Математичні парадокси

Словник / Спільне знання

Словник · спільне знання

Скільки підтверджень треба, щоб наважитися разом?

Два генерали стоять на двох пагорбах, між ними долина з ворогом. Удвох вони переможуть, поодинці загинуть. Домовитися можна лише через гінців, а гінця можуть перехопити. Генерали обмінюються підтвердженнями: «отримав», «отримав твоє "отримав"»… Здається, після десятка таких листів сумнівів не лишиться. Але й тисяча підтверджень не дає того, що їм насправді потрібно.

На пальцяхкартинки, аналогії, маленькі числа

Шар «На пальцях» приховано на всіх задачах.

Парадокс двох генералів

Генерал A посилає гінця: «Атакуємо на світанку». Генерал B відповідає своїм гінцем: «Отримав». A відповідає: «Отримав твоє "отримав"». І так далі, по черзі. Кожного гінця ворог може перехопити, і тоді відправник про це не дізнається.

Після скількох доставлених гінців генерал може атакувати й бути певним, що не опиниться в бою сам?

Останній гінець завжди під питанням

Хоч скільки гінців у плані, хтось відправляє останнього й не знає, чи той дійшов. Щоб дізнатися, потрібне ще одне підтвердження, а з ним та сама біда. Тому вимога «більше підтверджень» не рятує: вона лише робить спільну атаку рідшою. А в ті ночі, коли генерал усе-таки йде в бій, ризик опинитися самому лишається тим самим, що й шанс утратити одного гінця.

Кожен доставлений гінець додає до ланцюжка одне «знає, що». Перший: B знає план. Другий: A знає, що B знає. Третій: B знає, що A знає, що B знає. Генералам же потрібно, щоб усі ці поверхи були збудовані одразу, до нескінченності. Це й називають спільним знанням, і гінці його не дають ніколи.

Шепнути чи сказати вголос

Троє друзів нудьгують на вечірці. Кожен піде, лише якщо піде компанія: стирчати у дверях самому ніяково. Ви знаєте, що таксі чекає біля входу. Як донести це так, щоб вони пішли разом? Спробуйте шепотіти кожному окремо, а потім просто скажіть уголос.

    Що таке спільне знання

    Факт є спільним знанням групи, якщо його знає кожен, кожен знає, що всі його знають, кожен знає, що всі знають, що всі знають, і так без кінця. Звучить як гра слів, але різниця цілком практична. Коли треба діяти разом і ніхто не хоче бути першим, мало, щоб кожен знав. Треба, щоб кожен був певен, що інші теж певні.

    Найпростіший спосіб створити спільне знання — сказати щось публічно, коли всі бачать, що всі чують. Ланцюжок приватних повідомлень, хоч який довгий, цього не замінить.

    Строготаблиці, графіки, формули

    Шар «Строго» приховано на всіх задачах.

    «Усі знають» — ще не спільне знання

    Усі знають

    Кожен знає факт, але може думати, що решта не знає. Скажімо, кожному колезі окремо сказали, що завтра свято. Чи прийде завтра хтось на роботу «про всяк випадок», бо не певен щодо інших?

    Спільне знання

    Те саме оголосили на загальних зборах. Нового факту ніхто не почув, але тепер кожен знає, що знають усі, і що всі знають і це. Вдома лишаться всі.

    Класичний приклад — казка Андерсена «Нове вбрання короля» (1837). Кожен у натовпі бачить, що король голий, але мовчить: а раптом інші бачать вбрання? Хлопчик вигукує те, що всі й так бачили. Нового він не повідомив нічого, проте після його слів кожен знає, що й інші це бачать, і натовп сміється разом.

    Майже спільне знання не краще за жодне

    Здається, тисяча поверхів «знає, що» — це майже нескінченність, і поводитися люди мають майже так, ніби знання спільне. Економіст Аріель Рубінштейн 1989 року показав, що це не так. У його «грі з електронною поштою» комп'ютери двох гравців автоматично пересилають підтвердження, доки якийсь лист не загубиться. Для раціональних гравців результат такий самий, наче листів не було зовсім: хоч скільки підтверджень надійшло, жоден не ризикує.

    Чому так, видно в симуляції генералів. Генерал B отримав рівно k гінців, і більше ніхто не прийшов. Можливо, перехопили його власну відповідь, і тоді A теж має k гінців і атакує. А можливо, ще раніше перехопили гінця, якого A мав надіслати, і тоді A отримав лише k − 1 і чекає. Обидва варіанти майже однаково ймовірні, тож на самій межі генерал B вгадує, ніби кидає монетку.

    P(B сам | B отримав рівно k) = 1 / (2 − p)

    Тут p — шанс утратити гінця. При p = 10% це 1/1,9 ≈ 52,6%, тобто навіть трохи гірше за монетку, і від k це не залежить. Зіграйте ночі в симуляції вище, і тут з'являться ваші числа.

    Рубінштейн довів, що з таких «монеток» і складається рівновага: якщо на межі ризикувати не варто, то не варто й на крок вище, а тоді й ще на крок, і так до будь-якої кількості листів.

    Де спільне знання вирішує все

    • Зустрітися без телефонуТомас Шеллінг у книжці «Стратегія конфлікту» (1960) питав студентів: де і коли ви чекатимете незнайомця в Нью-Йорку, якщо домовитися неможливо? Найчастіше відповідали: опівдні біля довідкового бюро на вокзалі Ґранд-Сентрал. Не тому, що це найкраще місце, а тому, що кожен чекає, що інший подумає про нього. Такі точки називають фокусними.
    • Реклама на СупербоуліПолітолог Майкл Чве в книжці «Rational Ritual» (2001) пояснив, навіщо платити шалені гроші за рекламу у фіналі американського футболу. Кожен глядач знає, що мільйони інших бачать те саме, і знає, що вони теж це знають. Це спільне знання найцінніше для товарів, які купують, коли купують інші.
    • Правила дорожнього рухуЇхати правою смугою зручно лише тоді, коли всі певні, що всі інші теж поїдуть правою. Філософ Девід Льюїс у книжці «Convention» (1969) пояснив через спільне знання, як тримаються такі домовленості.
    • Комп'ютерні мережіЗадача двох генералів — це задача про будь-які два комп'ютери, що домовляються через мережу, де пакети губляться. Джозеф Галперн і Йорам Мозес 1990 року довели: якщо повідомлення можуть губитися, спільного знання не досягти. Тож мережеві протоколи не шукають певності, а покладаються на тайм-аути й повтори.
    • Ігри розумуТеоретики ігор часто припускають, що раціональність гравців — спільне знання: кожен розумний, знає, що інші розумні, і так далі. Від того, чи справедливе це припущення для живих людей, залежить, як грати в таких задачах, як «Вгадай 2/3 від середнього» чи «Дилема мандрівника».

    Ще два дивні наслідки

    • Не можна погодитися не погоджуватисяРоберт Ауман 1976 року довів: якщо двоє раціональних людей починали з однакових переконань, а їхні оцінки ймовірності події стали спільним знанням, ці оцінки мусять збігтися, хоч яку різну інформацію вони мали. Сама суперечка, що триває відкрито, означає, що хтось із них не зовсім раціональний або не довіряє іншому.
    • Фраза, яку всі й так зналиЯкщо кожен у групі вже знав факт, публічне оголошення не додає жодної нової інформації про світ. Воно додає інформацію про те, що знають інші. Чи може це щось змінити, подумайте над задачею «Блакитноокі острів'яни».
    Глибшеузагальнення, теорія, історія

    Шар «Глибше» приховано на всіх задачах.

    Формальне означення

    E¹φ = «кожен знає φ»,   Ek+1φ = E(Ekφ),   Cφ = E¹φ ∧ E²φ ∧ E³φ ∧ …

    Ekφ — це k поверхів «усі знають, що». Спільне знання Cφ вимагає всіх поверхів одночасно. Його можна задати й без нескінченного ряду, як нерухому точку: Cφ рівносильне E(φ ∧ Cφ). Тобто факт є спільним знанням, коли всі знають і сам факт, і те, що він спільне знання. Саме так працює публічна заява: почувши її, кожен знає, що всі інші почули її разом із ним.

    У мові можливих світів Ауман описав це так: подія є спільним знанням, якщо вона правдива в кожному світі, до якого можна дійти будь-яким ланцюжком «а раптом він думає, що…».

    Формули для генералів

    P(доставлено рівно n гінців) = (1 − p)n · p

    B отримує непарні гінці, A парні. За правилом «атакувати після k» B атакує, коли доставлено щонайменше 2k − 1 гінців, а A — щонайменше 2k. Тому:

    разом = (1 − p)2k  ·  сам = p · (1 − p)2k−1  ·  сам, коли хтось атакував = p

    Остання частка не залежить від k зовсім. Більший k лише зменшує шанс атакувати взагалі: при p = 10% і k = 10 генерали атакують разом лише в 12,2% ночей, а ризик для того, хто пішов у бій, лишається 10%. Щоб він зник, k має бути нескінченним, тобто генерали мають мати спільне знання.

    Звідки взялася ідея

    • 1969Філософ Девід Льюїс у книжці «Convention» і, незалежно, соціолог Морріс Фріделл уперше описали спільне знання як нескінченний ланцюжок «знає, що».
    • 1975–1978Аккоюнлу, Еканадхам і Губер описали задачу про ненадійних гінців, а Джим Ґрей у конспектах про бази даних 1978 року переказав її як задачу двох генералів.
    • 1976Роберт Ауман дав математичне означення в статті «Agreeing to Disagree». 2005 року він отримав Нобелівську премію з економіки разом із Томасом Шеллінгом.
    • 1989–1990Аріель Рубінштейн показав, що «майже спільне» знання поводиться як відсутнє, а Галперн і Мозес довели, що через ненадійний зв'язок спільного знання не досягти.

    Де це трапляється

    Ще в темі «Ігри та логіка»

    Усі терміни →