Кіріспе
Эволюциялық ойын теориясы (ЕОТ) – биологиядағы эволюциялық популяцияларға ойын теориясын қолдану. Ол Дарвиндік бәсекелестікті модельдеуге мүмкіндік беретін жарыстар, стратегиялар және талдаулардың жүйесін анықтайды. Бұл 1973 жылы Джон Мейнард Смит пен Джордж Р. Прайс жарыстарды стратегиялар ретінде формалдау және бәсекелес стратегиялардың нәтижелерін болжауға арналған математикалық критерийлерді енгізгеннен кейін пайда болды. Эволюциялық ойын теориясы классикалық ойын теориясынан стратегиялардың өзгеру динамикасына баса назар аударуымен ерекшеленеді. Бұл популяциядағы бәсекелес стратегиялардың таралу жиілігімен анықталады. Эволюциялық ойын теориясы Дарвиндік эволюциядағы игілікті мінез-құлықтың негізін түсіндіруге көмектесті. Осыдан кейін ол экономистер, социологтар, антропологтар және философтардың қызығушылығын тудырды.
Evolutionary game theory (EGT) is the application of game theory to evolving populations in biology. It defines a framework of contests, strategies, and analytics into which Darwinian competition can be modelled. It originated in 1973 with John Maynard Smith and George R. Price's formalisation of contests, analysed as strategies, and the mathematical criteria that can be used to predict the results of competing strategies. Evolutionary game theory differs from classical game theory in focusing more on the dynamics of strategy change. This is influenced by the frequency of the competing strategies in the population. Evolutionary game theory has helped to explain the basis of altruistic behaviours in Darwinian evolution. It has in turn become of interest to economists, sociologists, anthropologists, and philosophers.
Классикалық ойын теориясы
Классикалық кооперативтік емес ойын теориясын Джон фон Нейман қарсыластар арасындағы бәсекелестікте оңтайлы стратегияларды анықтау үшін жасаған. Бәсекелестікке қатысушылардың барлығы да таңдау жасау мүмкіндігіне ие. Ойындар бір реттік немесе қайталамалы болуы мүмкін. Ойыншының таңдауларын жасау тәсілі оның стратегиясын құрайды. Ережелер ойыншылардың таңдаған қимылдарының нәтижесін анықтайды, ал нәтижелер ойыншыларға пайда әкеледі; ережелер мен одан туындайтын пайдалар шешім ағаштары немесе пайда матрицасы түрінде көрсетілуі мүмкін. Классикалық теория ойыншылардың рационалды шешімдер қабылдауын талап етеді. Әр ойыншы өз таңдауларын жасау үшін қарсыластарының стратегиялық талдауларын ескеруі тиіс.
Ритуалдық мінез-құлық проблемасы
Эволюциялық ойын теориясы жанжал жағдайындағы жануарлардың ритуалдық мінез-құлқын түсіндіру мәселесімен басталды; "ресурстар үшін күресте жануарлар неліктен соншалықты 'әдепті немесе әйелдей' болады?" Жетекші этологтар Нико Тинберген мен Конрад Лоренц мұндай мінез-құлықтың түрдің пайдасына болатындығын ұсынды. Джон Мейнард Смит мұны Дарвиннің эволюциялық теориясына қайшы деп есептеді, онда таңдау жеке деңгейде жүзеге асады, сондықтан өзімшілдік марапатталады, ал жалпы жақсылықты іздеу марапатталмайды. Математикалық биолог Мейнард Смит Джордж Прайстың ұсынысымен ойын теориясына жүгінді, бірақ Ричард Левонтиннің осы теорияны қолдану әрекеттері сәтсіз аяқталды.
Ойын теориясын эволюциялық ойындарға бейімдеу
Мейнард Смит ойын теориясының эволюциялық нұсқасы ойыншылардың рационалды әрекет етуін талап етпейтінін, тек стратегиясы бар екенін түсіндірді. Ойынның нәтижесі сол стратегияның қаншалықты тиімді екенін көрсетеді, дәл сол сияқты эволюция да өмір сүру және көбейту қабілеті үшін баламалы стратегияларды сынап жатады. Биологияда стратегия – компьютерлік бағдарламаларға ұқсас, жеке тұлғаның іс-әрекетін бақылайтын генетикалық тұқым қуалаушылық қасиет. Стратегияның сәттілігі оның басқа стратегиялармен (өзінің ішінде) бәсекелесетін жағдайда қаншалықты жақсы екендігімен және осы стратегиялардың қаншалықты жиі қолданылуымен анықталады. Мейнард Смит өзінің еңбегін «Эволюция және ойын теориясы» кітабында сипаттаған. Қатысушылар өздерінің мүмкіндігінше көп көшірмесін жасауға тырысады, ал нәтижесі – өрбуге қабілетті салыстырмалы құндылықпен өлшенетін сәйкестік бірліктерімен есептеледі. Бұл әрқашан көптеген бәсекелестермен көп ойыншылы ойын. Ережелерге репликатор динамикасы кіреді, яғни жақсырақ ойыншылар популяцияға өздерінің көбірек көшірмелерін шығарады және репликатор теңдеуі бойынша нашаррақ ойыншылар іріктеліп алынады. Репликатор динамикасы тұқым қуалауды модельдейді, бірақ мутацияны ескермейді және қарапайымдық үшін жыныссыз көбеюді қабылдайды. Ойындар қайта-қайта ойналады, аяқталу шарттары жоқ. Нәтижелерге популяциядағы өзгерістер динамикасы, стратегиялардың сәттілігі және кез келген тепе-теңдік жағдайлары кіреді. Классикалық ойын теориясынан айырмашылығы, ойыншылар өз стратегиясын таңдамайды және оны өзгерте алмайды: олар стратегиямен дүниеге келеді және олардың ұрпақтары сол стратегияны мұраға алады.
Жаңа стратегияларды қолдана алатын асимметриялар
Арықтау соғысында қарсыласқа ұсыныстың көлемін білдіретін ештеңе болмауы керек, әйтпесе қарсылас оны тиімді қарсы стратегияда пайдалана алады. Дегенмен, егер лайықты асимметрия болса, тозу соғысындағы алдамшыны жақсырақ жеңе алатын мутант стратегия бар, ол – буржуазиялық стратегия. Буржуазиялық стратегия тұйықталудың алдын алу үшін қандай да бір асимметрияны пайдаланады. Табиғатта мұндай асимметрияның бір түрі – ресурсты иелену. Стратегия бойынша, егер ресурсқа ие болсаңыз, «шоқпар» тактикасын қолдану керек, ал егер ие болмасаңыз, демонстрация жасап, кейін шегінуге болады. Бұл «шоқпардан» гөрі жоғары танымдық қабілетті талап етеді, бірақ буржуазиялық стратегия көптеген жануарлар арасындағы бәсекелестікте, мысалы, мантис-шаяндар мен нүктелі ормандағы көбелектер арасындағы бәсекелестікте жиі кездеседі.
Әлеуметтік мінез-құлық
"Аққу-құйрық" және "Тозу соғысы" сияқты ойындар жеке тұлғалар арасындағы таза бәсекелестікті көрсетеді және оларға әлеуметтік элементтер тән емес. Әлеуметтік факторлар әсер ететін жағдайларда, бәсекелестер стратегиялық өзара әрекеттесу үшін төрт мүмкіндікке ие. Бұл жағдай қоса берілген суретте көрсетілген, онда плюс белгісі пайданы, ал минус белгісі шығынды білдіреді. Ынтымақтастық немесе өзара тиімді қарым-қатынаста "донор" мен "реципиент" арасында айырма жасау қиын, себебі екеуі де бірлесіп жұмыс істеу арқылы ойыннан пайда көреді, яғни, бұл жұптың екеуі де белгілі бір стратегияны орындау арқылы пайда табатын жағдайы, немесе оларды "бір қайыққа" отырғызатын белгілі бір шектеулердің салдарынан олардың бірлесіп әрекет етуі қажет. Альтруистік қарым-қатынаста донор өзіне шығын келтіре отырып, реципиентке пайда әкеледі. Көбінесе реципиент донормен туыстық байланыста болады және донорлық көмек бір жақты болады. Пайдалардың кезекпен (екі бағытта да) шығынмен берілуі жиі "альтруизм" деп аталады, бірақ талдау көрсеткендей, мұндай "альтруизм" оптимизацияланған "эгоистік" стратегиялардың нәтижесі болуы мүмкін. Кек қайтару – бұл, негізінен, ынтымақтастықтың кері нұсқасы, онда ешбір тарап нақты пайда көре алмайды. Әдетте, одақтас туысқан болады және пайда одақтас үшін бәсекелестік ортаны жеңілдету болып табылады. Ескерту: Альтруизм мен кек қайтарудың алғашқы математикалық модельдерін жасаған Джордж Прайс осы теңдікті эмоционалдық тұрғыдан өте мазасыз деп тапты. Өзімшілдік – ойын теориясының тұрғысынан барлық стратегиялық таңдаудың негізгі өлшемі. Өзін-өзі сақтау және көбейту мақсатында жасалмаған стратегиялар ешқандай ойында ұзаққа соқпайды. Бірақ, бұл жағдай бәсекелестіктің бірнеше деңгейде – яғни, генетикалық, жеке және топтық деңгейде жүзеге асуының салдарынан өзгереді.
Эусоциалдық және туыстық таңдау
Эусоциалдық жұмысшы жәндіктер патшайымына өрбу құқықтарынан бас тартады. Бұл жұмыскерлердің генетикалық құрамына негізделген туыстық таңдау оларды игілікті мінез-құлыққа бейімдеуі мүмкін деген ұсыныс жасалды. Көптеген эусоциалдық жәндіктер қоғамдары гаплодиплоидты жыныстық анықталуға ие, яғни жұмысшылар өте жақын туысқан болады. Алайда, осы жәндіктердің эусоциалдығын түсіндіруге бірнеше белгілі эволюциялық ойын теориясының мамандары (Новак және Уилсон) қарсы шықты. Олар осы жәндік түрлеріне қатысты ұсынылған кезекті даму және топтық таңдау эффектілеріне негізделген, даулы балама ойын теориялық түсіндірме жариялады.
Тас қағаздан жасалған қайшы
Эволюциялық ойынға енгізілген тас-қағаз-қайшы экологияны зерттеуде табиғи процестерді модельдеуге қолданылды. Эксперименталды экономика әдістерін пайдалана отырып, ғалымдар RPS ойындарын зертхана жағдайында адамның әлеуметтік эволюциялық динамикалық мінез-құлқының қалай дамып келетінін тексеру үшін қолданды. Эволюциялық ойын теориясы болжаған әлеуметтік циклдық мінез-құлық түрлі зертханалық тәжірибелерде анықталды.
Сигнал беру, жыныстық таңдау және кемшілік қағидаты
Көптеген дамыған организмдерде альтруизмнің қалай пайда болатынын түсіндірудегі қиындықтардан өзге, Дарвин екінші бір мәселемен де мазаланды: көптеген түрлердің фенотиптік белгілері тіршілік етуге зиянды болып келеді және табиғи іріктеу процесінде теріске ие болуы керек – мысалы, таусық құсының құйрығындағы ауыр әрі қолайсыз қауырсын құрылымы. Осы мәселе туралы Дарвин әріптесіне былай деп жазды: «Таусық құсының құйрығындағы қауырсынға қараған сайын, маған қызықпаймын». Альтруизмнің болуын ғана емес, сонымен қатар таусық құсының құйрығы сияқты және басқа да биологиялық кедергілердің болуын түсіндірген – эволюциялық ойын теориясының математикасы осы. Талдау көрсетсе, биологиялық өмірдің мәселелері экономиканы анықтайтын мәселелерден ешқандай айырмашылығы жоқ: тамақтану (ресурстарды алу және басқару сияқты), тіршілік ету (бәсекелестік стратегиясы) және көбею (инвестиция, тәуекел және пайда). Ойын теориясы бастапқыда экономикалық процестерді математикалық талдау ретінде ұсынылды және осы себепті көптеген биологиялық мінез-құлықтарды түсіндіруде өте пайдалы болды. Экономикалық мәні бар эволюциялық ойын теориясының маңызды толықтырылған жетілдірілуі – шығындарды талдау. Шығындардың қарапайым моделі барлық бәсекелестердің ойын шығындарынан бірдей зардап шегетінін болжайды, бірақ бұл дұрыс емес. Сәтті ойыншылар, сәтсіз ойыншыларға қарағанда, жоғары «байлық қорына» немесе «төлеу қабілетіне» ие болады немесе оны жинақтайды. Эволюциялық ойын теориясындағы бұл байлық әсері математикалық тұрғыда «ресурсты ұстау потенциалы (RHP)» арқылы бейнеленеді және жоғары RHP-ға ие бәсекелестің тиімді шығындары, төмен RHP-ға ие бәсекелестің тиімді шығындарынан өзгеше екенін көрсетеді. Жоғары RHP-ға ие жеке тұлға әлеуетті сәтті ұрпақ өндіруде артықшылықты серіктес болғандықтан, жыныстық іріктеу арқылы RHP бәсекелестердің арасында қандай да бір жолмен көрсетілуі керек, ал бұл үшін көрсету адал болуы тиіс. Амоц Захави осы ойды «мүмкіндік принципі» деп атады, онда жоғары бәсекелестер өзінің артықшылығын қымбатты көрсету арқылы көрсетеді. Жоғары RHP-ға ие адамдар мұндай қымбатты көрсетуге қабілетті болғандықтан, бұл сигнал беру өзінен-өзі адал және сигналды қабылдаушы осылай қабылдай алады. Табиғатта бұл таусық құсының қымбат бағалы түйінмен жақсы көрсетілген. Мүмкіндік принципінің математикалық дәлелдемесін Алан Графен эволюциялық ойын теориялық модельдеуді пайдаланып жасады.
Үлгіге кеңейту
Жүйенің мінез-құлқын талдауға арналған математикалық модель бастапқыда мүмкіндігінше қарапайым болуы керек, зерттеліп отырған нысандағы негіздерді немесе "бірінші реттік әсерлерді" түсінуге көмектесу үшін. Осы түсінік қалыптасқаннан кейін, басқа, әлдеқайда нәзік параметрлердің (екінші реттік әсерлер) негізгі мінез-құлыққа қосымша әсер ететінін немесе жүйедегі жаңа мінез-құлық түрлерін қалыптастыратынын қарастыру қажет. Мейнард Смиттің эволюциялық ойын теориясы саласындағы маңызды еңбегінен кейін, бұл тақырып эволюциялық динамиканы түсінуге, әсіресе альтруистік мінез-құлық аймағында, жарық түсіретін көптеген маңызды кеңейтулерге қол жеткізді. Эволюциялық ойын теориясының негізгі кеңейтулері:
Ғарыштық ойындар
Эволюцияның географиялық факторларына гендер ағыны және көлденең гендер алмасуы жатады. Ғарыштық ойын модельдері геометрияны қатысушыларды ұяшықтар торға орналастыру арқылы бейнелейді: бәсекелестік тек тікелей көршілермен ғана жүзеге асады. Жеңіске жеткен стратегиялар осы тікелей көршіліктерді жаулап алады, содан кейін іргелес көршіліктермен өзара әрекеттеседі. Бұл модель тұтқындар дилеммасы ойынында кооператорлардың шағын топтары қалай басып кіре алатынын және альтруизмді қалай енгізе алатынын көрсетуге көмектеседі, онда Tit for Tat (TFT) Нэш тепе-теңдігі болып табылады, бірақ ESS емес. Кейде кеңістіктік құрылым өзара әрекеттесудің жалпы желісіне абстракцияланады. Бұл эволюциялық граф теориясының негізі.
Шекті популяциялар
Көптеген эволюциялық ойындар шектеулі популяцияларда модельделді, мысалы, аралас стратегиялардың табыстылығына қандай әсер ететінін анықтау үшін.