Table Of Contenti i
“Alles” — 2014/5/8 — 11:19 — page i — #1
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Game Theory
Through Examples
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“Alles” — 2014/5/8 — 11:36 — page ii — #2
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c 2014bytheMathematicalAssociationofAmerica,Inc.
(cid:13)
ElectroniceditionISBN978-1-61444-115-1
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Game Theory
Through Examples
Erich Prisner
Franklin University Switzerland
PublishedandDistributedby
TheMathematicalAssociationofAmerica
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CouncilonPublicationsandCommunications
FrankFarris,Chair
CommitteeonBooks
FernandoGouveˆa,Chair
ClassroomResourceMaterialsEditorialBoard
SusanGStaples,Editor
MichaelBardzell
JenniferBergner
CarenLDiefenderfer
ChristopherHallstrom
CynthiaJHuffman
PaulRKlingsberg
BrianLins
MaryMorley
PhilipPMummert
BarbaraEReynolds
DarrylYong
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CLASSROOMRESOURCEMATERIALS
Classroom Resource Materials is intended to provide supplementary classroom material for students—
laboratoryexercises,projects,historicalinformation,textbookswithunusualapproachesforpresentingmath-
ematicalideas,careerinformation,etc.
101CareersinMathematics,3rdeditioneditedbyAndrewSterrett
Archimedes: WhatDidHeDoBesidesCryEureka?,ShermanStein
Calculus: An Active Approach withProjects, Stephen Hilbert, Diane DriscollSchwartz, Stan Seltzer, John
Maceli,andEricRobinson
CalculusMysteriesandThrillers,R.GrantWoods
ConjectureandProof,Miklo´sLaczkovich
CounterexamplesinCalculus,SergiyKlymchuk
CreativeMathematics,H.S.Wall
EnvironmentalMathematicsintheClassroom,editedbyB.A.FusaroandP.C.Kenschaft
ExcursionsinClassicalAnalysis: PathwaystoAdvancedProblemSolvingandUndergraduateResearch, by
HongweiChen
ExplorationsinComplexAnalysis,MichaelA.Brilleslyper,MichaelJ.Dorff,Jane M.McDougall,James S.
Rolf,LisbethE.Schaubroeck,RichardL.Stankewitz,andKennethStephenson
ExploratoryExamplesforRealAnalysis,JoanneE.SnowandKirkE.Weller
ExploringAdvancedEuclideanGeometrywithGeoGebra,GerardA.Venema
GameTheoryThroughExamples,ErichPrisner
GeometryFromAfrica: MathematicalandEducationalExplorations,PaulusGerdes
HistoricalModulesfor the Teaching andLearning of Mathematics(CD), edited by VictorKatz and Karen
DeeMichalowicz
IdentificationNumbersandCheckDigitSchemes,JosephKirtland
InterdisciplinaryLivelyApplicationProjects,editedbyChrisArney
InverseProblems: ActivitiesforUndergraduates,CharlesW.Groetsch
KeepingitR.E.A.L.: ResearchExperiences forAllLearners,CarlaD.MartinandAnthonyTongen
LaboratoryExperiencesinGroupTheory,EllenMaycockParker
LearnfromtheMasters,FrankSwetz,JohnFauvel,OttoBekken,BengtJohansson,andVictorKatz
MathMadeVisual:CreatingImagesforUnderstandingMathematics,ClaudiAlsinaandRogerB.Nelsen
MathematicsGalore!: TheFirstFiveYearsoftheSt. MarksInstituteofMathematics,JamesTanton
MethodsforEuclideanGeometry,OwenByer,FelixLazebnik,andDeirdreL.Smeltzer
OrdinaryDifferentialEquations:ABriefEclecticTour,DavidA.Sa´nchez
OvalTrackandOtherPermutationPuzzles,JohnO.Kiltinen
ParadoxesandSophismsinCalculus,SergiyKlymchukandSusanStaples
APrimerofAbstractMathematics,RobertB.Ash
ProofsWithoutWords,RogerB.Nelsen
ProofsWithoutWordsII,RogerB.Nelsen
RediscoveringMathematics:YouDotheMath,ShaiSimonson
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SheDoesMath!,editedbyMarlaParker
SolveThis:MathActivitiesforStudentsandClubs,JamesS.Tanton
Student Manual for Mathematics for Business Decisions Part 1: Probability and Simulation, David
Williamson,MarilouMendel,JulieTarr,andDeborahYoklic
Student Manual for Mathematics for Business Decisions Part 2: Calculus and Optimization, David
Williamson,MarilouMendel,JulieTarr,andDeborahYoklic
TeachingStatisticsUsingBaseball,JimAlbert
VisualGroupTheory,NathanC.Carter
WhichNumbersareReal?,MichaelHenle
WritingProjects for Mathematics Courses: Crushed Clowns, Cars, and Coffee to Go, Annalisa Crannell,
GavinLaRose,ThomasRatliff,andElynRykken
MAAServiceCenter
P.O.Box91112
Washington,DC20090-1112
1-800-331-1MAA FAX:1-301-206-9789
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Contents
Preface xvi
1 Theory1: Introduction 1
1.1 What’saGame? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Game,Play,Move: SomeDefinitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 ClassificationofGames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Theory2: SimultaneousGames 4
2.1 NormalForm—BimatrixDescription. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.1 TwoPlayers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.2 TwoPlayers,Zero-sum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.3 ThreeorMorePlayers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.4 SymmetricGames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 WhichOptiontoChoose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.1 MaximinMoveandSecurityLevel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.2 DominatedMoves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.3 BestResponse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.4 NashEquilibria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 AdditionalTopics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.1 BestResponseDigraphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.2 2-PlayerZero-sumSymmetricGames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Project1:Reactingfastorslow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3 Example:SelectingaClass 19
3.1 ThreePlayers,TwoClasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.1 “Ilikeyouboth” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.2 DislikingtheRival . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.3 Outsider. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 LargerCases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3 Assumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Project2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Project3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Project4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
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viii Contents
4 Example:DoctorLocationGames 25
4.1 DoctorLocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.1.1 AnExampleGraph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.1.2 No(Pure)NashEquilibrium? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.1.3 HowGoodaretheNashEquilibriaforthePublic? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.2 Trees. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.3 MorethanoneOffice(optional) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Project5:DoctorlocationonMOPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Project6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Project7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5 Example:RestaurantLocationGames 34
5.1 AFirstGraph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2 ASecondGraph. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.3 ExistenceofPureNashEquilibria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.4 MorethanoneRestaurant(optional) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
6 UsingExcel 42
6.1 SpreadsheetProgramslikeExcel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
6.2 Two-PersonSimultaneousGames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
6.3 Three-PersonSimultaneousGames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Project8:SimultaneousQuatro-Uno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Project9:RestaurantLocationGames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Project10:5Knights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Project11:5Cardinals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
7 Example:ElectionI 47
7.1 FirstExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
7.2 SecondExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
7.3 TheGeneralModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
7.4 ThirdExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
7.5 TheEightCases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7.6 VotingPowerIndices(optional) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
8 Theory3: SequentialGamesI:PerfectInformationandnoRandomness 53
8.1 ExtensiveForm: GameTreeandGameDigraph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
8.2 AnalyzingtheGame: BackwardInduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
8.2.1 FiniteGames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
8.2.2 TheProcedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
8.2.3 Zermelo’sTheorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
8.3 AdditionalTopics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
8.3.1 RealityCheck. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
8.3.2 PlayingitSafe—GuaranteedPayoffs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
8.3.3 Two-personZero-sumGames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
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Contents ix
8.3.4 BreakingTies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
8.3.5 ExistingGames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
8.3.6 GreedyStrategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Project12:TAKESOME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Project13:WHO’sNEXT(n) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Project14:LISA’sGAME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Project15:2-AUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Project16:3-AUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
9 Example:DividingAFewItemsI 70
9.1 GreedyStrategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
9.2 BackwardInduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
9.2.1 GameTree . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
9.2.2 GameDigraph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
9.2.3 Example: GameDigraphforABBAB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
9.3 AnAbbreviatedAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
9.3.1 WhyitMatters:Complexity(optional) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
9.4 Bottom-UpAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
9.5 InterdependenciesbetweentheItems(optional) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
10 Example:ShubikAuctionI 77
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Project17:SHUBIKAUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
11 Example:SequentialDoctorandRestaurantLocation 80
11.1 GeneralObservationsforSymmetricGames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
11.2 DoctorLocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
11.3 Constant-SumGames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
11.4 RestaurantLocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
11.5 NashEquilibriaandFirstMoverAdvantageforSymmetricGames . . . . . . . . . . . . . . . 84
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Project18 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Project19:HostileversusFriendlyPlay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
12 Theory4: Probability 86
12.1 Terminology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
12.2 ComputingProbabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
12.2.1 EquallyLikelySimpleEvents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
12.2.2 SimpleEventsnotEquallyLikely . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
12.3 ExpectedValue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
12.4 MultistepExperiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
12.4.1 ProbabilityTrees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
12.4.2 ConditionalProbabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
12.4.3 ProbabilityDigraphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
12.5 RandomnessinSimultaneousGames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
12.6 CountingwithoutCounting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
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Description:Game Theory Through Examples is a thorough introduction to elementary game theory, covering finite games with complete information. The core philosophy underlying this volume is that abstract concepts are best learned when encountered first (and repeatedly) in concrete settings. Thus, the essential