Smoothed analysis in Nash equilibria and the Price of Anarchy

Abstract

São analisados nesta dissertação problemas em teoria dos jogos, com enfoque no efeito que perturbações acarretam em jogos. A análise suavizada (smoothed analysis) é utilizada para tal análise, e dois tipos de jogos são o foco principal desta dissertação, jogos bimatrizes e o problema de atribuição de tráfego (Traffic Assignment Problem.) O algoritmo de Lemke-Howson é um método utilizado amplamente para computar um equilíbrio Nash de jogos bimatrizes. Esse problema é PPAD-completo (Polynomial Parity Arguments on Directed graphs), e existem instâncias em que um tempo exponencial é necessário para terminar o algoritmo. Mesmo utilizando análise suavizada, esse problema permanece exponencial. Entretanto, nenhum estudo experimental foi realizado para demonstrar na prática como o algoritmo se comporta em casos com perturbação. Esta dissertação demonstra como as instâncias de pior caso conhecidas atualmente podem ser geradas e mostra que a performance do algoritmo nestas instâncias, quando perturbações são aplicadas, difere do comportamento esperado provado pela teoria. O Problema de Atribuição de Tráfego modela situações em uma rede viária onde usuários necessitam viajar de um nodo origem a um nodo destino. Esse problema pode ser modelado como um jogo, usando teoria dos jogos, onde um equilíbrio Nash acontece quando os usuários se comportam de forma egoísta. O custo total ótimo corresponde ao melhor fluxo de um ponto de vista global. Nesta dissertação, uma nova medida de perturbação é apresentada, o Preço da Anarquia Suavizado (Smoothed Price of Anarchy), baseada na análise suavizada de algoritmos, com o fim de analisar os efeitos da perturbação no Preço da Anarquia. Usando esta medida, são estudados os efeitos que perturbações têm no Preço da Anarquia para instâncias reais e teóricas para o Problema de Atribuição de Tráfego. É demonstrado que o Preço da Anarquia Suavizado se mantém na mesma ordem do Preço da Anarquia sem perturbações para funções de latência polinomiais. Finalmente, são estudadas instâncias de benchmark em relação à perturbação.

This thesis analyzes problems in game theory with respect to perturbation. It uses smoothed analysis to accomplish such task and focuses on two kind of games, bimatrix games and the traffic assignment problem. The Lemke-Howson algorithm is a widely used algorithm to compute a Nash equilibrium of a bimatrix game. This problem is PPAD-complete (Polynomial Parity Arguments on Directed graphs), and there exists an instance which takes exponential time (with any starting pivot.) It has been proven that even with a smoothed analysis it is still exponential. However, no experimental study has been done to verify and evaluate in practice how the algorithm behaves in such cases. This thesis shows in detail how the current known worst-case instances are generated and shows that the performance of the algorithm on these instances, when perturbed, differs from the expected behavior proven in theory. The Traffic Assignment Problem models a situation in a road network where users want to travel from an origin to a destination. It can be modeled as a game using game theory, with a Nash equilibrium happening when users behave selfishly and an optimal social welfare being the best possible flow from a global perspective. We provide a new measure, which we call the Smoothed Price of Anarchy, based on the smoothed analysis of algorithms in order to analyze the effects of perturbation on the Price of Anarchy. Using this measure, we analyze the effects that perturbation has on the Price of Anarchy for real and theoretical instances for the Traffic Assignment Problem. We demonstrate that the Smoothed Price of Anarchy remains in the same order as the original Price of Anarchy for polynomial latency functions. Finally, we study benchmark instances in relation to perturbation.