Do Capacity Constraints Constrain Coalitions?

We study strong equilibria in symmetric capacitated cost-sharing games. In these games, a graph with designated source $s$ and sink $t$ is given, and each edge is associated with some cost. Each agent chooses strategically an $s$-$t$ path, knowing that the cost of each edge is shared equally between all agents using it. Two variants of cost-sharing games have been previously studied: (i) games where coalitions can form, and (ii) games where edges are associated with capacities; both variants are inspired by real-life scenarios. In this work we combine these variants and analyze strong equilibria (profiles where no coalition can deviate) in capacitated games. This combination gives rise to new phenomena that do not occur in the previous variants. Our contribution is two-fold. First, we provide a topological characterization of networks that always admit a strong equilibrium. Second, we establish tight bounds on the efficiency loss that may be incurred due to strategic behavior, as quantified by the strong price of anarchy (and stability) measures. Interestingly, our results are qualitatively different than those obtained in the analysis of each variant alone, and the combination of coalitions and capacities entails the introduction of more refined topology classes than previously studied

Capacitated Network Design Games on a Generalized Fair Allocation Model

The cost-sharing connection game is a variant of routing games on a network. In this model, given a directed graph with edge-costs and edge-capacities, each agent wants to construct a path from a source to a sink with low cost. The cost of each edge is shared by the users based on a cost-sharing function. One of simple cost-sharing functions is defined as the cost divided by the number of users. In fact, most of the previous papers about cost-sharing connection games addressed this cost-sharing function. It models an ideal setting, where no overhead arises when people share things, though it might be quite rare in real life; it is more realistic to consider the setting that the cost paid by an agent is the original cost per the number of the agents plus the overhead. In this paper, we model the more realistic scenario of cost-sharing connection games by generalizing cost-sharing functions. The arguments on the model do not depend on specific cost-sharing functions, and are applicable for a wide class of cost-sharing functions satisfying the following natural properties: they are (1) non-increasing, (2) lower bounded by the original cost per the number of the agents, and (3) upper bounded by the original cost, which enables to represent various scenarios of cost-sharing. We investigate the Price of Anarchy (PoA) and the Price of Stability (PoS) under sum-cost and max-cost criteria with the generalized cost-sharing function. In spite of the generalization, we obtain the same bounds of PoA and PoS as the cost-sharing with no overhead except PoS under sum-cost. Note that these bounds are tight. In the case of sum-cost, the lower bound on PoS increases from $\log n$ to $n+1/n-1$ by the generalization, which is also almost tight because the upper bound is $n$.Comment: 13 pages, 2 figure

Análise de problemas de transporte sob a perspectiva da teoria de jogos

Orientadores: Flávio Keidi Miyazawa, Rafael Crivellari Saliba SchoueryDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: Problemas relacionados com meios de transporte são comumente encontrados na área de Otimização Combinatória, como, por exemplo, o Problema do Caixeiro Viajante e o Problema de Roteamento de Veículos. Nesta dissertação, consideramos um problema de transporte sob a perspectiva da teoria de jogos algorítmica onde todos os jogadores querem ser transportados a um destino em comum o mais rápido possível, e para isso eles devem escolher um dentre os ônibus disponíveis. Revisamos alguns resultados quanto à existência e à ineficiência de equilíbrios puros de Nash em relação a duas funções sociais. Então, apresentamos limitantes para o Preço de Anarquia para uma nova função social, chamada de função utilitária. Consideramos também o jogo na forma extensiva, o qual chamamos de jogos de transporte sequenciais e apresentamos limitantes para o Preço da Anarquia Sequencial considerando três funções sociais, para instâncias métricas e não-métricasAbstract: Problems related to transportation, such as the Traveling Salesman Problem and the Vehicle Routing Problem, commonly appear in the Combinatorial Optimization area. In this master¿s thesis, we present a game-theoretic analysis of a transportation game where all players want to be transported to a common destination as quickly as possible and, in order to achieve this goal, they have to choose one of the available buses. We review some results concerned with the existence and inefficiency of Pure Nash Equilibria in relation with two social functions. Then, we give bounds on the Price of Anarchy to a new social function, called the utilitarian function. Furthermore, we consider the game in its extensive form, which we call sequential transportation games, and then we provide bounds for the Sequential Price of Anarchy considering three social functions in both metric and non-metric instancesMestradoCiência da ComputaçãoMestre em Ciência da Computação2017/05223-9148027/2016-4FAPESPCNP

Jogos de localização de instalações não cooperativos e percepção de custos

Orientadores: Eduardo Candido Xavier, Guido SchäferTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: Esta tese de doutorado cobre a interseção entre problemas de localização de instalações e teoria dos jogos algorítmica não cooperativa, com ênfase em alterações da percepção de custos de cada jogador e seu efeito na qualidade de equilíbrios. O problema de localização de instalações é um dos problemas fundamentais em otimização combinatória. Em sua versão clássica, existe um conjunto de terminais e um conjunto de instalações, e cada terminal necessita ser conectado a uma instalação, para que esta providencie bens ou serviços. O objetivo é minimizar o total dos custos associados à abertura das instalações e à conexão dos terminais a essas instalações. Na prática, existem diversos cenários onde é inviável ou não é desejável que uma autoridade central única decida como clientes devem escolher as instalações às quais se conectam. Dessa forma, é importante estudar como a independência desses terminais pode afetar a eficiência social e a complexidade computacional para esses cenários. A teoria dos jogos algorítmica pode ser útil para tais cenários, em particular sua parte não cooperativa. A teoria dos jogos algorítmica preenche uma lacuna entre a ciência da computação teórica e a teoria dos jogos, e está interessada em questões como a complexidade computacional de se encontrar equilíbrios, o quanto o bem-estar social pode ser perdido devido ao egoísmo de jogadores e como desenvolver mecanismos para garantir que o melhor interesse dos jogadores se alinhe com o ótimo social. Nesta tese, estudamos jogos de localização de instalações não cooperativos e algumas de suas variantes. Focamos em responder questões relativas à existência de equilíbrios de Nash puros e sobre as principais medidas de perda de eficiência, o preço da anarquia e preço da estabilidade. Apresentamos uma revisão das descobertas mais importantes para as variantes básicas, com novos resultados nos casos onde nenhum era conhecido. Para a versão capacitada desses jogos, mostramos que, enquanto a simultaneidade pode levar a uma perda de eficiência ilimitada, quando se admite a sequencialidade de jogadores, é possível mostrar que a perda de eficiência tem limites. Também investigamos como mudanças na percepção de custo podem afetar a qualidade de equilíbrios de duas maneiras: através de jogadores altruístas e de esquemas de taxação. No primeiro, adaptamos resultados de jogos de compartilhamento justo de custos e apresentamos novos resultados sobre uma versão sem regras de compartilhamento. No último, propomos um modelo de mudança na percepção de custos, onde os jogadores consideram um pedágio adicional em suas conexões ao calcular seus custos. Apresentamos limitantes para o custo total das taxas no problema de pedágios mínimos, onde o objetivo é encontrar o valor mínimo de pedágio necessário para garantir que um determinado perfil de estratégia socialmente ótimo seja escolhido pelos jogadores. Mostramos algoritmos para encontrar pedágios ótimos para tal problema em casos especiais e relacionamos esse problema a um problema de emparelhamento NP-difícilAbstract: This Ph.D. thesis covers the intersection between facility location problems and non-cooperative algorithmic game theory, with emphasis on possible changes in cost perception and its effects in regards to quality of equilibria. The facility location problem is one of the fundamental problems in the combinatorial optimization field of study. In its classic version, there exists a set of terminals and a set of facilities, and each terminal must be connected to a facility, in order for goods or services to be provided. The objective is to minimize the total costs associated with opening the facilities and connecting all the terminals to these facilities. In practice, there are multiple scenarios where it is either infeasible or not desirable for a single central authority to decide which facilities terminals connect to. Thus, it is important to study how the independence of these terminals may affect social efficiency and computational complexity in these scenarios. For this analysis algorithmic game theory can be of use, in particular its non-cooperative part. Algorithmic game theory bridges a gap between theoretical computer science and game theory, and is interested in questions such as how hard it is computationally to find equilibria, how much social welfare can be lost due to player selfishness and how to develop mechanisms to ensure that players' best interest align with the social optimum. In this thesis we study non-cooperative facility location games and several of its variants. We focus on answering the questions concerning the existence of pure Nash equilibria and the main measures of efficiency loss, the price of anarchy and the price of stability. We present a review of the most important findings for the basic variants and show new results where none were known. For the capacitated version of these games, we show that while simultaneity may lead to unbounded loss of efficiency, when sequentiality is allowed, it is possible to bound the efficiency loss. We also investigate how changes in players' perception of cost can affect the efficiency loss of these games in two ways: through altruistic players and through tolling schemes. In the former we adapt results from fair cost sharing games and present new results concerning a version with no cost sharing rules. In the latter, we propose a model for change in cost perception where players consider an additional toll in their connections when calculating their best responses. We present bounds for total toll cost in the minimum toll problem, where the objective is to find the minimum amount of tolls needed to ensure that a certain socially optimal strategy profile will be chosen by players. We show algorithms for finding optimal tolls for the minimum toll problem in special cases and provide some insight into this problem by connecting it to a matching problem which we prove is NP-hardDoutoradoCiência da ComputaçãoDoutor em Ciência da Computação147141/2016-8CAPESCNP