Dieser Artikel beschreibt die Spieltheorie als Teilgebiet der Mathematik. Zur Erforschung von Spielen siehe
Spielwissenschaft
.
Die
Spieltheorie
ist eine mathematische Theorie, in der
Entscheidungssituationen
modelliert werden, in denen mehrere Beteiligte miteinander interagieren. Sie versucht dabei unter anderem, das
rationale Entscheidungsverhalten
in
sozialen Konfliktsituationen
zu erfassen. Die Spieltheorie ist originar ein
Teilgebiet der Mathematik
. Sie bedient mannigfaltige
Anwendungsfelder
.
In diesem Artikel wird die nicht-kooperative Spieltheorie behandelt, die von der
kooperativen Spieltheorie
zu unterscheiden ist. Unten finden sich
einige Bemerkungen zu den Unterschieden
.
Ein
Spiel im Sinne der Spieltheorie
ist eine Entscheidungssituation mit mehreren Beteiligten, die sich mit ihren Entscheidungen
gegenseitig
beeinflussen. Im Unterschied zur klassischen
Entscheidungstheorie
modelliert diese Theorie also Situationen, in denen der Erfolg des Einzelnen nicht nur vom eigenen Handeln, sondern auch von dem anderer abhangt (interdependente Entscheidungssituation).
Der Begriff
Spieltheorie
(engl.
game theory
) entstand aus zuvor von den Begrundern verwendeten Begriffsumschreibungen wie
Theorie der Gesellschaftsspiele
(1928)
[1]
bzw.
theory of games
(1944).
[2]
Obwohl bereits in den Publikationen von 1928 und 1944 okonomische Anwendungen als primare Zielsetzung formuliert wurden, befinden sich dort mehrfache Hinweise auf Implikationen fur Gesellschaftsspiele wie
Schach
, das
Bluffen
beim
Poker
,
Baccara
und das Signalisieren beim
Bridge
.
[3]
[4]
Auch spateren Autoren dienten Gesellschaftsspiele als Beispiele, etwa fur
John Forbes Nash
in seiner
Dissertation
von 1950, in der er im Anschluss an einen Existenzbeweis fur das nachfolgend
nach ihm benannte Gleichgewicht
als einfaches Beispiel eine Berechnung fur ein Drei-Personen-Poker durchfuhrte.
[5]
In spaterer Zeit wurde im deutschen Sprachraum wiederholt der Begriff
Interaktive Entscheidungstheorie
fur treffender als
Spieltheorie
befunden. Aufgrund der weiten Verbreitung des Begriffs
Spieltheorie
konnten sich solche Vorschlage aber nicht durchsetzen.
[6]
Der Begriff Spieltheorie taucht wiederum auch in anderen Gebieten der theoretischen Behandlung von
Spielen
auf ? siehe
Spielwissenschaft
,
Spielpadagogik
,
Ludologie
oder
Homo ludens
.
Die Spieltheorie ist weniger eine zusammenhangende Theorie als mehr ein Satz von Analyseinstrumenten. Anwendungen findet die Spieltheorie vor allem im
Operations Research
, in den
Wirtschaftswissenschaften
(sowohl
Volkswirtschaftslehre
als auch
Betriebswirtschaftslehre
), in der Okonomischen Analyse des Rechts (law and economics) als Teilbereich der
Rechtswissenschaften
,
[7]
in der
Politikwissenschaft
, in der
Soziologie
, in der
Psychologie
, in der
Informatik
, in der
linguistischen Textanalyse
[8]
und seit den
1980ern
auch in der
Biologie
(insb. die
evolutionare Spieltheorie
).
Generell wird die nicht-kooperative von der kooperativen Spieltheorie so unterschieden: Konnen die Spieler bindende Vertrage abschließen, so spricht man von kooperativer Spieltheorie. Sind hingegen alle Verhaltensweisen (also auch eine mogliche Kooperation zwischen Spielern)
self-enforcing
, d. h., sie ergeben sich aus dem Eigeninteresse der Spieler, ohne dass bindende Vertrage abgeschlossen werden konnen, so spricht man von nicht-kooperativer Spieltheorie.
Kooperative Spieltheorie
ist als axiomatische Theorie von Koalitionsfunktionen (charakteristischen Funktionen) aufzufassen und ist auszahlungsorientiert. Nicht-kooperative Spieltheorie ist dagegen aktions- bzw. strategieorientiert. Die nicht-kooperative Spieltheorie ist ein Teilgebiet der
Mikrookonomik
, wahrend die kooperative Spieltheorie einen Theoriezweig eigener Art darstellt. Bekannte Konzepte der kooperativen Spieltheorie sind der Kern, die Shapley-Losung und die Nash-
Verhandlungslosung
.
Die nicht-kooperative Spieltheorie spielt in der universitaren Lehre eine großere Rolle als die kooperative Spieltheorie. Es gibt viele Lehrbucher zur Spieltheorie und es gibt an Universitaten viele Veranstaltungen mit dem Titel Spieltheorie, in denen die kooperative Spieltheorie gar nicht oder nur am Rande behandelt wird. Obwohl die
Alfred-Nobel-Gedachtnispreistrager
Robert J. Aumann
und
John Forbes Nash Jr.
beide entscheidende Beitrage zur kooperativen Spieltheorie geleistet haben, wurde der Preis vom Komitee ausdrucklich fur ihre Beitrage zur nicht-kooperativen Spieltheorie vergeben.
Dennoch wird in der aktuellen Forschung weiterhin die
kooperative Spieltheorie
untersucht, und ein Großteil neuer spieltheoretischer wissenschaftlicher Artikel sind der kooperativen Spieltheorie zuzuordnen. Die weiterhin große Bedeutung der kooperativen Spieltheorie in der Forschung ist auch daran abzulesen, dass in der wissenschaftlichen Diskussion sehr prasente Forschungsfelder wie die
Verhandlungstheorie
und die
Matchingtheorie
zu einem großen Teil mit den Mitteln der kooperativen Spieltheorie analysiert werden.
Historischer Ausgangspunkt der Spieltheorie ist die Analyse des
Homo oeconomicus
, insbesondere durch
Daniel Bernoulli
,
Joseph Bertrand
,
Antoine-Augustin Cournot
(1838),
Francis Ysidro Edgeworth
(1881),
Frederik Ludvig Bang von Zeuthen
und
Heinrich Freiherr von Stackelberg
. Diese spieltheoretischen Analysen waren jedoch immer Antworten auf spezifische Fragestellungen, ohne dass eine allgemeinere Theorie zur Analyse strategischer Interaktion daraus entwickelt worden ware. Die ersten allgemeinen Uberlegungen stellte
Emile Borel
1921 an.
[9]
[10]
Erst die formalisierte Analyse von Gesellschaftsspielen und der Beweis des
Min-Max-Theorems
durch
John von Neumann
im Jahr 1928 legte die Grundlage der modernen Spieltheorie.
[1]
Schnell erkannte John von Neumann die Anwendbarkeit des von ihm entwickelten Ansatzes zur Analyse wirtschaftlicher Fragestellungen, so dass 1944 in dem Buch ?Spieltheorie und wirtschaftliches Verhalten“ (
Theory of Games and Economic Behavior
), das er zusammen mit
Oskar Morgenstern
verfasste, bereits eine Verquickung zwischen der mathematischen Theorie und der wirtschaftswissenschaftlichen Anwendung erfolgte. Dieses Buch gilt auch heute noch als wegweisender Meilenstein. Zunachst hatte man nur fur
Konstantsummenspiele
eine Losung.
Eine allgemeine Losungsmoglichkeit bot erst das
Nashgleichgewicht
ab 1950. Danach erst hat sich die Spieltheorie allmahlich als anerkannte Methodik in den Wirtschaftswissenschaften sowie mehr und mehr auch in den sozialwissenschaftlichen Nachbardisziplinen durchgesetzt.
Seit 1970 ist eine sehr sturmische Entwicklung der Spieltheorie und ein Ausufern in andere Disziplinen zu beobachten. In diesem Sinne entstanden seit damals die
Kombinatorische
und die
Algorithmische Spieltheorie
als sehr mathematisch orientierte Zweige sowie die
Evolutionare Spieltheorie
, die am starksten von der Annahme
bewusster
Entscheidungen abruckt.
Fur spieltheoretische Arbeiten wurde bisher acht Mal der
Alfred-Nobel-Gedachtnispreis fur Wirtschaftswissenschaften
vergeben, welche die große Bedeutung der Spieltheorie fur die moderne Wirtschaftstheorie verdeutlichen: 1994 an
John Forbes Nash Jr.
,
John Harsanyi
und
Reinhard Selten
, 1996 an
William Vickrey
, 2005 an
Robert Aumann
und
Thomas Schelling
und 2012 an
Alvin Roth
und
Lloyd S. Shapley
. Fur ihre Erforschung
begrenzter Rationalitat
erhielten
Herbert A. Simon
1978 und
Daniel Kahneman
2002 den Nobel-Gedachtnispreis. Auch die Preise an
Leonid Hurwicz
,
Eric S. Maskin
und
Roger B. Myerson
im Jahr 2007 fur ihre Forschung auf dem Gebiet der
Mechanismus-Design-Theorie
stehen in engem Zusammenhang zu spieltheoretischen Fragestellungen.
Die Spieltheorie modelliert die verschiedensten Situationen als ein Spiel. Dabei ist der Begriff ?Spiel“ durchaus wortlich zu nehmen: In der mathematisch-formalen Beschreibung wird festgelegt, welche Spieler es gibt, welchen sequenziellen Ablauf das Spiel hat und welche Handlungsoptionen (Zuge) jedem Spieler in den einzelnen Stufen der Sequenz zur Verfugung stehen.
Beispiele: Im Spiel
Cournot-Duopol
sind die Spieler die Firmen und ihre jeweilige Handlungsoption ist ihre Angebotsmenge. Im
Bertrand-Duopol
sind die Spieler wieder die Duopolisten, ihre Handlungsoptionen sind aber hier die Angebotspreise. Im Spiel
Gefangenendilemma
sind die Spieler
die beiden Gefangenen
und ihre Aktionsmengen sind
aussagen
und
schweigen
. In Anwendungen der Politikwissenschaft sind die Spieler oft Parteien oder
Lobbyverbande
, wahrend in der Biologie die Spieler meistens Gene oder Spezies sind.
Zur Beschreibung eines Spiels gehort zudem eine Auszahlungsfunktion: Diese Funktion ordnet jedem moglichen Spielausgang einen Auszahlungsvektor zu, d. h., durch diesen Vektor wird festgelegt, welchen Gewinn ein Spieler macht, wenn ein bestimmter Spielausgang eintritt. Bei Anwendungen in den Wirtschaftswissenschaften ist die Auszahlung meistens als monetare Große zu verstehen, bei politikwissenschaftlichen Anwendungen kann es sich hingegen um Wahlerstimmen handeln, wahrend bei biologischen Anwendungen meistens die Auszahlung aus Reproduktionsfahigkeit oder Uberlebensfahigkeit besteht.
Man kann in der Spieltheorie zwei bedeutende Aspekte erkennen:
- Formalisierung
- Ein bedeutender Schritt ist, ein
Spiel im Sinne der Spieltheorie
zu formalisieren. Die Spieltheorie hat hierfur eine reichhaltige Sprache entwickelt. Siehe unter:
Spieldarstellung
- Losung
- Abhangig vom
Kontext
kann man in einem weiteren Schritt eine Vorhersage des Spielausganges versuchen. Siehe hierfur:
Losungskonzepte
.
Eine wichtige Technik beim Finden von
Gleichgewichten in der Spieltheorie
ist das Betrachten von
Fixpunkten
.
In der
Informatik
versucht man, mit Hilfe von Suchstrategien und
Heuristiken
(allgemein: Techniken der
Kombinatorischen Optimierung
und
Kunstlichen Intelligenz
) bestimmte Spiele, wie
Schach
,
SameGame
,
Mancala
,
Go
zu losen oder z. B. zu beweisen, dass derjenige, der anfangt, bei richtiger Strategie immer gewinnt (das ist z. B. der Fall fur
Vier gewinnt
,
Qubic
und
Funf in eine Reihe
) oder z. B. derjenige, der den zweiten Zug hat, immer wenigstens ein Unentschieden erzielen kann (Beispiel
Muhle
).
Man spricht in diesem Zusammenhang vom
first movers advantage
bzw.
second movers advantage
.
Entscheidend fur Darstellung und Losung ist der Informationsstand der Spieler. Unterschieden werden hierbei drei Begriffe:
Vollstandige
,
perfekte
(bzw.
vollkommene
) Information und
perfektes Erinnerungsvermogen
, je nachdem, ob der Spieler uber die Spielregeln, die Zuge der anderen Spieler und die eigenen Informationen aus der Vergangenheit informiert ist. Standard ist das Spiel mit
vollstandiger Information
sowie
perfektem Erinnerungsvermogen
.
Perfekte Information
gehort nicht zu den Standardannahmen, da sie hinderlich bei der Erklarung zahlreicher einfacher Konflikte ware.
Vollstandige Information
, die Kenntnis aller Spieler uber die Spielregeln, ist eine Annahme, die man beim Spiel im klassischen Wortsinn (vgl.
Spiel
) gemeinhin als Voraussetzung fur gemeinsames Spielen betrachten wird. Unstimmigkeiten uber die Spielregeln, etwa, ob bei
Mensch argere Dich nicht
die Pflicht besteht, einen gegnerischen Kegel zu schlagen, wenn dies im betreffenden Zug moglich ist, oder ob bei
Mau Mau
eine gezogene Karte sofort gelegt werden darf, wenn sie passt, werden in der Regel als ernsthafte Storung betrachtet, wenn sie nicht
vor
dem Spiel geklart wurden. Andererseits wird die Spieltheorie auf viele Situationen angewendet, fur die dieses Informationserfordernis zu rigide ware, da mit dem Vorhandensein gewisser Informationen nicht gerechnet werden kann (z. B. bei politischen Entscheidungen). Darum ist es sinnvoll, die klassische Spieltheorie, die mit
vollstandiger Information
arbeitet, um die Moglichkeit
unvollstandiger Information
zu erweitern. Andererseits ist dieses Feld dadurch begrenzt, weil sich fur jedes Spiel mit
unvollstandiger Information
ein Spiel mit
vollstandiger Information
konstruieren lasst, das strategisch aquivalent ist.
Perfekte Information
, also die Kenntnis samtlicher Spieler uber samtliche Zuge samtlicher Spieler, ist eine rigorose Forderung, die in vielen klassischen Spielen nicht erfullt ist: Sie ist beispielsweise in den meisten Kartenspielen verletzt, weil zu Spielbeginn der Zug des Zufallsspielers und die Verteilung der Blatter unbekannt ist, da man jeweils nur die eigenen Karten einsehen kann. Darum wird in spieltheoretischen Modellen meist nicht von
perfekter Information
ausgegangen. Erfullt ein Spiel das Kriterium perfekter Information, ist es in der Regel vom Prinzip her einfacher zu
losen
; auch wenn sich in der Realitat wie beim
Schach
aufgrund der
Komplexitat
große Hurden ergeben.
Perfektes Erinnerungsvermogen
ist das Wissen jedes Spielers uber samtliche Informationen, die ihm bereits in der Vergangenheit zuganglich waren. Obwohl diese Annahme zumindest vom Prinzip her auf den ersten Blick immer erfullt zu sein scheint, gibt es Gegenbeispiele: Handelt es sich bei einem Spiel um ein Team kooperierender Akteure wie beim Skat, kennt ?der“ einzelne Spieler zum Zeitpunkt einer eigenen Entscheidung nicht mehr den Informationskontext vergangener Zuge, die ein Partner aufgrund seiner Karten getroffen hat.
Spiele
werden meist entweder in
strategischer (Normal-)Form
oder in
extensiver Form
beschrieben. Weiterhin ist noch die Agentennormalform zu nennen. Da es Spiele gibt, denen keine dieser Formen gerecht wird, muss bisweilen auf allgemeinere mathematische oder sprachliche Beschreibungen zuruckgegriffen werden.
Die Extensivform
Die
Extensivform eines Spiels
bezeichnet in der Spieltheorie eine Darstellungsform von
Spielen
, die sich auf die
Baumdarstellung
zur Veranschaulichung der zeitlichen Abfolge von Entscheidungen stutzt.
Die Normalform
Die
Normalform eines Spiels
beschrankt sich im Wesentlichen auf die A-priori-
Strategiemengen
der einzelnen Spieler und eine
Auszahlungsfunktion
als Funktion der gewahlten Strategiekombinationen. Gerecht wird diese Darstellungsform am ehesten solchen Spielen, bei denen alle Spieler ihre Strategien zeitgleich und ohne Kenntnis der Wahl der anderen Spieler festlegen. Zur Veranschaulichung verwendet man meist eine Bimatrixform.
Die Agentennormalform
Wer oder was ist eigentlich ein Spieler in einer gegebenen Situation? Die Agentennormalform beantwortet diese Frage so: Jeder Zug im Verlauf eines Spiels verlangt nach einem Spieler im Sinne eines unabhangigen Entscheiders, da die lokale Interessenlage einer Person oder Institution von Informationsbezirk zu Informationsbezirk divergieren kann. Dazu verfugt die Agentennormalform generell uber so viele Spieler bzw. Agenten, wie es Informationsbezirke personlicher Spieler gibt. Der ?naturliche“ Spieler 1 wird hier beispielsweise zu den Agenten 1a und 1b abstrahiert.
Sobald ein Spiel definiert ist, kann man sodann das Analyseinstrumentarium der Spieltheorie anwenden, um beispielsweise zu ermitteln, welche die optimalen
Strategien
fur alle Spieler sind und welches Ergebnis das Spiel haben wird, falls diese Strategien zur Anwendung kommen.
Um Fragestellungen spieltheoretisch zu analysieren, werden sogenannte Losungskonzepte verwendet.
Gleichgewichte
Das weitaus prominenteste Losungskonzept, das
Nash-Gleichgewicht
, stammt von
John Forbes Nash Jr.
(1950). Die obige Fragestellung ? welche moglichen Ausgange ein Spiel hat, wenn sich alle Spieler individuell optimal verhalten ? kann durch die Ermittlung der Nash-Gleichgewichte eines Spiels beantwortet werden: Die Menge der Nash-Gleichgewichte eines Spiels enthalt per Definition diejenigen Strategieprofile, in denen sich ein einzelner Spieler durch Austausch seiner Strategie durch eine andere Strategie bei gegebenen Strategien der anderen Spieler nicht verbessern konnte.
Weitere Gleichgewichte
Fur andere Fragestellungen gibt es andere Losungskonzepte. Wichtige sind das
Minimax-Gleichgewicht
, das wiederholte Streichen
dominierter Strategien
sowie
Teilspielperfektheit
und in der
kooperativen Spieltheorie
der
Kern
, der
Shapley-Wert
, der
Nucleolus
, der
Tijs-Wert
, die
Dutta-Ray-Losung
und die
Verhandlungslosung
.
Gemischte vs. reine Strategien
Wahrend die
reine Strategie
eines Spielers eine Funktion ist, die jeder Spielstufe, in der die Aktionsmenge des Spielers nicht leer ist, eine Aktion zuordnet, ist eine
gemischte Strategie
eine Funktion, die jeder Spielstufe, in der die Aktionsmenge des Spielers nicht leer ist, eine
Wahrscheinlichkeitsverteilung
uber der in dieser Spielstufe verfugbaren Aktionsmenge zuordnet. Damit ist eine reine Strategie der Spezialfall einer gemischten Strategie, in der immer dann, wenn die Aktionsmenge eines Spielers nicht leer ist, die gesamte
Wahrscheinlichkeitsmasse
auf eine einzige Aktion der Aktionsmenge gelegt wird. Man kann leicht zeigen, dass jedes Spiel, dessen Aktionsmengen endlich sind, ein
Nash-Gleichgewicht
in gemischten Strategien haben muss. In reinen Strategien ist die Existenz eines Nash-Gleichgewichtes hingegen fur viele Spiele nicht gewahrleistet.
Die Analyse von Gleichgewichten in gemischten Strategien wurde wesentlich durch eine Reihe von Beitragen
John Harsanyis
in den 70er und 80er Jahren vorangebracht.
Im Folgenden sollen auf der Basis der beschriebenen Spielformen und deren Losungskonzepte einige Probleme genannt werden, die sich in der spieltheoretischen Behandlung als besonders einflussreich erwiesen haben.
Einmalige vs. wiederholte Spiele
Ein Spiel, das nach einmaliger Durchfuhrung nicht wiederholt wird, wird als sogenanntes
One-Shot-Game
bezeichnet. Wird ein One-Shot-Game mehrmals hintereinander durchgefuhrt, wobei sich im Allgemeinen die Gesamtauszahlung fur jeden Spieler durch die (eventuell aufdiskontierten) Auszahlungen jedes einzelnen One-Shot-Games ergibt, so spricht man von einem wiederholten Spiel. Die gesamte Folge aller One-Shot-Games bezeichnet man als
Superspiel
. In der Spieltheorie unterscheidet man zudem zwischen endlich wiederholten und unendlich wiederholten Superspielen.
Die Analyse wiederholter Spiele wurde wesentlich von
Robert J. Aumann
vorangebracht.
Ein Losungskonzept vieler endlich wiederholter Spiele ist die sogenannte
Ruckwartsinduktion
, indem zunachst die Losung des letzten One-Shot-Games ermittelt und darauf basierend die Losungen der vorangegangenen Spiele bis zum ersten Spiel bestimmt werden. Eine bekannte Anwendung der Backward-Induction ist das sogenannte
Chainstore-Paradoxon
.
Unvollstandige Information und Reputation
Kennt ein Spieler selbst nur seinen eigenen Typ, wahrend andere nur diesbezugliche probabilistische Erwartungen hegen, so spricht man von unvollstandiger, speziell asymmetrischer Information. Reputationseffekte treten immer dann auf, wenn ein Spieler fur andere als einem bestimmten Typ zugehorig identifiziert werden kann.
Allgemein bekannte Spielregeln
Die Spieltheorie unterstellt zunachst nicht nur jedem Spieler Rationalitat, sondern auch, dass alle Spieler wissen, dass alle Spieler rational sind etc.
Man unterstellt also allgemein bekannte Spielregeln, bzw. allgemein bekannte Rationalitat. Im Unterschied zur ?perfekten“ Rationalitat werden zunehmend auch Spieltheorien mit
eingeschrankter Rationalitat
formuliert, die ggf. auch Zweifel an der Rationalitat von Spielern zulassen (u. a. auch in der evolutionaren Spieltheorie).
Evolutionare Spieltheorie
Von
evolutionarer Spieltheorie
spricht man meist dann, wenn das Verhalten der Spieler nicht durch rationale Entscheidungskalkule abgeleitet wird, sondern als Ergebnis von kulturellen oder genetischen Evolutionsprozessen begrundet wird. Oft kann man die stabilen Ergebnisse durch statische Stabilitatskonzepte charakterisieren. Ein derartiges Konzept ist die
evolutionar stabile Strategie
, auch kurz ?ESS“ genannt (Maynard Smith und Price, 1973). Evolutionstheoretisch besagt diese Spieltheorie, dass jeweils nur die am besten angepasste Strategie bzw. Mutante uberleben kann.
Spieltheorie und Mechanismus-Design
Die Spieltheorie untersucht, wie rationale Spieler ein gegebenes Spiel spielen. In der
Mechanismus-Designtheorie
wird diese Fragestellung jedoch umgekehrt, und es wird versucht, zu einem gewollten Ergebnis ein entsprechendes Spiel zu entwerfen, um den Ausgang bestimmter regelbezogener Prozesse zu bestimmen oder festzulegen. Dies geschieht im Zuge der Losungen fur ein Mechanismus-Design-Problem. Dieses Vorgehen kann nicht nur fur "reine" Spiele, sondern auch fur das Verhalten von Gruppen in Wirtschaft und Gesellschaft genutzt werden.
Die Spieltheorie erlaubt es, soziale Konfliktsituationen, die strategische Spiele genannt werden, facettenreich abzubilden und mathematisch streng zu losen. Aufgrund der unrealistischen Modellannahmen wird die empirische Erklarungskraft der Spieltheorie in der Regel in Abrede gestellt. Kein Mensch wird jemals so rational sein, wie es den Spielern durch die spieltheoretischen Losungskonzepte unterstellt wird. Menschen unterliegen stets kognitiven Beschrankungen, die perfekt rationales Verhalten in komplexen Spielen ausschließen. Indes muss nach Auffassung des
Bamberger
Politikwissenschaftlers
Reinhard Zintl
zwischen dem Anwendungsfall als Verhaltenstheorie und demjenigen als Verfassungstheorie unterschieden werden; und es sei je nach Erklarungsproblem auch eine inkonsistente Verwendung einzelner Akteursmodelle durchaus gestattet und zweckmaßig.
[11]
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hier
(PDF; 32 kB) in elektronischer Fassung lesbar).