演化博弈论中迁移机制对合作影响的研究

发布时间：2018-04-12 15:37

本文选题：演化动力学 + 博弈论　；参考：《杭州电子科技大学》2017年硕士论文

【摘要】：正如M.A.Nowak在《演化动力学-探索生命方程的美》中所述,合作是除自然选择和基因突变之外的第三大生物演化动力。但是与后两者不同,合作不是从生命诞生之初就与之共存的内蕴机理,而是伴随生物的多样化、组织化而形成的自然选择结果。合作在自然界中已经广泛存在了很长时间,但这与传统生物学观点中个体受限于时间、空间和自身能力而往往倾向于做出保障自身利益的自私行为的观点相矛盾。因此,在由自私个体组成的种群之中合作是如何产生的就成为了困扰生物学、社会学等诸多领域的一道难题。而演化博弈论正是使用博弈论与数学模型来研究合作形成问题的重要理论工具。该理论经过数十年的发展,已经衍生出了亲缘选择、直接互惠、间接互惠、群体选择和网络互惠等多种可以模拟合作行为涌现过程并解释合作产生原因的机制。近年来,网络互惠的研究取得了长足发展,诸如晶格网络、无标度网络和小世界网络等空间结构已经被证实能够促进合作的形成与演化。进一步研究发现,模拟自然界生物迁徙等现象的迁移机制在某些条件下可以加速合作的形成并提高种群合作水平。目前,迁移机制研究的主要问题是如何设计迁移策略来提高种群的合作水平。晶格网络模型下已经提出了随机、趋利和自适性三种迁移策略。但是,每种迁移策略都存在缺陷,例如随机迁移策略的无条件迁移使得种群结构退化为近似无结构状态,自适应迁移只适用于个体获取的信息有限的场景,趋利迁移只考虑自身收益并使得背叛者在迁移过程中包围合作者,最终导致种群即使在完全有利于合作的条件下也不能实现纯合作。并且现有研究都将用于标准晶格博弈的更新规则套用在含迁移机制的模型中,导致无法对迁移机制的空间特性进行有效描述。此外,针对不同迁移策略的研究所使用的模型也存在差异,缺乏统一模型用于策略间的横向比较。本文针对以上问题,首先提出了一种新的更新规则,该规则将策略更新个体移动至被模仿者的相邻位置,从而模拟现实世界中的策略学习或繁殖行为。然后基于经典的囚徒博弈晶格网络模型,针对现有策略的缺点提出了避害迁移、憎恶迁移和全局迁移三种策略。最后对比了不同迁移策略在种群密度改变、引入策略突变等场景下对合作演化过程与结果的影响。实验结果表明,各种策略在解决现有问题的基础上,不同程度的提高了合作演化水平且加速了合作演化过程,其中避害策略在大多数情况下对合作演化的促进作用最强。最后针对趋利策略演化过程中促使合作者抱团的同时驱使背叛者包围合作者的问题,提出了一种基于自身收益和公平性两种因素进行行为决策的虑他迁移策略。通过对模拟实验中合作者比例变化趋势和种群分布快照的分析发现,该策略通过使个体移动到同类策略比例更大的位置避免了上述问题的发生,这使得在特定条件下种群合作演化能够达到纯合作的理想状况。并且该策略能够适应种群密度、初始化参数、策略突变率和收益矩阵等因素的变化。这说明该策略不仅解决了趋利策略中合作者被背叛者包围的问题,而且能够全面提高合作个体的适应能力。
[Abstract]:As M . A . Nowak ' s evolution dynamics - exploring life equation , the cooperation is the third big biological evolution power except natural selection and gene mutation .

【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O225

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