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Máster y doctorado

Equilibrios en juegos continuos

En una optimización eliges una decisión. En un juego, tu mejor decisión depende de lo que elijan otros. Un equilibrio de Nash es una situación en la que nadie mejora cambiando solo su propia acción. Construiremos las respuestas de dos personas antes de resolverlas a la vez.

1. Quién decide, qué puede elegir y qué intenta maximizar

Para cada jugador i declaramos un conjunto de acciones Xᵢ y una utilidad u_i(x_i,x_{-i}). El subíndice −i significa todas las acciones ajenas. Aquí las acciones recorren intervalos, no una lista finita. Al buscar la mejor acción propia se mantienen fijas las de los demás.

Nuestro juego guía tiene x,y∈[0,4], u_1(x,y)=-(x-(1+y)/2)^2 y u_2(x,y)=-(y-(2+x)/3)^2.

Cuanto más cerca esté cada jugador de su objetivo, mayor utilidad. Cero es el máximo posible de un cuadrado negativo.

Leer el objetivo con el rival fijo

El segundo jugador ha elegido y=2.

  1. Sustituir

    El primero maximiza −(x−3/2)².

  2. Elegir

    x=3/2 anula el cuadrado y está en [0,4].
  3. Comparar

    x=0 daría −9/4, que es menor que cero.
Resultado

La respuesta óptima depende de y.

Lo comprobamos

El jugador no elige y cuando compara sus propias opciones.

No cambiar de convención sin avisar

Podemos escribir el coste c₁=(x−(1+y)/2)².

  1. Coste

    Se quiere minimizar c₁.

  2. Utilidad

    u₁=−c₁ se quiere maximizar.
  3. Misma respuesta

    Ambas formulaciones eligen el mismo x.

Resultado

El signo cambia las desigualdades, no la acción óptima si se cambia coherentemente.

Lo comprobamos

Maximizar el cuadrado positivo sería otro juego.

2. Nash comprueba todas las desviaciones unilaterales

Un perfil x* es Nash si u_i(x_i^*,x_{-i}^*)\ge u_i(z_i,x_{-i}^*) para cada jugador y cada alternativa admisible zᵢ. Se cambia una sola componente en cada comparación.

No hace falta que los jugadores tengan la misma utilidad. Tampoco se exige que no exista una mejora coordinada. La definición mide incentivo individual con rivales fijos; no declara justicia ni bienestar colectivo.

Descartar un candidato

En el juego guía probamos (x,y)=(0,0).

  1. Utilidad inicial

    Para el primero, −(0−1/2)²=−1/4.
  2. Cambiar solo x

    Elegir x=1/2 mientras y sigue cero da utilidad cero.

  3. Conclusión

    Existe una mejora unilateral: (0,0) no es Nash.

Resultado

Basta una desviación que mejore para refutar un perfil.

Lo comprobamos

Para confirmar un Nash hay que excluirlas todas, no probar solo algunas.

Confirmar sin probar infinitos números uno por uno

Probamos (1,1) en el juego guía.

  1. Primero

    Su utilidad frente a y=1 es −(x−1)²≤0; x=1 da cero.
  2. Segundo

    Frente a x=1 su utilidad es −(y−1)²≤0; y=1 da cero.
  3. Global

    Ninguna acción de [0,4] supera cero para ninguno.

Resultado

(1,1) es Nash por una desigualdad válida para toda alternativa.

Lo comprobamos

No dependemos de una cuadrícula numérica de pruebas.

3. La mejor respuesta puede ser una función, varios puntos o ningún máximo

La correspondencia \operatorname{BR}_i(x_{-i})=\arg\max_{z_i\in X_i}u_i(z_i,x_{-i}) contiene todas las mejores acciones. Es un conjunto; solo se trata como función si tiene un único elemento. Nash significa pertenecer simultáneamente a todas esas mejores respuestas.

Con acciones no vacías compactas y utilidad continua, cada máximo existe. Sin esas condiciones puede faltar. Una selección arbitraria de una respuesta entre varias no sustituye analizar el conjunto completo.

Dos máximos distintos

Un jugador elige x∈[−1,1] con utilidad −(x²−1)².

  1. Cota

    La utilidad no supera cero.

  2. Alcanzar

    x=−1 y x=1 dan cero.
  3. Conjunto

    BR={−1,1}; x=0 da −1 y no es máximo.
Resultado

Una respuesta puede tener dos elementos.

Lo comprobamos

No se representa como una función única sin declarar una selección.

Un supremo sin mejor respuesta

Acciones x∈(0,1), utilidad u(x)=x.

  1. Mejorar

    Para cualquier x permitido, (x+1)/2 está permitido y es mayor.

  2. Supremo

    Las utilidades se acercan a 1.

  3. Falta

    1 no está permitido, así que no hay máximo.

Resultado

Tener una cota superior no garantiza una mejor respuesta.

Lo comprobamos

El conjunto abierto falla la compacidad usada en el resultado anterior.

4. Derivar da candidatos; la forma y el dominio deciden

En un máximo interior diferenciable la derivada propia debe anularse. Si la función es cóncava en la acción propia, un punto estacionario es máximo global; con concavidad estricta la respuesta es única. En una frontera puede haber máximo sin derivada cero.

En el juego guía, cada utilidad es un cuadrado negativo de su propia acción: las segundas derivadas propias son −2. Los objetivos (1+y)/2 y (2+x)/3 quedan en [0,4] para rivales en ese intervalo, de modo que las respuestas son esas expresiones.

Derivar una respuesta del juego guía

Maximizamos −(x−(1+y)/2)² con y fijo.

  1. Primera derivada

    −2(x−(1+y)/2).

  2. Anular

    x=(1+y)/2.
  3. Comprobar

    La segunda derivada es −2; el objetivo está entre 1/2 y 5/2, dentro del intervalo.

Resultado

BR₁(y)=(1+y)/2; análogamente BR₂(x)=(2+x)/3.

Lo comprobamos

Se deriva respecto a la acción propia, manteniendo fijo el rival.

Dos trampas de primer orden

Comparamos una frontera y un mínimo estacionario.

  1. Frontera

    −(x−3)² en [0,2] se maximiza en x=2, no en el punto no permitido 3.
  2. Estacionario

    Para maximizar x² en [−1,1], x=0 anula la derivada pero es mínimo.

  3. Verificar

    Los máximos de x² son −1 y 1, ambos en frontera.

Resultado

Anular una derivada no demuestra por sí solo una mejor respuesta.

Lo comprobamos

No se ignoran extremos ni curvatura.

5. El equilibrio es la intersección de las respuestas

Buscamos simultáneamente x=(1+y)/2 y y=(2+x)/3.

Una ecuación no reemplaza a la otra. Podemos sustituir y despejar, y al final volver a las utilidades para certificar máximos.

Dos respuestas se cumplen a la vez en su intersección
Dos decisiones, dos respuestas110xyAzul: x=(1+y)/2Verde: y=(2+x)/3Se cruzan en (1,1).Ambas utilidades alcanzan 0.
Plano de acciones x e y con la misma escala en ambos ejes, de cero a tres. La recta azul representa x igual uno más y dividido entre dos; la verde representa y igual dos más x dividido entre tres. Su intersección roja es uno uno. Cada recta impone la mejor respuesta de un jugador frente al otro en el juego guía de utilidades cuadráticas negativas, cuyo dominio completo es cero a cuatro para cada acción. Solo se muestra la ventana cero a tres para hacer legible la intersección. Las rectas son condiciones de mejores respuestas, no trayectorias temporales ni utilidades.

Iterar respuestas es un proceso adicional. Para nuestro mapa F(x,y)=((1+y)/2,(2+x)/3), la distancia máxima entre componentes se contrae por un factor no mayor que 1/2. Como lleva el cuadrado cerrado [0,4]² en sí mismo, aquí sí tenemos unicidad y convergencia de esa iteración simultánea.

Resolver la intersección

Usamos las dos respuestas del juego guía.

  1. Sustituir

    2x=1+(2+x)/3.
  2. Agrupar

    6x=5+x, de donde x=1.
  3. Volver

    y=(2+1)/3=1; ambas utilidades valen cero.
Resultado

El equilibrio único es (1,1).

Lo comprobamos

La solución pertenece al dominio y las respuestas son máximos globales.

Ver la contracción con un inicio

Comenzamos en (0,0) y actualizamos simultáneamente.

  1. Primer paso

    F(0,0)=(1/2,2/3).
  2. Segundo paso

    F(1/2,2/3)=(5/6,5/6).
  3. Distancia

    Los errores máximos respecto de (1,1) son 1,1/2,1/6; cada paso cumple la cota del factor 1/2.

Resultado

La contracción justifica el proceso para cualquier inicio del cuadrado.

Lo comprobamos

Una secuencia dibujada sin esa propiedad no bastaría como prueba general.

6. La existencia de un equilibrio puro necesita condiciones adicionales

Con un número finito de jugadores, conjuntos no vacíos compactos convexos en espacios euclídeos, utilidades continuas y cuasicóncavas en la acción propia, un teorema de punto fijo para correspondencias garantiza un Nash puro. La cuasiconcavidad significa que los conjuntos de acciones que superan un nivel de utilidad son convexos.

Las mejores respuestas son entonces no vacías, compactas, convexas y tienen la continuidad de correspondencias adecuada. Si son funciones continuas, se puede aplicar Brouwer al producto. Sin esas condiciones no se promete un equilibrio puro; permitir mezclas cambia el objeto.

Un caso que cumple más de lo necesario

Nuestro juego de cuadrados negativos.

  1. Acciones

    [0,4] es no vacío, compacto y convexo.

  2. Utilidades

    Son continuas y estrictamente cóncavas en la acción propia.

  3. Respuesta

    Las dos funciones son continuas y llevan el cuadrado en sí mismo.

Resultado

Existe un equilibrio; la cuenta y la contracción dan además su valor y unicidad.

Lo comprobamos

El teorema de existencia solo no prometía unicidad.

Continuidad y compacidad solas no bastan para equilibrio puro

x,y∈[0,1], u₁=(x−y)² y u₂=−(x−y)².

  1. Segundo jugador

    Su única mejor respuesta es y=x.
  2. Diagonal

    Ahí u₁=0, pero el primero puede alejarse de y y obtener una utilidad positiva.

  3. Descartar

    Ningún perfil puede ser Nash puro.

Resultado

La utilidad del primero no cumple la cuasiconcavidad requerida.

Lo comprobamos

Esto no refuta un resultado de existencia de estrategias mixtas.

7. Un punto fijo no garantiza convergencia ni bienestar

Puede haber respuestas únicas para cada rival y varios puntos fijos conjuntos. También puede haber un único equilibrio y una iteración que oscila. Existencia, unicidad y convergencia son afirmaciones distintas.

Un único equilibrio no impide que la iteración oscile
Punto fijo y ciclo son distintosF(x,y)=(1−y,x)(1/2,1/2)(0,0)(1,0)(0,1)(1,1)Cuatro pasos y vuelve al inicio.El equilibrio sigue en el centro.Existir no implica converger.
Cuadrado de acciones cero a uno con ambas escalas iguales. Flechas rojas describen la actualización simultánea F de x y igual uno menos y, x. Desde cero cero pasa a uno cero, después uno uno, cero uno y vuelve al inicio. El punto verde central un medio un medio es el único punto fijo y el único Nash de las utilidades menos x menos uno más y al cuadrado y menos y menos x al cuadrado. Cada mejor respuesta individual es única y óptima global, pero este mapa conserva distancias en lugar de contraerlas. La figura distingue equilibrio y dinámica de actualización; no representa que los agentes recorran físicamente un circuito.

Por otra parte, Nash no optimiza automáticamente una suma de utilidades. Los cambios coordinados consideran efectos que una desviación unilateral deja fijos. Para hablar de eficiencia hay que declarar el criterio agregado y el conjunto de comparaciones.

Un equilibrio único y un ciclo de cuatro pasos

En [0,1]², u₁=−(x−(1−y))² y u₂=−(y−x)².

  1. Respuestas

    F(x,y)=(1−y,x).

    El único punto fijo es (1/2,1/2).

  2. Iteración

    (0,0)→(1,0)→(1,1)→(0,1)→(0,0).
  3. Conclusión

    La actualización simultánea no converge desde ese inicio.

Resultado

Conocer la solución no prueba que toda dinámica llegue a ella.

Lo comprobamos

Estas utilidades sí tienen respuestas únicas; falta contracción.

Un Nash peor para ambos que otro perfil

En [0,1]², u₁=x−2y y u₂=y−2x.

  1. Responder

    Cada utilidad crece con la acción propia: ambos eligen 1.

  2. Nash

    En (1,1) ambos reciben −1.

  3. Coordinado

    En (0,0) ambos recibirían 0, pero cualquiera desviándose solo a 1 mejora su utilidad a 1.

Resultado

Una mejora conjunta no contradice que (1,1) sea Nash.

Lo comprobamos

El perfil socialmente preferible para ambos no es estable frente a cambios individuales.

8. La comprobación numérica mide la mejora unilateral, no solo una derivada

Para un perfil admisible definimos la ganancia de desviarse como g_i=\max_{z_i\in X_i}u_i(z_i,x_{-i})-u_i(x_i,x_{-i}). Todas son no negativas. Nash equivale a gᵢ=0 para todos; un ε-Nash cumple gᵢ≤ε.

Un residual de primer orden pequeño no certifica esa propiedad si hay mínimos o fronteras ignoradas. En el juego de cuadrados, las mejores respuestas dan utilidad cero y la ganancia exacta es el cuadrado de la distancia propia a su objetivo.

Cuánto falta para ser Nash

En el juego guía consideramos (x,y)=(1,11/10).

  1. Primero

    Objetivo (1+11/10)/2=21/20; distancia −1/20, ganancia 1/400.
  2. Segundo

    Objetivo (2+1)/3=1; distancia 1/10, ganancia 1/100.
  3. Máximo

    Ambas ganancias son como máximo 1/100.

Resultado

Es un 1/100-Nash, aunque no un Nash exacto.

Lo comprobamos

El margen se refiere a unidades de utilidad, no a distancia de acciones.

Muchos equilibrios con respuestas únicas

u₁=u₂=−(x−y)², x,y∈[0,1].

  1. Cada respuesta

    El primero elige x=y; el segundo y=x.
  2. Puntos fijos

    Todo (a,a), a∈[0,1], da utilidad cero a ambos.
  3. Fuera

    Si x≠y, uno puede igualar la acción rival y mejorar.

Resultado

El conjunto completo de Nash es la diagonal.

Lo comprobamos

Respuesta individual única no implica punto fijo conjunto único.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Respuestas lineales

Con acciones en [0,3], BR₁(x₂)=1+x₂/2 y BR₂(x₁)=1+x₁/2, halla Nash.

  1. Ecuaciones

    x₁=1+x₂/2 y x₂=1+x₁/2.
  2. Sustituir

    x₁=1+(1+x₁/2)/2=3/2+x₁/4.
  3. Despejar

    3x₁/4=3/2, luego x₁=2.
  4. Recuperar

    x₂=1+2/2=2.
  5. Dominio

    Ambas acciones pertenecen a [0,3].

  6. Comprobar

    Las dos mejores respuestas en 2 devuelven 2; por tanto el perfil es Nash.

Resultado

El equilibrio es (2,2).

Lo comprobamos

Cada mejor respuesta al valor 2 es 2.

EJEMPLO RESUELTO 2

No unicidad

Si u₁=u₂=−(x₁−x₂)² en [0,1], describe Nash.

  1. Utilidad

    Ambos maximizan −(x₁−x₂)² en [0,1].

  2. Cota

    Ninguna utilidad supera cero.

  3. Diagonal

    En (a,a), a∈[0,1], ambos alcanzan cero.
  4. Desviaciones

    Cambiar solo una acción produce un cuadrado no negativo con signo menos.

  5. Fuera

    Si las acciones difieren, igualar al rival mejora hasta cero.

  6. Resultado

    Exactamente todos los perfiles (a,a) son Nash.

Resultado

Todos los perfiles (a,a), a∈[0,1], son Nash.

Lo comprobamos

Existencia no implica unicidad.

Los símbolos que hemos usado

xᵢ / x₋ᵢ
Acción del jugador i / perfil de acciones de los demás.
uᵢ
Utilidad que el jugador i intenta maximizar.
BRᵢ(x₋ᵢ)
Conjunto de mejores respuestas a las acciones rivales.
Equilibrio de Nash
Perfil sin mejora unilateral admisible para ningún jugador.
Punto fijo
Perfil que permanece en su conjunto de mejores respuestas.
Cuasiconcavidad
Los conjuntos de acciones con utilidad al menos un nivel dado son convexos.
Óptimo social
Perfil que optimiza un criterio agregado, distinto de Nash.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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