. Позиция будет захвачена армией, которая атакует большим количест вом полков. Иначе результат сражения является ничейным.

a) Сформулируйте задачу в виде игры двух лиц с нулевой суммой и решите игру методами линейного программирования.

b) Какая армия выиграет сражение?

4. В игре двух лиц, именуемой двухпальцевой игрой Морра, каждый игрок по казывает один или два пальца и одновременно отгадывает число пальцев, ко торые покажет его противник. Игрок, который угадал, выигрывает сумму, равную суммарному числу показанных противниками пальцев. Иначе игра заканчивается вничью. Сформулируйте задачу в виде игры двух лиц с ну левой суммой и решите игру методами линейного программирования.

5. Покажите, что задача, двойственная к задаче линейного программирования для игрока А, является задачей линейного программирования для игрока В, и что следующие два утверждения не противоречат друг другу.

a) Задача линейного программирования для игрока А записана в форме, приведенной в разделе 14.4.2.

b) Задача линейного программирования для игрока А записана в форме, упомя нутой в п. 1, в которой все ограничения вида ‘‘’’ приведены к виду ‘‘’’.

ЛИТЕРАТУРА

2. Clemen R. J. and Reilly T. Making Hard Decisions: An Introduction to Decision Analysis. 2nd ed., Duxbury, Pacific Grove, CA, 1996.

3. Dantzig G. B. Linear Programming and Extension, Princeton University Press, Princeton, N.J., 1963. (Русский перевод: Данциг Дж. Линейное программирова ние, его применения и обобщения.

4. Meyerson R. Game Theory: Analysis of Conflict, Harvard University Press, Cam ridge, Mass., 1991.

5. Saaty T. L. Fundamentals of Decision Making, RWS Publications, Pittsburg, 1994.

Литература, добавленная при переводе 1. Вилкас Э. Й., Майминас Е. З. Решения: теория, информация, моделирование.

М.: Радио и связь, 1981.

2. Карлин С. Математические методы в теории игр, программировании и эконо мике.

3. Ларичев О. И. Наука и искусство принятия решений. М.: Наука, 1979.

4. Мулен Э. Теория игр с примерами из математической экономики. М.: Мир, 1985.

5. Фишберн П. Теория полезности для принятия решений. М.: Наука, 1978.

6. Фон Нейман Дж., Моргенштерн О. Теория игр и экономическое поведение.

М.: Наука, 1970.

КОМПЛЕКСНЫЕ ЗАДАЧИ

1. Модифицировать имеющийся станок, установив на нем автоматическую 2. Купить новый станок с программным управлением (ПУ).

3. Заменить станок обрабатывающим центром (ОЦ).

Три альтернативы оцениваются на основе двух критериев: денежный и функциональный. Следующая таблица содержит необходимые данные.

Руководитель считает, что денежный критерий в полтора раза важнее функционального. Кроме того, производительность в два раза важнее вре мени наладки и в три раза важнее, чем количество получаемых металличе Этот пример взят из работы Weber S. “A Modified Analytic Hierarchy Process for Auto mated Manufacturing Decisions”, Interfaces, Vol.23, No. 4, 1993, pp. 75–84.

ских отходов. Показатель, связанный со временем наладки, считается в че тыре раза важнее показателя, связанного с количеством металлических от ходов. Что же касается денежного критерия, то руководитель считает, что стоимость обслуживания и стоимость обучения персонала одинаково важны, а начальная стоимость в два раза важнее каждого из этих двух показателей.

Проанализируйте описанную ситуацию и дайте соответствующие реко 14.2. Компания использует каталог товаров для продажи, включающий более 200 тыс. наименований, хранящихся на многих региональных складах.

В прошлом компания считала важным иметь точный перечень запасов на каждом складе. Поэтому каждый год проводился переучет интенсивная и неприятная работа, которая неохотно выполнялась всеми складами. Ком пания для проверки качества складских операций в регионе сопровождала каждый переучет ревизией, которая охватывала около 100 наименований на каждом складе. Результаты проверки обнаружили, что в среднем лишь 64 % наименований на каждом складе соответствовали действительной ин вентарной описи, что является неприемлемым. Дабы исправить ситуацию, компания распорядилась чаще проводить переучет дорогих и быстро реали зуемых товаров. Системному аналитику была поставлена задача разрабо тать процедуры для реализации этих планов.

Вместо того чтобы напрямую заняться выполнением задания компании, сис темный аналитик решил установить причину возникшей проблемы. Он пе решел в своем исследовании от формулировки ‘‘Как мы можем увеличить частоту переучетов?’’ к ‘‘Как можно повысить точность переучетов?’’. Изуче ние проблемы под таким углом зрения свелось к следующему анализу. Пред полагая, что доля точно сосчитанных наименований на складе равна р, анали тик затем предположил следующее. Есть основания считать, что существует 95 % ная вероятность того, что если изделие было правильно учтено в первый раз, то будет правильно переучтено и при последующем переучете. Для части 1 р товаров, которая не была точно учтена в первом раунде проверки, доля правильного учета во втором раунде равна 80 %. Используя эту информацию, аналитик с помощью дерева решений построил график безубыточности, кото рый сравнил точность учета в первом и втором раундах проверки. Конечный ре зультат сводился к тому, что склады, на которых уровень точности выше порога безубыточности, не требовали переучета. Удивительным результатом предло женного решения было рьяное усердие со стороны каждого склада сделать пра вильный учет за первый раз, что привело к повышению точности учета на всех Как аналитик убедил руководство в жизнеспособности предложенного по рога безубыточности для повторного переучета?

14.3. В авиакомпаниях рабочие часы устанавливаются в соответствии с договора ми, заключенными с профсоюзными организациями. В частности, макси мальная продолжительность работы может быть ограничена 16 часами для полетов на Боинге 747 (В 747) и 14 часами на Боинге 707 (В 707). Если Этот пример взят из работы Millet I. “A Novena to Saint Anthony, or How to Find Inven tory by Not Looking”, Interfaces, Vol. 24, No. 2, 1994, pp.69–75.

Этот пример взят из работы Gaballa A. “Planning Callout Reserves for Aircraft Delays”, Interfaces, Vol. 9, No. 2, Part 2, 1979, pp.78–86.

эти пределы превышаются в силу неожиданных задержек, экипаж должен быть заменен новым. Авиакомпании содержат резервные экипажи для таких случаев. Средняя годовая стоимость содержания члена резервного экипажа оценивается в 30 000 долл. Задержка полета на одну ночь, обусловленная от сутствием резервного экипажа, может стоить 50 000 долл. Член экипажа на ходится по вызову непрерывно 12 часов в сутки 4 дня в неделю и может не на ходиться по вызову три оставшихся дня недели. Самолет В 747 может обслуживаться двумя экипажами для самолета В 707.

Следующая таблица содержит вероятности вызова резервных экипажей, вычисленные на основании трехлетнего опыта.

Приведенные данные свидетельствуют, например, что для 14 часового рей са вероятность вызова равна 0,014 для В 747 и 0,072 для В 707.

Типичная пиковая часть расписания дня имеет следующий вид.

Существующая политика относительно резервных экипажей состоит в ис пользовании двух экипажей (по семь членов каждый) с 5:00 до 11:00, четы рех с 11:00 до 17:00 и двух с 17:00 до 23:00.

Оцените эффективность существующей политики относительно резервных экипажей. В частности, является ли число резервных экипажей очень большим, очень малым или таким, как необходимо?