Mini-Max Theorem
게임이론과 전략 : 권오헌. 윤태환 지음, 범한서적 주식회사, 2000, Page 225~235
다음은 게임이론의 기본정리인 최소최대정리 (minimax theorem) 이다.
|
※ 정리 A.1 임의의 |
임의의
크기의 행렬
에 대하여

를 보이면 충분하다. 여기서
과
은 각각 행동이와 열심이의 혼합전략이고,
는 게임의 값이다.
이 임의의
개의 수이고,
이 행동이의 혼합전략이라고 가정하자. 그러면 모든
에 대하여 적당한
가 존재하여

가 된다. 위 식을
로 곱하고,
에 대하여 모든 항을 더하면

가 되므로

가 된다.
한편
번째 순수전략을 택하면

가 된다. 그러므로

와

를 얻을 수 있다.
와
가 다음과 같이 정의된다고 하자.


그러면 최소, 최대의 정의로부터 다음과 같은 두 개의 부등식을 얻는다.
모든
에 대하여 
모든
에 대하여 
이제 첫 번째 부등식을
로 곱하여
에 대하여 모두 더하고, 두 번재 부등식을
로 곱하고
에 대하여 모두 더하면

가 된다.
이제

가 되는 한 쌍의 혼합전략
와
를 찾을 수 있다고 가정하자. 그러면

이므로

를 얻을 수 있다. 마찬가지로

를 얻을 수 있다.
최소최대정리는

를 의미하므로, 근본적으로 다음 문제와 동치이다.
다음 일곱 가지 조건을 만족하는, 성분이 각각
와
인
-성분 벡터
와
-성분 벡터
를 찾아라. 여기서
이고
이다.
(1) 
(2) 
(3) 
(4) 
(5) 
(6) 
(7) 
증명은 위의 일곱 가지 조건을 만족하는
와
를 찾는 것으로 이루어진다.
게임행렬
의 확대행렬을 다음과 같이 정의하자.
이 행렬은
개의 행과
개의 열을 갖는다.
의 첫 행을
으로 명명하고, 열들을 다음과 같이 명명하자.

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|
여기서
는
-성분으로 1 을 갖고 나머지 성분은 모두 0 인 벡터이다. 더욱이, A 의 행들이

이 되도록 배열되었다고 가정하자.
의
개의 열을 택하면,
크기의 정방행렬
가 결정된다.
가 다음 세 가지 조건을 만족하면
를 기저행렬 (basic matrix) 이라고 한다.
B1.
가
의 첫 번째 열로 포함된다.
B2.
는 정칙행렬이다. 즉
는 역행렬
을 갖는다.
B3.
의 각 행은, 첫 번째 행을 제외하고, 처음으로 0 이 아닌 성분이 양수이다.
다음과 같은 행렬이 기저행렬의 한 예이다.

위 행렬은 정칙행렬이며 역행렬은

로 주어진다. 여기서
이다. 앞에서
으로 취했으므로
이 된다. 그러므로
의 모든 행은, 첫 행을 제외하고, 처음으로 영이 아닌 성분이 양수가 된다.
기저행렬의 정의에서 조건 B3 는 벡터들의 영벡터와의 비교로 표현될 수 있다. 이후의 증명에서 임의의 두 벡터를 비교하는 것이 편리하다. 즉 두 개의 다른 벡터들이 주어질 때 큰 벡터를 택하는 규칙을 필요로 한다. 벡터들 간의 적당한 순서 관계를 다음과 같이 정의하자.
우선, 두 벡터의 상등을 정의한다.
두 벡터
와
가 같기 위해서는 임의의
에 대하여
이면 된다고 정의한다. 즉
와
가 같다는 것은 벡터
가 영벡터가 되는 것으로
로 표시한다. 이제 두 벡터
와
가 같지 않다고 가정하자. 그러면 벡터
는 최소한 영이 아닌 하나의 성분을 포함한다. 만일
의 처음으로 영이 아닌 성분이 양수이면,
가
보다 크다고 정의하고
라고 표현한다. 만일
의 처음으로 영이 아닌 성분이 음수이면,
가
보다 작다고 정의하고
라고 표현한다.
만일 기저벡터
의 역행렬의 행들이
으로 표시되면 조건 B3 는
에 대하여 
을 의미한다.
벡터의 순서를 정하는 위의 방법에서 일련의 벡터들 중의 최소 벡터는 첫 번째 성분이 가장 작은 벡터가 된다. 만일 동률이 된다면 동률이 되는 벡터들의 두 번째 성분을 비교해야 한다. 등등.

이 역행렬

을 갖는 기저행렬이라고 하자. 여기서
은 행벡터이고
는 열벡터이다. 그러면
가 단위행렬일 때

이므로


이 된다. 여기서
이다.
특히

이 된다. 이제
개의 스칼라곱

을 만든다고 가정하자.
에 대하여
이므로
개의 스칼라곱 중에서 최소한
개는 영이 된다. 만일 나머지
개의 스칼라곱이 영보다 크지 않다면
를 최적기저행렬 (optimal basic matrix) 이라고 정의한다. 나중에 보이겠지만
최적기저행렬은 참여자들의 최적혼합전략을 만든다. 즉 기저행렬
가

을 만족하면
는 최적기저행렬이 된다.
가 최적기저행렬이라고 하자.
의 0 행과 0 열의 성분이 다음과 같이 표시된다고 하자.

그러면 행동이의 최적혼합전략
는 행
로부터

으로 놓음으로써 얻어진다. 열심이의 최적혼합전략
는 열
로부터

으로 놓음으로써 얻어진다.
이제
와
가 앞서 기술한 일곱 가지 조건 (1)-(7) 을 만족함을 보임으로써
와
가 최적혼합전략임을 증명한다.
최적기저벡터가 주어진다고 가정하고
의 다른 값들에 대하여 곱
를 만들어 보자.
만일
이면

가 되므로 조건 (2) 가 만족된다.
만일
이면

가 되므로 조건 (3) 이 만족된다.
만일
이면

이 되므로 조건 (1) 이 만족된다.
는 기저행렬이므로

이 된다. 특히 각
의 첫 번째 성분은 영보다 크거나 같게 된다. 그런데 각
의 첫 번째 성분은
이므로 (4) 가 만족된다.
이므로

가 된다. 이 행렬 방정식으로부터
개의 변수
으로 이루어진
개의 선형 방정식을 얻는다.
각
의 첫 번째 성분은
에 대하여 1 이 되고 그렇지 않으면 0 이 되므로, 이들 방정식의 첫 번째는

이 된다. 그러므로 (5) 가 만족된다. 나머지
개의 방정식은 다음과 같이 씌어질 수 있다.

여기서
이다. 그러므로

이 되므로 (6) 이 만족된다. 마지막으로
와
은 둘 다
의 같은 원소에 의하여 정의되므로 조건 (7) 이 만족된다.
최적전략을 찾는 문제는 이제 최적기저행렬을 만드는 문제로 줄어들었다. 최적기저행렬의 역행렬이 최적전략을 줄 것이다. 최적기저행렬과 그것의 역행렬을 만드는 반복적인 과정을 기술해 보자.
반복적인 과정은 적당한 기저행렬, 예를 들어 앞에서의
를 가지고 시작한다.
가 최적이 아니면
로부터 단지 하나의 열만 바꾼 새로운 기저행렬
을 만든다. 더욱이,
이
의 역행렬
의 0 번째 행이라면,
은 다음과 같은 성질

을 갖도록 한다. 만일
이 최적이 아니면,
에 대하여 앞의 알고리즘을 반복한다. 등등.
이 과정은 일련의 기저행렬들을 만든다. 하지만
로부터 어떤 기저행렬도 반복될 수는 없다. 더욱이, 기저행렬들의 수는 확대행렬
의
개의 열에서
개의 열을 택하는 방법의 수를 초과할 수는 없다. 그러므로 최적기저행렬에 도달했을
때 이 과정을 마치면 된다.
기저행렬
가 최적이 아니라고 가정하자. 그러면
에 있는 적당한
가 존재하여
이 된다.
로부터
을 만들기 위하여
의 한 열을
로 바꾼다. 여기서
는 조건

에 의하여 결정된다.
의 선택이 유일하지 않는 경우에는 가장 작은 지수를 갖는
를 택한다.
다음은 방정식
를 만족하는 열벡터
을 계산해 보자. 그러면

이 된다. 특히

이 된다. 더욱이 영이 아닌 적당한 다른
에 대하여
이 된다. 왜냐하면, 만약 그렇지 않다고 가정한다면, 즉
이라고 한다면, 다음과 같은 관계

로부터

가 따른다. 그러므로 열
는
의
개의 열들의 양의 선형조합으로 씌어질 수 있다. 하지만
의 정의로부터
는 다른 열들의 양의 선형조합으로 씌어질 수가 없으므로 모순이 된다.
이제

이 되는 열
을
에서 제거한다. 그러면

이 된다.
우리는
에서 열
를 제거하고 열
를 추가함으로써
을 만들었다. 이제
이 기저행렬임을 보이는 것이 남아있고, 이를 위하여
에서
을 만들어 보자.
의 행들이
에 대하여
으로 표시된다고 하자. 그러면
와
로부터


라고 놓음으로써
을 얻을 수 있다. 이제 행렬
이 위와 같이 정의된다고 하고
를 증명하자.
첫째로
이고
이면


이 된다. 둘째로
이고
이면

이 된다.
셋째로
이고
이면

이 된다.
마지막으로
이고
이면

이 된다.
그러므로
가 된다.
가 기저행렬이라는 증명을 마치기 위하여
에 대하여
을 보일 필요가 있다. 만일
일 때는
이고
이다. 그러므로

이 된다. 만일
이고
일 때는

이 되고, 만일
이고
일 때는 앞의 정의에 의하여 역시

이 된다. 그러므로
은 기저행렬이다.
마지막으로 어떤 기저행렬도 이 과정에서 반복될
수 없음을 보여야 한다. 이를 위하여
이 만족됨을 보이면 충분하다. 이것은
가 특이행렬의 행이므로 최소한 영이 아닌 하나의 성분을 포함해야 하고 그것은
양수라는 사실로부터 따른다.
이고
이므로

이 된다.
이
에서 제거된 열이라면

이 된다. 또한

이 된다. 그러므로
개의 열 중에서는 최소한
개의 열은 성질
을 갖는다. 이것은 앞 단계에서 이 성질을 갖는 최소한
개의 열과 비교된다. 더욱이, 다음 반복에서 기저벡터에 대한 후보
가
을 만족해야 하므로
은 기저벡터로 돌아올 수 없다. 이로써 정리가 증명된다.