En esta sección se discuten los principales conceptos para entender los juegos simples
y ver los juegos de mayoría ponderada como un caso particular de los mismos. Así también,
se presentan los principales índices de poder que se manejan en la literatura para
medir el poder de decisión de los jugadores en los juegos simples.
Valores individuales
Se comienza entonces por analizar dos de los valores más comunes en los juegos de
negociación en la TJC: los valores de Shapley (Shapley-Shubik) y de Banzhaf, dando
antes la definición de un juego cooperativo.
Juego cooperativo (Amer et al. 2003, 108): Un juego cooperativo es un par Γ ≡ (N, v), donde N es un conjunto de jugadores
(también llamada gran coalición) y v ∶ 2N → ℝ es una función característica (donde 2N denota el conjunto potencia de N) el cual asigna a cada coalición de jugadores un
pago o valor, con v(∅) = 0.
Índice de Shapley (IS) (Gilles 2010, 75): Sea Γ = (N, v) un juego cooperativo, con N = {1, 2, ..., n} el conjunto de jugadores
y v su función característica. Denótese con S = {n1, n2, ..., nk }, 1 ≤ nj ≤ n, una coalición en N, con n = |N| y s = |S|. El índice de Shapley (IS) se define
como:
En este índice de estabilidad14 se le da la misma probabilidad de ocurrencia a la formación de las coaliciones de
tamaño s = |S| y donde
Así, Si es el valor esperado de la contribución marginal del jugador i cuando todos los órdenes
de formación de la coalición son igualmente probables. Como se puede observar, dicho
índice depende de las combinaciones del tamaño de las diferentes coaliciones de las
que el jugador i puede formar, pero sin contarse a él mismo, por ello es que se considera n - 1Cs - 1.
Existen otras formas de presentación del valor de Shapley, como el que se muestra
en Peleg y Sudholter (2007, 154) y en Gilles (2010, 72), además de otras formas más generales (como la formulación probabilística) que se puede consultar también en Gilles (2010, 75).
Índice de Banzhaf (IB) (Sánchez 1994, 103): En un juego cooperativo (N, v), como el de la definición anterior, para todo n
existe una función β tal que:
A βi(v ) se le llama el índice de Banzhaf (IB) correspondiente al i-ésimo jugador.
Es importante señalar que, cuando se aplican a juegos de mayoría ponderada (definidos
enseguida), el índice de Shapley es más apropiado cuando todos los jugadores tienen
un valor común al juzgar una propuesta. Por su parte, el índice de Banzhaf se ajusta
más cuando todos los jugadores tienen su propio valor al juzgar una propuesta determinada.
Juego cooperativo simple (JS) (Peleg y Sudholter 2007, 16-17): Un juego cooperativo simple o juego simple (JS) v, es aquel donde para toda coalición S ⊆ N se tiene que:
-
i) v (S) = 0 o v (S) = 1,
-
ii) v (N) = 1,
-
iii) v (S)) ≤ v (T ), ∀ S,T ⊆ N tal que S ⊆ T.
Todo juego simple (JS) está determinado por la colección de coaliciones ganadoras
(W)15 como sigue:
Se puede deducir que N ∈ W y ∅ ∉ W en todo juego v ; además, si S ⊆ T y S ∈ W ⇒ T ∈ W.
Con base en la segunda observación, se puede acotar aún más al juego v considerando solo la colección de coaliciones mínimas ganadoras (Wm)16 como sigue:
Clasificación de JS (Peleg y Sudholter 2007, 17): Sea (N,v ) un JS con W su colección de coaliciones ganadoras. Se tiene entonces la siguiente
clasificación.
-
El JS es propio si S ∈ W ⇒ N ∖ S ∉ W;
-
El JS es fuerte si S ∉ W ⇔ N ∖ S ∈ W;
-
El JS es débil si V = ∩S∈W S ≠ ∅;
-
El JS es dictatorial si ∃ j ∈ N tal que S ∈ W ⇔ j ∈ S.
A los miembros de v en el caso 3) de la definición anterior se les denomina jugadores con veto y al jugador j en el caso 4) se le llama dictador.
Juego de mayoría ponderada (JMP) (Peleg y Sudholter 2007, 17): Un juego de mayoría ponderada (JMP) es un caso particular de un juego simple. El
juego v es de mayoría ponderada si existe una distribución de pesos w1, w2, ..., wn entre los jugadores y una cantidad de mayoría o cuota (q) tales que:
con w(S) = ∑i∈Swi , ∀ S ∈ W.
Usualmente, un JMP se representa por v ≡ [q; w1, w2, ..., wn].
Índice de Shapley-Shubik (ISS) (Amer et al. 2003, 121): El índice de Shapley-Shubik (ISS) es el IS restringido a juegos simples para cada
jugador i, i. e., es un índice SSi = Si | JS con las siguientes características:
-
El jugador i es nulo ⇔ SSi = 0 ⇔ i ∉ S, ∀ S ∈ Wm ;
-
Los jugadores i y j son equivalentes ⇔ SSi = SSj ⇔ si aparecen de manera simétrica en Wm ;
-
Existe eficiencia
⇔
∑
i
=
1
n
S
S
i
=
1
.
Valores coalicionales
Se puede dar una generalización del valor de Shapley mediante estructuras de coalición.
En el valor coalicional de Owen se encuentra dicha generalización, del cual, a partir
de un caso particular, se puede deducir el índice de Shapley. Se desarrolla a continuación
dicho valor coalicional junto con el valor de Aumann-Dreze.
Como se trabajará con “estructuras de coaliciones” en N, se necesitará la definición
de una “partición de un conjunto” y la definición de un “conjunto cociente”. Se explica
esto enseguida, definiendo para ello algunos conceptos pertinentes:
Conjunto de índices (Munkres 2000, 25): Un intervalo o conjunto de índices es un conjunto finito o infinito de números
naturales o reales y se denota como I.17
Partición de un conjunto (Munkres 2000, 23): Sea A ⊆ ℝn un conjunto no vacío. Una partición P del conjunto A es una familia de subconjuntos
que cumple lo siguiente:
-
P = {Ai : i ∈ I }, para algún intervalo I,
-
∀ i ∈ I, Ai A y Ai ≠ ∅,
-
∀ i ≠ j, Ai ∩ Aj = ∅,
-
⋃
i
∈
I
A
i
=
A
Ejemplo: sea A como en la Figura 1.
Figura 1
Partición de un conjunto finito.
![2448-5705-interdi-12-32-245-gf1.png](https://revistas.unam.mx/index.php/inter/article/download/87013/77025/269737)
El conjunto finito A está formado por los subconjuntos Aj , j = 1, ..., 5.
Fuente: Elaboración propia.
En este ejemplo se tiene que:
-
P = {Ai : i ∈ I}, con I = {1, 2, 3, 4, 5},
-
A1,...,A5 ⊆ A, Aj ≠ ∅,
-
A1 ∩ A2 = ∅ ,...,A4 ∩ A5 = ∅,
-
A
=
⋃
i
=
1
A
i
Número de particiones de un conjunto (Rota 1964, 500): Sea A un conjunto finito y n = |A|, es decir A es de la forma: A = {a1 ,..., an}. Al número de particiones de A (o equivalentemente el número de relaciones de equivalencia
en el mismo) se le llama el número de Bell.18 Comenzando con B0 = B1 = 1, los números de Bell satisfacen la siguiente fórmula recursiva:19
Ejemplo: el conjunto A = {1, 2, 3} tiene 5 particiones posibles: P1 = {A1, A2, A3} = {{1}, {2}, {3}}; P2 = {{1, 2}, {3}}; P3 = {{1, 3}, {2}}; P4 = {{1}, {2, 3}}; P5 = {{1, 2, 3}}; ello coincide con el tercer número de Bell (B3) si se usa la forma recursiva anterior.
Relación de equivalencia (Shick 2007, 25-26): Sea K un conjunto, K ≠ ∅. Una relación binaria definida sobre K, R, es una relación
de equivalencia si cumple con las siguientes propiedades:
-
a) Reflexibilidad: todo elemento x ∈ K está relacionado consigo mismo, i. e.: ∀ x
∈ K ⇒ xRx.
-
b) Simetría: si un elemento de K está relacionado con otro, ese otro también
-
está relacionado con el primero, i. e.: ∀ x, y ∈ K, si xRy ⇒ yRx.
-
c) Transitividad: si un elemento está relacionado con otro y este con un tercero,
entonces el primero y el tercero también lo están, i. e.: ∀ x,y,z ∈ K: xRy ∧ yRz ⇒
xRz.
Notación: Una relación de equivalencia (∼) sobre K se denota como: (K,∼).
Clase de equivalencia (Shick 2007, 26): Dado un elemento a ∈ K, el conjunto dado por todos los elementos relacionados con
a define la clase:
A la relación (1) se le llama la clase de equivalencia asociada con el elemento α y a α se le denomina representante de la clase.
Se puede observar que R define subconjuntos disjuntos20 en K, dichos subconjuntos son precisamente las clases de equivalencia. Al número
de clases que genera una relación de equivalencia se le llama el orden de la clase y si este es finito, se dice que R es de orden finito.
Conjunto cociente (Shick 2007, 27): Al conjunto de todas las clases de equivalencia se le denomina conjunto cociente
y se suele denotar como: K/R o K/∼.
Nota: se puede ver a K/R como un conjunto de subconjuntos: K/R = {[a1], ..., [ak]}.
Se puede demostrar que una relación de equivalencia R sobre un conjunto K ≠ ∅ induce
una partición de este, y una partición de K determina una relación de equivalencia
en este.
Ejemplo de relaciones de equivalencia: la igualdad matemática en K = R. Esta igualdad
se puede escribir como: aRb ⇔ a - b = 0 ⇔ a = b.
Es así como se han presentado los conceptos necesarios para definir a los valores
coalicionales.
Estructura de coaliciones (Carreras 1992, 5): Una estructura de coaliciones en N es una partición de la forma: B ≡ {N1, N2, ..., Nm}, donde m ≤ n = |N| y con:
-
i) Ni ≠ ∅, ∀ i = 1, ..., m,
-
ii) Ni ∩ Nj = ∅, ∀ i ≠ j,
-
iii)
⋃
i
=
1
m
N
i
=
N
.
Con esta definición basta para presentar al primer valor coalicional.
Valor de Aumann-Dreze (VAD) (Parilina y Sedakov 2015, 4-5): Dada la estructura de coaliciones B ≡ {N1, N2, ..., Nm}, para cada jugador i ∈ N se define el valor de Aumann-Dreze (VAD) como sigue:
donde se retoman los valores que arroja la función característica v (respecto a un JMP, por ejemplo) y donde B(i) es aquella coalición Nj tal que contiene al jugador i.
El VAD cumple con los mismos axiomas que el valor de Shapley, pero donde la eficiencia
es relativa, pues para cada estructura de coalición de la forma B ≡ {N1, N2, ..., Nm}, se tiene que
∑
j
∈
N
k
ϕ
j
B
=
v
(
N
k
)
para 1 ≤ k ≤ m.21
Para el segundo valor coalicional se define tanto el conjunto como el juego cociente.
Conjunto cociente (Carreras 1992, 5): Definiendo a j como el representante de Nj, j = 1, 2,..., m, se define al conjunto cociente de N con respecto a la partición
(o relación de equivalencia) B, como:
En la última igualdad se hace un abuso de notación, por lo pronto se hace solo para
simplificar al conjunto cociente y para que se obtenga algo congruente con las definiciones
posteriores.22
Juego cociente (JC) (Carreras 1992, 5): Dado un juego v sobre N, el juego cociente (JC) vB sobre M se define por:
Proposición (Carreras 1992, 5):
Si v es simple ⇒ vB es simple. Si v es de mayoría ponderada ⇒ vB es de mayoría ponderada.
Demostración:
Se sigue que, al ser M formado por elementos de N, se heredan las propiedades de v, ya sea éste un juego simple o de mayoría ponderada.
Sea GN el conjunto de todos los juegos posibles en N (todos los v’s posibles). Sea BN el conjunto de todas las estructuras de coaliciones en N (todas las B’s posibles). El valor coalicional es la única aplicación: ϕ∶ GN × BN → ℝn, que asocia a cada juego v sobre N y a cada estructura de coaliciones B en N un vector de la forma:
y que satisface los siguientes axiomas:
-
1) Eficiencia. Para toda B ∈ BN:
-
a)
∑
i
∈
N
ϕ
i
V
;
B
=
v
(
N
)
-
b) ϕi (v ; B) = 0, ∀ jugador i nulo en v.
-
2) Simetría. Si los jugadores i y k son indiferentes en v y pertenecen a la misma subcoalición23 Nj, entonces:
-
ϕ
i
v
;
B
=
ϕ
k
[
v
;
B
]
.
-
3) Simetría en el cociente. Si j y h son indiferentes en el juego cociente vB, entonces:
-
∑
i
∈
N
j
ϕ
i
[
v
;
B
]
=
∑
k
∈
N
h
ϕ
k
[
v
;
B
]
.
-
4) Aditividad. Para todo v, v’ ∈ GN y para toda B ∈ BN:
-
ϕ
[
v
+
v
’
;
B
]
=
ϕ
[
v
;
B
]
+
ϕ
[
v
’
;
B
]
.
Una fórmula explícita del valor coalicional es la propuesta por Owen (1977), dada en la siguiente definición:
Valor coalicional de Owen (VCO) (Carreras 1992, 6): Sea N ∈ GN, B ∈ BN una partición de N y M el conjunto cociente de B con las definiciones explícitas
de estos conjuntos antes expuestas. Si i ∈ Nj entonces:
donde j ∉ H ⊆ M, i ∉ K ⊆ Nj, Q = ⋃r∈HNry m, h, k y nj son los cardinales respectivos de M, H, K y Nj. A cada valor ϕi se le denomina el valor coalicional de Owen (VCO) para el i-ésimo jugador.
Es importante señalar que en la definición anterior se debe considerar al conjunto
vacío tanto para K como para H (y por tanto para Q). Además, si solo existe una subcoalición
N1, la forma en que se debe tomar a B es la siguiente: B = {J1, J2, J3, ..., Jm} donde Js, s = 2, ..., m, son los jugadores que no están contemplados en N1 los cuales van en coalición unitaria; por supuesto, puede haber más de una coalición
no unitaria (más de una N1). En todos los casos se debe poner a M de la forma: M = {1, ..., m} para que la unión
de subcoaliciones en Q sean las correctas.24
Entonces, ϕi es el valor esperado de la contribución marginal del jugador i cuando solo se consideran,
con igual probabilidad, los órdenes de formación de la coalición total en los que
aparecen juntos los miembros de cada Nr para r = 1, 2, ..., m.
Se trata así de una analogía con el valor de Shapley (en particular con la forma presentada
en la ecuación (2) solo que se hace en dos partes: i) valoración local (VL), donde
se valora a cada jugador i de forma local, dentro de su subcoalición correspondiente
(su Nj) y que se ve reflejado en la parte de las K’s, y, ii) valoración global (VG), donde se muestra la valoración de cada subcoalición
en una forma global dentro del juego cociente (dentro de M), es decir, donde se toma
a cada Nj como jugador individual, cuya participación se representa en la parte de las H’s (y por consecuencia en las Q’s ). Así, la ecuación (2) puede dividirse de la siguiente manera:
Cuando la estructura de coaliciones es trivial, es decir, B = {N}, el valor coalicional
se reduce al valor de Shapley. Lo anterior puede comprobarse de manera sencilla si
se hacen las simplificaciones correspondientes en la ecuación (2) con la estructura
B = {N}. En este caso la VL de cada jugador i es sobre sí mismo y la VG de cada Nj (que es igual a j) se hace sobre el conjunto M = N.
Autores como Carreras (1992) coinciden en que mediante la interpretación probabilística del valor coalicional
no debe haber dificultad en extenderlo a estructuras de orden superior en el caso
de que alguna Nj ∈ B contenga a, su vez, una subestructura de coaliciones. En este sentido el proceso
puede continuar “hacia el interior” con la única limitación de la indivisibilidad
de los jugadores en el juego original.
Cuando se aplica el valor coalicional a un juego simple, se obtienen resultados en
porcentajes (análogo al ISS) solo que en este caso no tiene algún nombre en específico.
Este tipo de estructuras de coalición se utilizan en juegos más dinámicos como lo
son los juegos estocásticos (véase, por ejemplo, Parilina y Sedakov (2015)).
Para finalizar esta primera parte del trabajo, en la Tabla 1 se presentan las ventajas y desventajas de los índices de poder abordados.25
Tabla 1
Ventajas y desventajas de los índices de poder de decisión.
Índice
|
Ventajas
|
Desventajas
|
Individuales
|
ISS
|
Apropiado para juzgar una propuesta donde los jugadores tienen una misma valoración
de las propuestas.
Más indicado si hay una gama de opiniones sobre la mayoría de cuestiones de las que
han de decidir los votantes.
|
No adecuado cuando no hay consenso de los jugadores al juzgar las propuestas.
Menos apropiado si no hay variedad de opiniones. Puede ocurrir que al aumentar el
número total de votantes el índice de un votante aumente, aunque su fracción de votos
disminuya.
|
IB
|
Más apropiado para juzgar una propuesta donde los jugadores tienen su propia valoración
de las propuestas.
Más apropiado si la pregunta no admite un conjunto amplio de opiniones.
Más indicado si se requiere dar más importancia a las coaliciones ganadoras, pues
toma en cuenta el número de dichas coaliciones a las que pertenece un votante y que
perderían si este desertase.
|
Menos apropiado para grupos de jugadores donde exista un consenso en las propuestas.
Menos adecuado si existe variedad de opiniones. Es más sensible que el ISS ante pequeños
cambios en la distribución de pesos de los jugadores.
|
Coalicionales
|
VAD
|
Toma en cuenta la estructura de coaliciones de un juego.
|
Tiene una eficiencia relativa en comparación con el ISS.
|
VCO
|
Toma en cuenta la estructura de coaliciones de un juego.
A diferencia del VAD, existe una valoración al interior de la coalición, además de
una valoración externa con las demás coaliciones de las cuales un jugador no forma
parte.
Representa una generalización del ISS.
|
Complejidad en su construcción y, por ende, en su cálculo con respecto a los índices
individuales y el VAD.
|