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非对称合作系统中合作行为的演化

高磊  
【摘要】:合作行为的演化和合作系统的稳定性维持机制一直是社会学、经济学和生物学关注的热点研究问题.合作系统中互利合作物种或个体之间既存在利益互惠又存在由于各自利益不同而产生的竞争或冲突,这种竞争或冲突可能导致系统的解体,是什么因素抑制了竞争或冲突使得合作系统能够维持呢?经典理论如“亲缘选择”和“互惠选择”等认为合作双方的空间异质性(生态位分化)或自我抑制行为将维持合作关系的稳定性,然而近年的深入研究发现这些系统维持机制是不可信的.事实上,它们无法解释合作系统中普遍存在的投机性行为. 注意到经典合作理论都是基于对称性模型发展而来,其假设合作双方具有对称性的相互作用.然而,越来越多的实证研究表明参与者的非对称性关系是合作系统的一个本质特征.本文在经典合作演化博弈模型的基础上,引入非对称相互关系参数,建立了非对称合作系统的数学模型,结合理论分析与数值模拟,探讨了非对称性对博弈双方策略选择、合作行为演化、合作系统稳定性维持的影响,从非对称性的角度揭示了合作行为的演化动力及合作系统的维持机制. 首先,考虑了由非对称关系引发的“被动选择机制(奖励和惩罚机制)”,针对现实合作系统中个体不具备识别能力的情形,提出了“集体惩罚\奖励机制”,应用演化博弈理论建立了“具有集体惩罚\奖励机制”多人雪堆博弈,通过模型分析发现“集体惩罚\奖励机制”能有效维持不具备识别能力合作系统的稳定性,进一步,数值模拟显示“集体惩罚机制”在促进合作水平方面比“集体奖励机制”显得更为有效.这些结果不但揭示了被动选择机制可能是合作系统演化及维持稳定的关键动力之一,而且解释了为什么在几乎所有著名的合作系统中都观测到了强势方采取奖惩措施维持系统稳定的现象:通过对建立的“具种内及种间相互作用多人雪堆博弈”模型分析,发现“种内相互作用”的引入导致系统出现多个稳态,可以有效维持合作系统的稳定性,并且合作双方参与者数量的非对称性对合作均衡有显著影响.该结果为榕树一榕小蜂合作系统中小蜂间的干扰性竞争可以避免小蜂对公共资源的过渡浪费从而避免了合作系统解体的实验观测提供了相应的理论依据. 其次,基于合作双方相互作用的非对称性,结合真实生物现象,我们探究了策略非对称对合作系统中合作行为演化的影响.相较与传统博弈,我们假设博弈双方具有非对称的策略集,建立了“具有非对称策略的二人演化博弈”模型,通过模型分析及数值模拟,发现策略非对称可以有效缓解合作系统中“合作困境”的发生,即策略非对称可以导致系统出现多个合作均衡,并且在一定条件下会达成双方都合作的协议,该结果间接地验证了非对称性是合作演化关键动力的实验性结论;进一步,在该模型的基础上我们建立了具有环境选择压力的非对称空间演化博弈模型,利用计算机模拟发现环境选择压力越大博弈双方越易达成合作,且在环境选择压力适中时,合作系统中个体策略的空间演化具有混沌特性.该结果为合作系统中多种类型个体共存的现象提供了解释. 最后,我们研究了有关合作演化的另一个重要问题:合作系统中参与者的利益分配问题.首先,我们建立了具有非对称参数(如支付、演化速率及参与者数量的非对称)及集体奖励机制的多人雪堆博弈模型.结合理论分析和数值模拟,给出了一种计算合作利益分配的方法,并借此方法将生物学中经典的“红皇后效应”和“红国王效应”整合到一个模型中,研究发现非对称性因素(支付、演化速率及参与者数量)及奖励机制均可导致“红皇后效应”与“红国王效应”发生相互转换,该结果为互利合作系统中物种间呈现出不同效应(“红皇后效应”或“红国王效应”)的现象提供了解释. 本文的研究结果能够为合作关系的起源及演化动力提供有益的启示,对生态系统的维持与管理均具有一定的理论与实践意义,并可能为诸如流行病防治与预测、农业生产中植物与传粉、固氮等直接关乎人类社会本身的持续发展等实践学科提供理论指导与启示.


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