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文檔簡介

第四草気全信息動(dòng)態(tài)博弈更為現(xiàn)實(shí)的考慮是將靜態(tài)博弈動(dòng)態(tài)化,動(dòng)態(tài)化后,納什均衡這一概念是否仍然有效呢?答案是部分有效的。如果不存在動(dòng)態(tài)不一致,那么納什均衡在完全信息動(dòng)態(tài)博弈中仍不失為一個(gè)有用的均衡概念,但納什均衡概念本身并不能保證不出現(xiàn)動(dòng)態(tài)不一致,為了克服這一點(diǎn)在納什均衡的基礎(chǔ)上生產(chǎn)了所謂子博弈完美均衡。而這一章,我們將圍繞這子博弈完美均衡來展開。第一節(jié)完美信息與完全但不完美信息完全信息動(dòng)態(tài)博弈可以分為兩類,即完美信息與完全但不完美信息。所謂的完美信息博弈,是指博弈中的后行動(dòng)者始終能夠觀察到前行動(dòng)者的行動(dòng),因而動(dòng)態(tài)博弈中不存在參與者同時(shí)行動(dòng)這樣的情況。而完全但不完美信息博弈,則指動(dòng)態(tài)博弈中,至少存在兩個(gè)參與者同時(shí)行動(dòng)的情況,因而“后行動(dòng)者”無法觀察到“前行動(dòng)者”的行動(dòng)。我們不妨用兩個(gè)例子來加以說明。例4.1動(dòng)態(tài)囚徒困境囚徒1圖4-1動(dòng)態(tài)囚徒困境例4.2取消管制政府1和2進(jìn),進(jìn)進(jìn),退退進(jìn)退,退圖4-2取消管制與圖4-2完全等價(jià)的表示方法見圖 4-3

政府圖4-3取消管制定義4.1完美信息動(dòng)態(tài)博弈就是不存在同時(shí)行動(dòng)的完全信息動(dòng)態(tài)博弈。顯然,運(yùn)用策略式來描述動(dòng)態(tài)博弈會(huì)非常不便,特別是當(dāng)信息不完全時(shí)更是如此,為了更簡便地描述動(dòng)態(tài)博弈,我們將引入一種新的博弈表達(dá)式擴(kuò)展式。第二節(jié)動(dòng)態(tài)博弈的擴(kuò)展式我們把博弈中所有從開始到結(jié)束的行動(dòng)序列稱為全歷史(Terminalhistory),而用參與者函數(shù)來表示在每一個(gè)全歷史上,在博弈進(jìn)行到某個(gè)階段時(shí)誰來行動(dòng)。因而要完整地描述一個(gè)動(dòng)態(tài)博弈,必須具備四個(gè)要素:(1)參與者集合;(2)全歷史集合;(3)參與者函數(shù);(4)偏好。如果我們把全歷史表示成一個(gè)行動(dòng)序列(a1,a2,…,aK)(K為自然數(shù),當(dāng)K時(shí),就表示無窮動(dòng)態(tài)博弈),那么(a1,a2,…,am),其中mk,就稱為全歷史(a1,a2,…,aK)的子歷史(Subhistory)。當(dāng)m<K時(shí),(a1,a2,…,am)就是全歷史(a1,a2,…,aK)的真子歷史(Propersubhistory)。顯然,在博弈開始前的歷史是一個(gè)空歷史(Emptyhistory),因而空歷史是所有全歷史的真子歷史。今后我們將用來表示空歷史,用h來表示子歷史,而用H來表示全歷史的集合,而P則表示參與者函數(shù)。定義4.2完全信息動(dòng)態(tài)博弈的擴(kuò)展式為{N,H,P,u},其中N為參與者集合,H為博弈的全歷史集合,即H={(a1,a2,…,aK)},其中K為博弈從開始到結(jié)束依次發(fā)生的行動(dòng)次數(shù),行動(dòng)序列中的每一個(gè)a都為向量。P為參與者函數(shù),即P(h)={i:i€N},hH。u為收益函數(shù),表示博弈參與者的偏好。與博弈的基本式相比,擴(kuò)展式?jīng)]有直接給出博弈參與者的行動(dòng)集合,原因在于擴(kuò)展式已經(jīng)隱含地定義了各參與者在行動(dòng)時(shí)有些什么樣的行動(dòng)可供選擇,根據(jù)全歷史和參與者函數(shù),能很容易地得到各參與者的行動(dòng)集合。在歷史h之后,參與者P(h)所有可能的行動(dòng)集合定義為Ap(h)(h)={ap(h):(h,a)是一個(gè)子歷史,ap(h)是行動(dòng)向量a的第P(h)個(gè)元素}例如,在取消管制博弈中,根據(jù)全歷史集合H和參與者函數(shù)p()=政府,P(取消)={1,2},可知A()={維持,取消},即政府有兩個(gè)行動(dòng)一一維持和取消;Ai(取消)={進(jìn),退}和A2(取消)={進(jìn),退},即兩個(gè)企業(yè)各有兩個(gè)行動(dòng)——進(jìn)和退。需要注意的是,在完美信息下,擴(kuò)展式有三個(gè)地方與完全但不完美信息不同。首先,歷史h由行動(dòng)向量序列變?yōu)樾袆?dòng)序列,例如,在取消管制中,歷史(取消, [進(jìn),進(jìn)])是一個(gè)向量序列,因?yàn)槠髽I(yè) 1和企業(yè)2是同時(shí)行動(dòng)的,如果改成企業(yè)2后行動(dòng),那么就變成(取消,進(jìn),進(jìn)),也就是由一個(gè)向量序列便成了單值序列,意思也完全不一樣了。其次,參與者函數(shù)P(h)都是單點(diǎn)映射,對(duì)應(yīng)著唯一一位參與者。最后,就是行動(dòng)集合A可以省略下標(biāo),因?yàn)锳(h)={a:(h,a)是一個(gè)子歷史}?,F(xiàn)在我們將例4.1和例4.2的擴(kuò)展式表達(dá)如下:例4.1動(dòng)態(tài)囚徒困境的擴(kuò)展式為{N,H,P,u},其中參與者集合:囚徒1和囚徒2,N={1,2}。全歷史集合:招供為C,沉默為S,H={(C,C),(C,S),(S,C),(S,S)}。(3)參與者函數(shù):P()=1,P(C)=P(S)=2。(4)偏好:對(duì)于囚徒1而言,最好的歷史是(C,S),其次為(C,C),然后為(S,S),最倒霉的歷史為(S,C)。對(duì)囚徒2而言,最好的歷史是(S,C),其次為(C,C),第三為(S,S),最差為(C,S)。例4.2取消管制的擴(kuò)展式為 {N,H,P,u},其中(1)參與者集合:政府,企業(yè)1和企業(yè)2,N={1,2,3}。全歷史集合:維持為C,取消為D,進(jìn)入為E,退出為Q,那么全歷史集合H={(C),(D,[E,E]),(D,[E,Q]),(D,[Q,E]),(D,[Q,Q])。參與者函數(shù):P()=1,P(D)={2,3}。(4)偏好:對(duì)于政府而言,根據(jù)五個(gè)歷史對(duì)應(yīng)的社會(huì)福利進(jìn)行排序,對(duì)于企業(yè)1和企業(yè)2而言,則為五個(gè)歷史對(duì)應(yīng)的利潤排序。例4.3進(jìn)入博弈在一個(gè)壟斷行業(yè),已經(jīng)存在一個(gè)壟斷企業(yè),我們將其稱為在位者,現(xiàn)在有一個(gè)新的企業(yè)決定是否進(jìn)入該行業(yè),我們將其稱為挑戰(zhàn)者。挑戰(zhàn)者首先行動(dòng),決定進(jìn)入(E)或是退出(Q),如果挑戰(zhàn)者進(jìn)入,那么在位者將決定是與挑戰(zhàn)者和平共處 (A)還是戰(zhàn)斗(F)。其博弈的擴(kuò)展式{N,H,P,u}如下:參與者集合:挑戰(zhàn)者和在位者, N={1,2}。全歷史集合:H={(Q),(E,A),(E,F)}。參與者函數(shù):P()=1,P(E)=2。偏好:如果挑戰(zhàn)者退出,那么挑戰(zhàn)者得到 0的利潤,而在位者得到3的利潤;如果挑戰(zhàn)者進(jìn)入,那么如在位者選擇戰(zhàn)斗,有可能兩敗俱傷,挑戰(zhàn)者的利潤為-1,在位者的利潤為0,如果在位者選擇和平共處,那么挑戰(zhàn)者得2的利潤,而在位者得1的利潤。因而,挑戰(zhàn)者偏好歷史(E,A)>(Q)>(E,F),而在位者偏好歷史(Q)>(E,A)>(E,F)。其擴(kuò)展式也可用博弈樹來加以描述,如圖4-4所示。ALF ?3)(2,1)(-1,0)圖4-4進(jìn)入博弈例4.4蜈蚣博弈該博弈有兩位參與者。當(dāng)參與者1行動(dòng)時(shí),他將決定是結(jié)束博弈

還是繼續(xù),如果結(jié)束博弈,那么參與者 1得2,參與者2得0;如果繼續(xù)博弈,那么輪到參與者2決定是結(jié)束博弈還是繼續(xù),如果結(jié)束博弈,那么參與者1得3,參與者2得1;如果繼續(xù)博弈,那么輪到參與者1行動(dòng),如果他選擇左(L),那么參與者1得1,參與者2得2,如果他選擇右(R),那么兩人都得0。該博弈的擴(kuò)展式其博弈的擴(kuò)展式 {N,H,P,u}如下:(1)參與者集合:N={1,2}。全歷史集合:繼續(xù)為C,結(jié)束為D,H={(D),(C,D),(C,C丄),(C,C,R)}。參與者函數(shù): P()=1,P(C)=2,P(C,C)=1。偏好:如果全歷史為(D),那么參與者1得2,而參與者2得0;如果全歷史為(C,D),那么參與者1得3,參與者2得1;如果全歷史為(C,C,L),那么參與者1得1,參與者2得2;如果全歷史為(C,C,R),那么兩人都得0。參與者1最偏好歷史(C,D),而參與者2最偏好歷史(C,C,L)。該擴(kuò)展式如圖4-5所示。C DC D(1,2)(3,1)(0,0)圖4-5蜈蚣博弈(2,0)第三節(jié)策略和結(jié)果策略是“萬全之策”,而不再是單純的行動(dòng),如何理解這句話呢?1、動(dòng)態(tài)囚徒困境中囚徒2的策略表4-1囚徒2的四個(gè)策略假如囚徒1選擇招供假如囚徒1選擇沉默策略1選擇招供選擇招供策略2選擇招供選擇沉默策略3選擇沉默選擇招供策略4選擇沉默選擇沉默2、蜈蚣博弈中參與者1的策略關(guān)鍵是理解DL,DR也是策略。所以說,策略是一個(gè)“萬全之策”。定義4.3對(duì)于博弈{N,H,p,u},參與者P(h)的一個(gè)策略Sp(h)(h)就是一個(gè)函數(shù),它將每一個(gè)可能的歷史h映射成行動(dòng)空間Ap(h)(h)中的一個(gè)行動(dòng)ap(h)。上述策略的定義實(shí)際上就是指當(dāng)歷史進(jìn)行到某個(gè)階段時(shí),當(dāng)輪到參與者i行動(dòng)時(shí),規(guī)定了他如何行動(dòng)。例如,在蜈蚣博弈中,對(duì)于參與者1而言,一個(gè)策略就是當(dāng)歷史為空歷史時(shí),規(guī)定了參與者1如何行動(dòng),當(dāng)歷史為(C,C)時(shí),規(guī)定了參與者1又如何行動(dòng),因而DL和DR就是參與者1的策略,至于歷史(C,C)會(huì)不會(huì)發(fā)生那是另外一個(gè)問題,策略所要求的就是一旦出現(xiàn)了某個(gè)歷史我應(yīng)該如何做,而不能出現(xiàn)不知所措的情況。通過上面的說明我們看到,有什么樣的策略組合就會(huì)有什么樣的歷史,但歷史并不等于策略。為此,我們引入結(jié)果函數(shù),即對(duì)于任意sS,存在某個(gè)hH,使得0(s)=h。參與者的收益函數(shù)u就是定義在結(jié)果上的函數(shù)。例如,在蜈蚣博弈中,可知參與者1有四個(gè)策略CL、CR、DL和DR,參與者2有兩個(gè)策略C和D,因而策略組合有8個(gè),其相應(yīng)的結(jié)果函數(shù)為0(CL,C)=(CCL)u1(0(CL,C))=1和u2(0(CL,C))=2;0(CR,C)=(CCR)u1(0(CR,C))=0和u2(0(CR,C))=0;0(Cx,D)=(CD)u1(0(Cx,D))=3和u2(0(Cx,D))=1;0(Dx,x)=(D) u1(0(Dx,x))=2和u2(0(Dx,x))=0。其中x代表任意行動(dòng)。上面的結(jié)果函數(shù)給了我們兩點(diǎn)啟示:一是,要得到全歷史實(shí)際上只需行動(dòng)計(jì)劃就可以了,不一定需要去考察所謂

的“完全之策”,例如,0(D,x)=D=O(Dx,x)是一樣的,這樣做的好處是能夠簡化分析,但在觀念上,我們必須牢記策略是“萬全之策” 。二是,圖4-5的蜈蚣博弈實(shí)際上與圖4-6中的博弈完全等價(jià),這就更為直觀地指出了策略DL和DR的性質(zhì)。實(shí)際上,湯普森(Thompson,1952)論證了對(duì)于任意兩個(gè)等價(jià)的擴(kuò)展式博弈,至少存在 4種轉(zhuǎn)換方式,通過轉(zhuǎn)換,可以把復(fù)雜的擴(kuò)展式博弈變成最簡單的形式去分析。(0,0)(2,0)圖4-6與蜈蚣博弈等價(jià)的博弈(1,2)(0,0)(2,0)圖4-6與蜈蚣博弈等價(jià)的博弈(1,2)(2,0)第四節(jié)納什均衡與子博弈完美均衡一、納什均衡納什均衡概念的核心就在于,每一個(gè)參與者的策略都是給定其他參與者策略下的最優(yōu)反應(yīng),并且對(duì)任意參與者成立。即便博弈是動(dòng)態(tài)的,這一點(diǎn)也不會(huì)改變。那么,將靜態(tài)博弈中的納什均衡概念運(yùn)用到動(dòng)態(tài)博弈中應(yīng)該是一個(gè)不錯(cuò)的思路,盡管這樣做可能存在問題。定義4.4擴(kuò)展式博弈{N,H,P,u}的納什均衡是一個(gè)策略組合s*S,使得對(duì)任一參與者iN,siSi,不等式ui(O(si*,si*))ui(O(si,si*))成立。由于有什么樣的策略就會(huì)有什么樣的結(jié)果,因而收益函數(shù)又可直接看作是策略的函數(shù),這樣動(dòng)態(tài)博弈{N,H,P,u}接看作是策略的函數(shù),這樣動(dòng)態(tài)博弈{N,H,P,u}就有了與之等價(jià)的策略式博弈定義4.5G={N,S,u}稱為完全信息動(dòng)態(tài)博弈 {N,H,P,u}的策略式(或基本式),其中S就是動(dòng)態(tài)博弈 {N,H,P,u}定義的策略空間,并且u(s)=u(0(s))圖4-7完美動(dòng)態(tài)博弈圖4-7所示的完美動(dòng)態(tài)博弈的策略式是什么呢?其策略式G={N,S,u}如下:

參與者集合:N={1,2};策略集合:S={{L,R},{C1C2,Cid2,diC2,did2}};偏好:Ui(L,ciC2)=2,U2(L,ciC2)=1,其他依次類推。相對(duì)應(yīng)的博弈矩陣如圖4-8所示。參與者2L參與者1RL參與者1R2,12,14,24,25,23,35,23,3C1C2 Cid2 diC2 did2圖4-8動(dòng)態(tài)博弈的策略式根據(jù)納什均衡的定義,易知該動(dòng)態(tài)博弈存在兩個(gè)納什均衡:(R,Cid2)和(L,did2)0對(duì)于均衡(R,Cid2),只要我們稍加考察,就會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)納什均衡含有不合理的因素,在現(xiàn)實(shí)中根本不會(huì)出現(xiàn),原因就在于參與者2在歷史(L)“威脅”出ci是不可置信的,因?yàn)槌鰀i要比出ci優(yōu)(2>1)。之所以出現(xiàn)這種情況,是由于當(dāng)參與者1的策略為R時(shí),歷史進(jìn)行到L的可能性為零,因此參與者2在歷史L下無論采取什么行動(dòng)都不會(huì)對(duì)他的最終收益造成影響。這意味著,納什均衡這個(gè)概念對(duì)參與者 2在不可能發(fā)生的歷史L下如何選擇并未做出規(guī)定,參與者2就有可能亂選(像一個(gè)非理性的人一樣),而納什均衡本身假設(shè)參與者是理性的,這就造成參與者2的策略是動(dòng)態(tài)不一致的(Dynamicinconsistent)。一個(gè)動(dòng)態(tài)不一致的策略肯定不會(huì)是一個(gè)最優(yōu)的策略。我們也可以這樣來理解參與者2的行動(dòng),參與者2之所以威脅當(dāng)參與者1出L時(shí),他要選擇ci,目的在于通過威脅使參與者1選擇有利于參與者2的R,因?yàn)樵趨⑴c者1選擇R下,參與者2通過選擇d2,能得到3的報(bào)酬,明顯好于當(dāng)參與者1選L,參與者2選di時(shí)的收益2。但我們要問的是,如果參與者1不顧參與者2的威脅而選擇了L,參與者2可能會(huì)出&嗎?在參與者2為理性是公共信息的條件下,參與者2選擇c1的報(bào)酬為1,而選擇d1的報(bào)酬為2。由于d1要優(yōu)于c1,因而參與者1沒有理由相信參與者2會(huì)實(shí)施他的威脅,也就是說,參與者2的策略Cid2是一個(gè)不可置信的威脅。如果威脅成真,Cld2就是一個(gè)動(dòng)態(tài)不一致的策略,因?yàn)閰⑴c者2事前是理性的,但在博弈進(jìn)行到(L)時(shí),他卻成了一個(gè)非理性的人(選擇了 Ci,而不是di)。出現(xiàn)上述問題的原因,在于一個(gè)納什均衡只要求在博弈的總體上,參與者的策略須為均衡,而對(duì)博弈進(jìn)行到某個(gè)部分時(shí)是否仍為均衡沒有要求,這就可能導(dǎo)致總體和局部的沖突,產(chǎn)生不合理的結(jié)果。要消除動(dòng)態(tài)博弈中的不可置信威脅,就需一個(gè)比納什均衡更強(qiáng)的均衡概念。它不僅在整個(gè)博弈中是均衡的,而且在局部也是均衡的;不但在現(xiàn)在是均衡的,在將來也應(yīng)是均衡的。只有滿足這個(gè)要求,博弈的參與者才能實(shí)現(xiàn)策略的動(dòng)態(tài)一致性,這就導(dǎo)致了子博弈完美均衡概念的產(chǎn)生。二、子博弈完美均衡最早由經(jīng)濟(jì)學(xué)家塞爾騰(Selten)在1965年提出。定義4.6完全信息動(dòng)態(tài)博弈{N,H,P,u}的一個(gè)子博弈就是一個(gè)完整的動(dòng)態(tài)博弈(h){Ns,Hs,Ps,us},其具有如下特征:(1)參與者集合NsN;(2)給定真子歷史h,對(duì)于任意行動(dòng)序列 h*,(h,h*)H,而Hs={h*};(3)Ps=P和us=u例,如圖4-9圖4-9存在著5個(gè)子博弈圖4-9所示博弈存在5個(gè)子博弈:r(DE),r(DF),r(D),r(C)和原博弈r(N,H,P,u)o

圖4-10則給出了不是子博弈的情況。 在圖4-10中,虛線圍起來的部分不是子博弈因?yàn)樗粯?gòu)成一個(gè)完整的擴(kuò)展式博弈定義4.7在擴(kuò)展式博弈 {N,H,P,u}中,如果一個(gè)策略組合s*在所有該博弈的子博弈(h){Ns,Hs,Ps,Us}中都是納什均衡,那么我們就稱策略組合S*為子博弈完美均衡,即對(duì)任意參與者iPs和任意Si,uui(Oh(s*))ui(Oh(si,si*))成立。其中h為任意真子歷史,Oh(?)為子博弈(h)的結(jié)果函數(shù)。根據(jù)定義4.7,可知子博弈完美均衡一定是納什均衡,但反之不成立。那么對(duì)于一個(gè)完全信息動(dòng)態(tài)博弈我們?nèi)绾稳デ蠼馑淖硬┺耐昝谰饽??一個(gè)一般的方法就是所謂的逆推法(BackwardInduction)。定義4.8所謂逆推法是指如下程序:第一步,從擴(kuò)展式博弈的終點(diǎn)開始,以找到該博弈的每一個(gè)最后子博弈(它不再包含任何其他更小的子博弈),然后求出納什均衡,并計(jì)算出相應(yīng)的收益。第二步,將每一個(gè)最后子博弈的起點(diǎn)變成結(jié)束點(diǎn),將計(jì)算出的每一個(gè)最后子博弈在納什均衡下的收益寫在其下方,我們就獲得了一個(gè)新的擴(kuò)展式博弈(或新的博弈樹),稱為壓縮的擴(kuò)展式博弈。這樣經(jīng)過一次壓縮,就剔除了最后子博弈。第三步,重復(fù)第一步和第二步,并重新得到一個(gè)壓縮式博弈和相應(yīng)的納什均衡。這個(gè)過程一直進(jìn)行到最后只剩下唯一一個(gè)子博弈為止,這時(shí)在逆推過程中找到的一系列子博弈的納什均衡組合就是該擴(kuò)展式博弈的一個(gè)完美均衡。第四步,如果在逆推過程中沒有遇到多重均衡,那么這個(gè)策略組合就是唯一的完美均衡;如果遇到了多重均衡,就需要對(duì)子博弈中每一個(gè)可能的均衡重復(fù)以上步驟,從而得出所有的完美均衡。比如,一個(gè)擴(kuò)展式博弈有兩個(gè)子博弈分別存在2個(gè)和3個(gè)納什均衡,其他子博弈只有1個(gè)納什均衡,那么該博弈就有2X3=6個(gè)完美均衡。例,在圖4-11所示的小蜈蚣博弈中,如果從正面求解子博弈完美均衡顯然非常困難,而用逆推法卻非常簡單。逆推到最后一個(gè)階段的結(jié)果如圖4-12(1,0)圖4-13小蜈蚣博弈的最后階段定理4.1存在性定理只要擴(kuò)展式博弈 {N,H,P,u}是有限的,即參與者有限,行動(dòng)空間有限,博弈的階段有限(不是無窮進(jìn)行下去),那么擴(kuò)展式博弈r至少存在一個(gè)子博弈完美均衡。定理4.2等價(jià)性定理{s*}為有限擴(kuò)展式博弈{N,H,P,u}的所有子博弈完美均衡的集合,{s#}為該擴(kuò)展式博弈運(yùn)用逆推法找到的所有子博弈完美均衡的集合,那么{s*}={S#},即子博弈完美均衡與逆推法是完全等價(jià)的。

例4.5—個(gè)簡單博弈的子博弈完美均衡圖4-14一個(gè)簡單博弈運(yùn)用逆推法,可得子博弈 (C)的納什均衡為F和G,子博弈(D)的納什均衡為H和J,子博弈(E)的納什均衡為L,由此可得參與者2的4個(gè)均衡策略:(FHL),(FJL),(GHL)和(GJL)。現(xiàn)在,回到原博弈,尋找原博弈的納什均衡。分四種情況:(1)給定參與者2的策略(FHL),參與者1的最優(yōu)策略為C,因而(C,FHL)為完美均衡。(2)給定參與者2的策略(FJL),參與者1的最優(yōu)策略為C,因而(C,FJL)為完美均衡。(3)給定參與者2的策略(GHL),參與者1的最優(yōu)策略有三個(gè):C,D和E。因而,完美均衡也有三個(gè):(C,GHL),(D,GHL)和(E,GHL)。(4) 給定參與者2的策略(GJL),參與者1的最優(yōu)策略為:D。因而,完美均衡為:(D,GJL)。綜上所述,即該博弈存在6個(gè)完美均衡。從上面這個(gè)例子,我們可以得出這樣一個(gè)判斷,即如果每一個(gè)全歷史的收益都不相等,那么擴(kuò)展式博弈一定存在唯一的子博弈完美均衡。命題4.1在擴(kuò)展式博弈{N,H,P,u}中,如果每一個(gè)全歷史對(duì)應(yīng)的參與者的收益都不相等,那么存在唯一的子博弈完美均衡。逆推法雖然在求解完美均衡上非常有效,但也

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