From 46095971467a80f292118cd498c1249f2bfe5be8 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: "David A. Madore" Date: Mon, 5 Feb 2018 12:07:45 +0100 Subject: Copy exercises from last year's exam to course notes. --- notes-mitro206.tex | 488 ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++- 1 file changed, 487 insertions(+), 1 deletion(-) diff --git a/notes-mitro206.tex b/notes-mitro206.tex index 4679aef..1fb8099 100644 --- a/notes-mitro206.tex +++ b/notes-mitro206.tex @@ -6505,6 +6505,189 @@ $0$&$\frac{5}{7}$&$\frac{2}{7}$&$0$&$\frac{3}{7}$&$\frac{4}{7}$&$4+\frac{6}{7}$\ et on a prouvé que c'étaient bien les seuls. \end{corrige} + +% +% +% + +\exercice\label{three-player-game-exercise} + +On considère le jeu en forme normale suivant : \emph{trois} joueurs +(Alice, Bob et Charlie, par exemple) choisissent indépendamment les +uns des autres un élément de l'ensemble $\{\mathtt{0},\mathtt{1}\}$ : +\begin{itemize} +\item s'ils ont tous les trois choisi la même option, ils gagnent + tous $0$, +\item si l'un d'entre eux a choisi une option différente des deux + autres, celui qui a choisi cette option gagne $2$ et chacun des deux + autres gagne $-1$. +\end{itemize} + +Il sera utile de remarquer que les joueurs ont des rôles complètement +symétriques, et que les options sont également symétriques. + +(Attention, même si la somme des gains des trois joueurs vaut +toujours $0$, ce n'est pas un « jeu à somme nulle » au sens classique, +car ces derniers ne sont définis que pour \emph{deux} joueurs.) + +\smallbreak + +(1) Écrire le tableau des gains du jeu considéré. (On choisira une +façon raisonnable de présenter un tableau à trois entrées, par exemple +comme plusieurs tableaux à deux entrées mis côte à côte.) + +\begin{corrige} +On fait deux tableaux, l'un pour le cas où Alice joue $\mathtt{0}$, +\begin{center} +\begin{tabular}{r|cc} +$\mathtt{0}$A, $\downarrow$B, C$\rightarrow$&$\mathtt{0}$&$\mathtt{1}$\\\hline +$\mathtt{0}$&$0,0,0$&$-1,-1,+2$\\ +$\mathtt{1}$&$-1,+2,-1$&$+2,-1,-1$\\ +\end{tabular} +\end{center} +et l'autre pour le cas où Alice joue $\mathtt{1}$, +\begin{center} +\begin{tabular}{r|cc} +$\mathtt{1}$A, $\downarrow$B, C$\rightarrow$&$\mathtt{0}$&$\mathtt{1}$\\\hline +$\mathtt{0}$&$+2,-1,-1$&$-1,+2,-1$\\ +$\mathtt{1}$&$-1,-1,+2$&$0,0,0$\\ +\end{tabular} +\end{center} +Chacune des entrées doit bien sûr lister trois nombres, pour les gains +d'Alice, Bob et Charlie respectivement. +\end{corrige} + +\smallbreak + +Si $p \in [0;1]$, on notera simplement $p$ la stratégie mixte d'un +joueur qui consiste à choisir l'option $\mathtt{1}$ avec +probabilité $p$, et l'option $\mathtt{0}$ avec probabilité $1-p$. + +(2) Vérifier que l'espérance de gain d'Alice si elle joue selon la +stratégie mixte $p$ tandis que Bob joue selon la stratégie mixte $q$ +et Charlie selon la stratégie mixte $r$ vaut : $-2pq -2pr +4qr + 2p - +q -r$. (Ici, $p,q,r$ sont trois réels entre $0$ et $1$.) + +\begin{corrige} +Si Alice joue $\mathtt{0}$, son espérance de gain est $-q(1-r) - +(1-q)r + 2qr$ d'après le premier tableau donné en réponse à la +question précédente, soit $4qr - q - r$. Si Alice joue $\mathtt{1}$, +son espérance de gain vaut $2(1-q)(1-r) -q(1-r) - (1-q)r = 4qr - 3q - +3r + 2$. Si elle joue $p$, son espérance de gain vaut $1-p$ fois $4qr +- q - r$ plus $p$ fois $4qr - 3q - 3r + 2$, ce qui vaut l'expression +$-2pq -2pr +4qr + 2p - q -r$ annoncée. +\end{corrige} + +\smallbreak + +(3) On se demande à quelle condition sur la stratégie mixte $q$ jouée +par Bob et la stratégie mixte $r$ jouée par Charlie les options +$\mathtt{0}$ et $\mathtt{1}$ d'Alice sont indifférentes pour elle +(c'est-à-dire, lui apportent la même espérance de gain). Montrer que +c'est le cas si et seulement si $q + r = 1$. + +\begin{corrige} +On cherche à quelle condition la valeur $4qr - q - r$ (qui se retrouve +en substituant $0$ à $p$ dans $-2pq -2pr +4qr + 2p - q -r$) est égale +à $4qr - 3q - 3r + 2$ (obtenue en mettant $p$ à $1$). La différence +entre les deux vaut $2 - 2q - 2r$, qui est donc nulle si et seulement +si $q+r = 1$, comme annoncé. +\end{corrige} + +\smallbreak + +(4) Déduire de la question (3) que si un profil $(p,q,r)$ de +stratégies mixtes est un équilibre de Nash et que $0 0$ et que $\gr(z') +\neq \gr(z)$ assure $1+\gr(z') \neq 1+\gr(z)$, et le (B) est clair car +si $\beta < 1+\gr(z)$, alors soit $\beta=0$ soit $\beta = 1+\beta'$ où +$\beta' < \gr(z)$, auquel cas la définition de $\gr$ assure qu'il +existe $z'$ voisin sortant de $z$ tel que $\beta' = \gr(z')$. +\end{corrige} + +\smallbreak + +(3) On revient au jeu de Hackenbush impartial en arbre. Soit $T$ un +arbre de racine $y$ et $T'$ l'arbre obtenu en ajoutant une nouvelle +racine $x$ à $T$, c'est-à-dire que les sommets de $T'$ sont ceux de +$T$ plus $x$, qui en est la racine, avec une arête entre $x$ et $y$. +Expliquer pourquoi le jeu de Hackenbush représenté par $T'$ s'obtient +par la construction « $*{:}$ » considérée en (2) à partir de celui +représenté par $T$. Qu'en déduit-on sur la valeur de Grundy de la +position $T'$ par rapport à celle de $T$ ? + +\begin{corrige} +Un coup dans le jeu de Hackenbush représenté par l'arbre $T'$ peut +consister soit à couper l'arbre à sa racine, c'est-à-dire couper +l'arête reliant $x$ et $y$, ce qui met fin au jeu immédiatement, soit +à jouer dans $T$ (i.e., couper une arête de celui-ci) ; c'est +précisément la définition qu'on a donnée de la +construction « $*{:}$ ». + +On en déduit que $\gr(T') = 1 + \gr(T)$ (comme par ailleurs on a ici +affaire à des entiers naturels, le $+$ est commutatif, donc dans cette +question on peut aussi l'écrire $\gr(T') = \gr(T) + 1$). +\end{corrige} + +\smallbreak + +(4) Déduire des questions précédentes une méthode pour calculer la +valeur de Grundy d'une position quelconque au Hackenbush impartial en +arbre. + +\begin{corrige} +Des questions précédentes, on déduit que la valeur de Grundy d'un +arbre $T$ au Hackenbush impartial se calcule comme la somme de nim des +$\gr(T'_i) = 1+\gr(T_i)$ où les $T_i$ sont les sous-arbres partant des +fils de la racine de $T$. + +On peut donc calculer la valeur de Grundy d'un arbre en calculant +celle de ses sous-arbres enracinés aux différents nœuds, des feuilles +vers la racine : dès qu'on a calculé la valeur de Grundy de tous les +sous-arbres enracinés aux fils $y_1,\ldots,y_r$ d'un nœud $x$, on en +déduit celle du sous-arbre enraciné en leur père $x$ comme la somme de +nim des valeurs en question incrémentées de $1$. +\end{corrige} + +\smallbreak + +(5) Quelle est la valeur de Grundy de la position représentée +ci-dessous ? (Il s'agit de la position utilisée en exemple plus +haut.) Quel coup préconiseriez-vous dans cette situation ? + +\begin{center} +\begin{tikzpicture}[baseline=0] +\fill [gray!50!white] (-1.5,0) rectangle (1.5,-0.2); +\begin{scope}[every node/.style={circle,fill,inner sep=0.5mm}] +\node (P0) at (0,0) {}; +\node (P1) at (0,1) {}; +\node (P2) at (-1.5,2) {}; +\node (P3) at (-2.0,3) {}; +\node (P4) at (-1.0,3) {}; +\node (P5) at (1.5,2) {}; +\node (P6) at (0.75,3) {}; +\node (P7) at (1.5,3) {}; +\node (P8) at (2.25,3) {}; +\node (P9) at (1.75,1) {}; +\end{scope} +\begin{scope}[line width=1.5pt] +\draw (P0) -- (P1); +\draw (P1) -- (P2); +\draw (P1) -- (P5); +\draw (P2) -- (P3); +\draw (P2) -- (P4); +\draw (P5) -- (P6); +\draw (P5) -- (P7); +\draw (P5) -- (P8); +\draw (P0) -- (P9); +\end{scope} +\end{tikzpicture} +\end{center} + +\begin{corrige} +On trouve les valeurs de Grundy suivantes en notant à côté de chaque +nœud la valeur du sous-arbre enraciné en ce nœud : +\begin{center} +\begin{tikzpicture}[baseline=0] +\fill [gray!50!white] (-1.5,0) rectangle (1.5,-0.2); +\begin{scope}[every node/.style={circle,fill,inner sep=0.5mm}] +\node (P0) at (0,0) {}; +\node (P1) at (0,1) {}; +\node (P2) at (-1.5,2) {}; +\node (P3) at (-2.0,3) {}; +\node (P4) at (-1.0,3) {}; +\node (P5) at (1.5,2) {}; +\node (P6) at (0.75,3) {}; +\node (P7) at (1.5,3) {}; +\node (P8) at (2.25,3) {}; +\node (P9) at (1.75,1) {}; +\end{scope} +\begin{scope}[line width=1.5pt] +\draw (P0) -- (P1); +\draw (P1) -- (P2); +\draw (P1) -- (P5); +\draw (P2) -- (P3); +\draw (P2) -- (P4); +\draw (P5) -- (P6); +\draw (P5) -- (P7); +\draw (P5) -- (P8); +\draw (P0) -- (P9); +\end{scope} +\node[anchor=east] at (P2) {$0$}; +\node[anchor=west] at (P5) {$1$}; +\node[anchor=east] at (P1) {$3$}; +\node[anchor=east] at (P0) {$5$}; +\end{tikzpicture} +\end{center} + +La valeur de Grundy recherchée est donc $5$. En étudiant les +différentes possibilités, on trouve qu'un coup gagnant possible +consiste à retirer n'importe laquelle des arêtes les plus en haut sur +le dessin (dans tous les cas, le sommet étiqueté $3$ sur la figure +ci-dessus passe à $0$ et la racine de même). +\end{corrige} + +\smallbreak + +(La question qui suit est indépendante des questions précédentes et +concerne les jeux combinatoires \emph{partisans}.) + +(6) On remarque que la construction $*{:}G$ définie avant la +question (2) peut se définir de façon identique lorsque $G$ est un jeu +partisan, en donnant à une arête $*{:}z\, \to \, *{:}z'$ la même +couleur que $z\to z'$, et à une arête $*{:}z\, \to 0$ la couleur verte +(ce qui signifie : à la fois bleue et rouge). En décrivant une +stratégie, montrer que si $G \geq H$ on a aussi $*{:}G \geq *{:}H$, et +en déduire que si $G\doteq H$ alors $*{:}G \doteq *{:}H$ (où $\doteq$ +désigne l'égalité au sens de Conway des jeux partisans). + +\begin{corrige} +Tout d'abord, observons que $-(*{:}G) = *{:}(-G)$ puisque la +construction « $*{:}$ » est symétrique entre bleu et rouge. + +La condition $G\geq H$ signifie que le joueur bleu (Blaise) possède +une stratégie gagnante au jeu $G-H = G+(-H)$ s'il joue en second. +Montrons qu'il en possède encore une à $(*{:}G) - (*{:}H) = (*{:}G) + +(*{:}(-H))$ en considérant comment il répond à un coup de son +adversaire (Roxane). Si Roxane joue un coup de « destruction totale » +sur l'une des composantes $(*{:}G)$ ou $(*{:}(-H))$, Blaise réplique +sur l'autre et gagne. Si Roxane joue un coup dans une des deux +composantes $G$ ou $-H$, Blaise répond selon la stratégie qu'il est +supposé posséder. Dans tous les cas, Blaise peut répondre à tout coup +de Roxane, donc il gagne. Ceci montre $*{:}G \geq *{:}H$. + +Comme $G\doteq H$ signifie $G\geq H$ et $G\leq H$, on a bien $*{:}G +\geq *{:}H$ et $*{:}G \leq *{:}H$ d'après ce qu'on vient d evoir, +c'est-à-dire $*{:}G \doteq *{:}H$. (La valeur d'un jeu partisan +$*{:}G$ est donc déterminée par la valeur de $G$.) +\end{corrige} + \setbox0=\vbox\bgroup -- cgit v1.2.3