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基于演化动力学的合作涌现研究

陈蔚  
【摘要】:自然界中的合作行为是确立每一层生命组织的必要先决条件,因此合作在自然演化过程中起到了至关重要的作用。然而为什么合作可以在激烈的竞争中击败其他行为却始终困扰着科学家们。因为在这个难题中,合作的个体需要损失自身一部分利益来给整个种群做贡献,可是种群中的个体要面对搭便车的诱惑,即自私的个体会选择不为种群做出贡献,却去享有其他利他合作者带来的福利。因此根据达尔文进化论,自然选择会偏好那些自私的个体,因为他们在竞争过程中享有比利他合作者更高的适应度优势。这样的分析显然不能解释自然界中广泛存在的合作如何击败自私行为的,这便是合作难题的由来。而如何避免自私主义并解决这样的合作难题就变得十分重要。演化博弈理论则为解决合作难题提供了一个强有力的框架。因此这篇论文中将基于结构种群中的演化动力学来研究合作行为的涌现现象,主要开展了如下工作:通过结合期望动力学和演化博弈模型,本论文探索在次优选择条件下的合作涌现行为。论文提出了一个类似赢留输变的更新规则。这个规则描述了这样的行为,当个体当前策略带来的收益大于个体期望值时,个体会继续维持这种策略,否则,个体会改变其当前策略。同时,期望更新使得个体可以调整他们的期望收益值。研究结果表明,在一个广阔的背叛诱惑值范围里,次优选择可以很好的促进合作的出现与维持。同时,研究结果发现,当背叛的诱惑很小时,合作水平可以随着背叛诱惑的增长而增长。研究结果还表明期望可以稳定在一个中间值来促进合作行为,并且种群的平均期望水平是随着背叛诱惑的增加而减少的,期望的方差会在一个中间背叛诱惑值下,达到最小。人类往往倾向于和相似的个体来建立社会关系。本论文致力于研究异质种群中合作行为的涌现。通过结合策略演化和社会关系的演化,本论文建立了一个简单的模型来学习合作动力学。每当两个个体通过进行囚徒困境博弈而获得一定收益时,两个个体之间的友谊(友谊被量化为个体之间连接的权重)会得到加强。个体也可以断开与那些不友好个体之间的连接,并且重新连接到一个新的相似的个体。在这样的伙伴切换选择机制下,种群结构会被分割成若干组,合作也会得到加强。研究结果发现伙伴切换选择十分频繁时,即使背叛的诱惑十分大,合作行为仍然可以出现。同时,本论文研究了个体友谊之间的折扣效应对合作的影响。研究结果发现每当个体依据自身得到的收益而不是他们的伙伴的收益来调整友好度时,合作行为会得到加强。最后,研究结果发现种群中的个体过于相似时,合作不能达到最优,反而当种群存在一定差异时,合作水平达到最优。通过摆脱传统的单一博弈类型的设定,本论文研究混合了最后通牒博弈和独裁者博弈的混合博弈对演化公平的影响。在异质种群中,根据个体的自由度和集体影响力,不同的个体会被赋予独裁者角色,独裁者角色作为提议者会和他的对手响应者进行独裁者博弈,而其他的一般个体作为提议者会和他的对手响应者进行最后通牒博弈。不同于来源于博弈论和演化博弈论的推论:理性的提议者会提供给响应者几乎为无的一部分利益,而理性的响应者会接受这种提议。研究结果发现当将适当数目的独裁者角色赋予给那些中心节点,即有着较大自由度和集体影响力的个体时,种群的公平水平会得到促进。这种对公平水平的促进无关种群的异质程度并且不需要其他任何机制的支撑。论文研究在演化博弈论理论框架下的异质分配筹码对演化公平的影响。提议者有权重分配与响应者博弈时的筹码数量。研究结果发现当个体向不成功个体分配更多筹码时,演化公平得到促进。同时,研究结果还发现扩大的群体相互作用会放大异质分配筹码对演化合作影响。如何在关联系统之间合理分配资源对最优化效能有重要意义。本论文建立了这样一个理论模型,通过在双层网络上进行公共品博弈,研究了由网络关联性导致的异质贡献投入对演化合作的影响。不同层网络上的对应个体会分配一固定的资源作为他们的初始投入。不同层网络上个体投资的对称破裂性或阻止或远离不好的博弈环境。研究结果显示一个温和的投资异质性可以最优化演化合作行为,但随机分配投资会在一个宽广的投资偏好和协同强化效果范围内抑制合作演化。通过研究不同初始策略配置的时间演化结果,研究显示关联合作者边界上的非关联合作者在促进演化合作过程中起到了不可忽视的作用。通过对多样化投入偏好使其服从统一分布,仿真结果证明了结果的鲁棒性。不同物种之间的个体竞争需要组群内个体的之间的合作。论文提出一个一般化的包含任意多个体的鹰鸽博弈模型:多人鹰鸽博弈。在这个模型中,鸽派代表没有群内冲突的合作行为,而鹰派代表了侵略性的背叛行为。当没有鹰派个体时,鸽派个体会避免冲突并平均分享资源,但当有鹰派个体时,鸽派个体会逃避以避免冲突发生。相反的,鹰派个体会以一定的代价战斗来获取资源。然而,这里如果鸽派个体在整个群体中占有足够的数量可以驱逐鹰派个体,鸽派个体可以聚集以保护他们的资源,从而避免来自鹰派个体的掠夺。通过分析研究了无限大和有限大混合均匀种群系统演化过程,研究找到了两种群之间稳定共存的条件。同时,通过变化不同参数值,研究结果发现不同的参数下,系统状态可以从鹰派占优和共存转变为不稳定共存,多内部均衡和鸽派占优。


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