Consequences of distinguishability in evolutionary games  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
120785
Type K
Principal investigator Szabó, György
Title in Hungarian Megkülönböztethetőség következményei az evolúciós játékelméletben
Title in English Consequences of distinguishability in evolutionary games
Keywords in Hungarian evolúciós játékelmélet
Keywords in English evolutionary games
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)80 %
Ortelius classification: Statistical physics
Biophysics (Council of Physical Sciences)10 %
Economics (Council of Humanities and Social Sciences)10 %
Ortelius classification: Microeconomics
Panel Physics 1
Department or equivalent Institute of Technical Physics and Materials Science (Centre for Energy Research)
Participants Szolnoki, Attila
Starting date 2016-10-01
Closing date 2020-09-30
Funding (in million HUF) 23.616
FTE (full time equivalent) 6.00
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Tervezett kutatásaink analitikus folytatásai azon korábbi munkáinknak (OTKA K-73449, K-101490), amelyekben a társadalmi dilemmák hatását vizsgáltuk különböző körülmények mellett az evolúciós játékelmélet fogalmaival és eszközeivel. A statisztikus fizika módszereinek alkalmazásával most a numerikus vizsgálatainkat olyan új mechanizmusok és körülmények elemzésére terjesztenénk ki, amelyek szintén segítik a közösség számára előnyös magatartás kialakulását olyan esetekben, amikor az egyéni érdek követése az úgynevezett társadalmi tragédia állapotába hajtja a közösséget. Ezen cél érdekében kívánunk vizsgálni olyan modelleket, amelyek a valóságban is meglévő jelenségek hitelesebb számszerű elemzését teszik lehetővé, pl. kifinomultabb stratégiák használata, a nyeremények, körülmények és személyi tulajdonságok változása illetve változtatása, stb.). Ezzel párhuzamosan folytatnánk a nyereménymátrix összetevőkre bontásának segítségével kideríthető összefüggések felderítését. Ez utóbbi esetben a játékot elemi játékok (játék ön- és társfüggő nyereményekkel, koordinációs jellegű kölcsönhatások, illetve a "körbeverés"t képviselő kő-papír-olló jellegű játékok) lineáris kombinációjaként építjük fel. Ezen kölcsönhatások közül az antiszimmetrikus mátrixok okozzák a körbeverést és a társadalmi dilemmákat, amelyek hátterében egy hierarchikus dominancia rejlik. Előzetes vizsgálataink szerint ezen elemi játékok kombinációinak szisztematikus vizsgálata láthatóvá teszi azokat a különbségeket és összefüggéseket, amelyek megkülönböztetik a termodinamikai és a sokszereplős élő rendszereket.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A sokszereplős evolúciós játékok egy általáno matematikai hátteret adnak ahhoz, hogy a biológiai és társadalmi rendszereket is ugyanazokkal a módszerekkel vizsgáljuk, amelyek sikeresnek bizonyultak a szilárd testek és statisztikus fizikai jelenségek elemésében. Az utúbbi években kidolgoztunk egy módszert a potenciál játékok azonosítására. Ezek a rendszerek termodinamikai viselkedést mutatnak a dinamikai szabályok egy adott részénél. Ide tartoznak a kétstratégiás társadalmi dilemma játékok is. A társadalmi dilemmák általános tulajdonságainak elemzését kívánjuk kiterjeszteni többstratégiás játékokra. A potenciál és nem-potenciál (ciklikus dominancia) játékok szétválasztásásával vizsgálnánk a zaj hatását. Ez utóbbi rendszerek egy részhalmaza az úgynevezett sorrendi potenciál játékok közé tartozik, amelyeknél alacsony zajszintnél termodinamikai viselkedést várunk. Magas zajnál, azonban, az élő rendszerek sajátosságai (eltérés a Boltzmann eloszlástól és részletes egyensúlytól) uralják a rendszer viselkedését. Fő céljaink közé tartozik a kétféle viselkedést elválasztó határ meghatározása a nyeremények és zaj függvényében. A többstratégiás modelleknél azonosítani kívánjuk a különböző társadalmi dilemmákat, ezek forrásait és jellegzetességeit.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A sokszereplős biológiai és társadalmi modellekben a párkölcsönhatások és dinamikai szabályok makroszkopikus következményeit nem sikerült teljes egészében feltárni a paraméterek nagy száma miatt, ha a szereplők háromnál több lehetőség közül választhatnak. Ezen a nehézségen segíthet a mátrixokkal leírt kölcsönhatás elemi komponensekre bontása, amivel egy általános képet illetve magyarázatot kaphatunk az élő és élettelen rendszerek jelenségeiről. Ez a módszer jelentősen lecsökkenti a szisztematikus átvizsgáláshoz szükséges paramétertér térfogatát. Az elemi játékok kombinációinak hatását jól elkülönítve elemezhetjük ezzel a módszerrel. Az ilyen módon feltárt összefüggéseket hasznosíthatjuk az együttműködés hatékonyságának növelésénél biológiai és társadalmi rendszereknél.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Az élettelen és élő rendszerek közötti különbség akkor szembetűnő, ha azok sok kis részből tevődnek össze. A hagyományos játékelmélet nyereménymátrix fogalma lehetővé teszi olyan párkölcsönhatások következményeinek az elemzését, amelyek hiányoznak az egymástól megkülönböztethetetlen részecskék világában. A kölcsönhatást jellemző mátrix szimmetrikus része a fizikai részecskék kölcsönhatását reprodukálja, az anti-szimmetrikus rész viszont az élő rendszerek sajátos viselkedését okozza. Ez utóbbi kölcsönhatások eredményei a társadalmi dilemmák és ciklikus dominancia (körbeverés) megjelenése a biológiai és társadalmi rendszerekben. Ez utóbbi kölcsönhatások következményeit kívánjuk vizsgálni egymástól elkülönítve a modellek segítségével. Ez a megközelítés láthatóvá teszi a különböző tudományterületeken megfigyelt jelenségek közötti halonlóságokat. Ugyanakkkor a jelenségek mélyebb megértését hasznosíthatjuk a magasabb szintű együttműködés (önzetlensék)kialakítása érdekében az emberi társadalmakban.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The present project is a straightforward continuation of our previous studies (OTKA K-73449, K-101490) focused on the systematic investigations of social dilemmas under different conditions within the framework of evolutionary games. Using the tools of statistical physics the numerical analysis will now be concentrated on the explanation of new mechanisms and conditions supporting the maintenance of cooperative behavior in a society when the individual rationality dictates the choice of selfish behavior resulting in the state called 'the tragedy of the community'. For this purpose we wish to study mathematical models by introducing complex strategies and other real phenomena related to the time variation of personality, payoffs, and other external conditions. Additionally we wish to explore the advantage of matrix decomposition when the interactions are built up as linear combinations of basis games representing four types of elementary interactions (games with self- and cross-dependent payoffs, coordination type interactions between the strategy pairs, and cyclic dominance represented by the rock-paper-scissors game). Among these interactions the elementary games with anti-symmetric payoff matrices represent the inequalities that are present both in the social dilemmas and cyclic dominance. In the light of the preliminary results this approach illustrates clearly the relationships between the phenomena and interactions distinguishing the thermodynamical and living systems.

The project will be performed by two senior researchers, a research assistant, and several students.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Multi-agent evolutionary games provide a general mathematical background to study biological and social systems in the same ways as it is performed and applied successfully in solid state and statistical physics. In the last years we have developed a method to identify potential games (a subset of matrix games) that exhibits a thermodynamic behavior for a certain set of dynamical rules. This set of games involves social dilemmas which are considered previously for the two-strategy games. Now we wish to extend these investigations to clarify the presence of social dilemmas for a larger number of strategies. The present approach allows us to consider separately the results caused by the non-potential components (representing cyclic dominance) and also by the noises in the dynamical rules. Among these systems the ordinal potential games define models which show thermodynamic behavior at low noises while the main characteristics (absence of the Boltzmann distribution and detailed balance) of living systems occur at high noise levels. One of the main goal of our project is to determine the boundaries separating different behaviors both in the payoff parameters and noise level. Our efforts will be focused on models which includes different versions of social dilemmas. Besides the numerical investigations of these multi-agent systems we plan to develop methods for the quantification of the relevant features characterizing different behaviors.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
In multi-agent biological and social systems the consequences of pair interactions and dynamical rules are not yet explored completely due to the large number of parameters if the agents have more than two strategies. The present investigations can help us simplify the quantitative investigations by identifying the interaction components that exhibit similar or completely different features in the stationary states. The systematic investigations of the composition of these interaction terms (elementary games) can give a general picture of the explanation of phenomena/relationships occurring in many living and non-living multi-agent systems. This method reduces the volume of the parameter space what we need to consider systematically if we wish to map the possible behaviors. The systematic investigations of the combinations of only a few basis games make the relationships clearly visible between the interactions and their consequences for different evolutionary rules. This approach can help the identification and quantification of elementary phenomena whose mixture occurs simultaneously in a specified model developed to study the maintenance and improvement of cooperative behavior in human or biological systems.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The relevant differences between the living (biological or social) and non-living (thermodynamic) systems are well visible if these are composed of a large number of interacting small objects. The payoff matrix, a concept adopted from traditional game theory, involves quantitatively the distinction of interacting objects that are missing for particles in physical systems. More precisely, the symmetric and anti-symmetric parts of a payoff matrix describe interactions characteristic to particles and living objects. The latter components are responsible for appearance of social dilemmas and cyclic dominance in the biological and social systems. Now we wish to study the consequences of these interaction terms separately with hoping that the results give us a general picture that can be utilized for the explanation of phenomena in a wide scale of systems. This general approach helps us draw parallels between phenomena described in a wide scale of systems. In addition, the quantitative analysis of the different effects can be utilized to improve efficiency of a human society by enhancing the cooperative/altruistic behavior.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Sokszereplős evolúciós játékok matematikai tanulmányozásával kerestük azokat a folyamatokat és jelenségeket, melyek segítségével a közösség elkerülheti azokat a társadalmi csapdahelyzeteket, ahol az egyéni önzés által diktált választás a szereplők számára az optimálisnál alacsonyabb nyereményt biztosít. Megmutattuk, hogy a magasabb jövedelmet eredményező (együttműködő) magatartás gyakorisága növelhető, ha a szereplők nemcsak a stratégiát, hanem az evolúciós szabályt is választhatják. Hasonló módon segítheti a közösséget, ha megfelelő módon bővítjük a választási lehetőségeket, figyelembe vesszük a szereplők emlékezőképességét, az információátadást és még néhány további tulajdonságot. Az elemzések számszerűsítették az együttműködés mértékét, ami természetesen függ az említett tulajdonságokat jellemző paraméterek értékétől. Hat évvel ezelőtt mutattuk meg, hogy minden sokstratégiás mátrixjáték felépíthető négyféle elemi kölcsönhatásból. Ezen elemi játékok kombinációinak szisztematikus elemzése világosan mutatta a társadalmi dilemma helyzetek magas gyakoriságát. Kiderült továbbá, hogy társadalmi dilemma okozója lehet a magasabb entrópia, vagyis a nagyobb számú mikrószkopikus állapot. A ciklikus dominancia jelenléte a naív várakozásokkal ellentétes eredményre vezet, ami társadalmi dilemma helyzetet is okozhat. Az eredményeket 42 tudományos közleményben ismertettük.
Results in English
Considering multi-agent evolutionary games we have studied different mechanisms that can help the society to avoid the social traps where the individual selfishness dictates a choice providing low average payoffs. It is found that the combinations of evolutionary rules, the introduction of memory, additional options (e.g. punishments, voluntary participation, or information transfer) and other personal features can support the maintenance of cooperative behavior at a level depending on the model that quantifies the possibilities, payoffs, connectivity structure and evolutionary processes. Six years ago we suggested the decomposition of payoff matrices into the linear combination of elementary games. Now, exploiting this approach we have shown that social dilemma can emerge in a large portion of the space of payoff parameters for the multi-strategy games, too. During the systematic investigations of the combinations of elementary games we have observed that the higher entropy (the larger number of microscopic states) and the paradoxical effect of cyclic dominance can also drive the system into a social trap. The results are published in 42 research papers.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=120785
Decision
Yes





 

List of publications

  
A. Szolnoki and X-J. Chen: Strategy dependent learning activity in cyclic dominant systems, Chaos, Solitons and Fractals 138, 190935, 2020
Z-L. Xiao, X-J. Chen and A. Szolnoki: Leaving bads provides better outcome than approaching goods in a social dilemma, New J. Phys. 22, 023012, 2020
A. Szolnoki and X-J. Chen: Blocking defector invasion by focusing on the most successful partner, Appl. Math. Comput. 385, 125430, 2020
M. Blahota, I. Blahota, and A. Szolnoki: Equel partners do better in defensive alliances, EPL 131, 58002, 2020
B. Király and G. Szabó: Interplay of elementary interactions causing social traps in evolutionary games, Front. Phys. 8, 59, 2020
A. Szolnoki, B. F. de Oliveira, and D. Bazeia: Pattern formations driven by cyclic interactions: A brief review of recent developements, EPL 131, 68001, 2020
D. Bazeia, B. F. de Oliveira, J. V. O. Silva, and A. Szolnoki: Breaking unidirectional invasions jeopardizes biodiversity in spatial May-Leonard systems, Chaos, Solitons and Fractals 141, 110356, 2020
A. Szolnoki and X. Chen: Competition and partnership between conformity and payoff-based imitations in social dilemmas, New J. Phys. 20, 093008, 2018
A. Szolnoki and X. Chen: Reciprocity-based cooperative phalanx maintained by overconfident players, Phys. Rev. E 98, 022309, 2018
A. Szolnoki and Z. Danku: Dynamic-sensitive cooperation in the presence of multiple strategy updating rules, Physica A 511, 371, 2018
X. Chen and A. Szolnoki: Punishment and inspection for governing the commons in a feedback-evolving game, PLoS Comput. Biol. 14, e1006347, 2018
Z. Danku, Z. Wang, and A. Szolnoki: Imitate or innovate: Competition of strategy updating attitudes in spatial social dilemma games, EPL 121, 18002, 2018
A. Szolnoki and X. Chen: Environmental feedback drives cooperation in spatial social dilemmas, EPL 120, 58001, 2017
A. Szolnoki and M. Perc: Evolutionary dynamics of cooperation in neutral populations, New J. Phys. 20, 013031, 2018
A. Szolnoki and M. Perc: Second-order free-riding on antisocial punishment restores the effectiveness of prosocial punishment, Phys. Rev. X 7, 041027, 2017
György Szabó, István Borsos, Borbála Leitner: Statistical analyses of cyclic and starlike hierarchical dominances in directed graphs, PHYSICAL REVIEW E: COVERING STATISTICAL NONLINEAR BIOLOGICAL AND SOFT MATTER PHYSICS (2016-) 100: 032301, 2019
Hódsági K., Szabó G.: Bursts in three-strategy evolutionary ordinal potential games on a square lattice, PHYSICA A - STATISTICAL MECHANICS AND ITS APPLICATIONS 525: pp. 1379-1387., 2019
Szabó György, Borsos István, Szombati Edit: Games, graphs and Kirchhoff laws, PHYSICA A - STATISTICAL MECHANICS AND ITS APPLICATIONS 521: pp. 416-423., 2019
D. Bazeia, B. F. de Oliveira, A. Szolnoki: Phase transitions in dependence of apex predator decaying ratio in a cyclic dominant system, EPL 124, 68001, 2018
N. He, X. Chen, and A. Szolnoki: Central governance based on monitoring and reporting solves the collective-risk social dilemma, Appl. Math. Comput. 347, 334, 2019
Z. Danku, M. Perc, and A. Szolnoki: Knowing the past improves cooperation in the future, Sci. Rep. 9, 262, 2019
D. Bazeia, B. F. de Oliveira, and A. Szolnoki: Invasion-controlled pattern formation in a generalized multispecies predator-prey system, Phys. Rev. E 98, 052408, 2019
S. Wang, X. Chen, and A. Szolnoki: Exploring optimal institutional incentives for public cooperation, Commun. Nonlinear Sci. Numer. Simul. 79, 104914, 2019
M. Cardinot, C. O'Riordan, J. Griffith, and A. Szolnoki: Mobility restores the mechanism which supports cooperation in the voluntary prisoner's dilemma game, New. J. Phys. 21, 073038, 2019
A. Szolnoki and M. Perc: Seasonal payoff variations and the evolution of cooperation in social dilemmas, Sci. Rep. 9, 12575, 2019
A. Szolnoki and X. Chen: Gradual learning supports cooperation in spatial prisoner's dilemma game, Chaos, Solitons and Fractals 130, 109447, 2020
A. Szolnoki and M. Perc: Biodiversity in models of cyclic dominance is preserved by heterogeneity in site-specific invasion rates, Scientific Reports 6, 38608, 2016
X-J. Chen and A. Szolnoki: Individual wealth-based selection supports cooperation in spatial public goods games, Scientific Reports 6, 32802, 2016
A. Szolnoki and M. Perc: Competition of tolerant strategies in the spatial public goods game, New J. Phys. 18, 083021, 2016
A. Szolnoki and M. Perc: Zealots tame oscillations in the spatial rock-paper-scissors game, Phys. Rev. E 93, 062307, 2016
A. Szolnoki and X-J. Chen: Cooperation driven by success-driven group formation, Phys. Rev E 94, 042311, 2016
G. Szabó, L. Varga, and M. Szabó: Anisotropic invasion and its consequences in two-strategy evolutionary games on a square lattice, Phys. Rev. E 94, 053314, 2016
M. A. Amaral, M. Perc, L. Wardil, A. Szolnoki, E. J. da Silva Junior, and J. K. L. da Silva: Role-separating ordering in social dilemmas controlled by topological frustration, Phys. Rev. E 95, 032307, 2017
M. Perc, J. J. Jordan, D. G. Rand, Z. Wang, S. Boccaletti, and A. Szolnoki: Statistical physics of human cooperation, Physics Reports 687, 1, 2017
A. Szolnoki and X-J. Chen: Alliance formation with exclusion in the spatial public goods game, Phys. Rev. E 95, 052316, 2017
G. Szabó K. S. Bodó, and K. A. Samani: Separation of cyclic and starlike hierarchical dominance in evolutionary matrix games, Phys. Rev. E 95, 021320, 2017
B. Király and G. Szabó: Evolutionary games with coordination and self-dependent interactions, Phys. Rev. E 95, 012303, 2017
Király Balázs , Szabó György: Entropy Affects the Competition of Ordered Phases, ENTROPY 20, 115, 2018
Szabó György, Bunth Gergely: Social dilemmas in multistrategy evolutionary potential games, PHYSICAL REVIEW E 97: (1) Paper 012305. 9 p., 2018
Király Balázs, Szabó György: Evolutionary games combining two or three pair coordinations on a square lattice, PHYSICAL REVIEW E 96, 042101, 2017
Szabó György, Bodó Kinga S, Samani Keivan Aghababaei: Separation of cyclic and starlike hierarchical dominance in evolutionary matrix games, PHYS REV E 95, 012320, 2017
Szabo G, Hodsagi K: The role of mixed strategies in spatial evolutionary games, PHYSICA A 462, 198, 2016
Szabó G, Király B: Extension of a spatial evolutionary coordination game with neutral options, PHYS REV E 93, 052108, 2016
Szabo G, Varga L, Szabo M: Anisotropic invasion and its consequences in two-strategy evolutionary games on a square lattice, PHYS REV E STAT NONLIN 94: (5) Paper 052314., 2016



Back »