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3.3 Conclusion

4.1.1 Une manipulation qui augmente le nombre de solutions

La premi`ere manipulation que nous proposons d’´etudier consiste `a augmenter artificiellement le nombre de structures de coalitions ´etant `a la fois satisfaisantes pour l’agent am et stables. C’est pour cela que nous appelons cette manipulation, une manipulation constructive. Pour ce faire, l’agent am fournit un faux profil de pr´ef´erence (d´efinition 3.2.1) o`u il se dit indiff´erent vis-`a-vis de toutes les coalitions de CaNm et introduit un agent Sybil pr´esentant ses v´eritables pr´ef´erences.

D´efinition 4.1.1 - Manipulation constructive : Soit HG = hN,  ,Pi un jeu h´edonique et am ∈ N un agent malhonnˆete ayant le profil de pr´ef´erence am= Cam,1 am Cam,2 am . . . am Cam,2n−1. La manipulation constructive MC mise en œuvre par am sur HG est MC = h{am,s},{MC am , MC s }, ami o`u : MC am = Cam,1MC am Cam,2MC am . . . ∼MC am Cam,2n−1 MC s = Cam,1∪ {s} \ {am} MC s Cam,2∪ {s} \ {am} MC s . . . MC s Cam,2n−1 ∪ {s} \ {am} 62

4.1. Manipulation constructive

Remarquons que dans cette d´efinition, l’agent am et l’agent Sybil s consid`erent leur coali-tion singleton respective comme pr´ef´er´ee `a toutes les coalitions auxquels ils peuvent appartenir conjointement. Cela permet de garantir que la solution du jeu apr`es manipulation soit acceptable (d´efinition 3.2.4).

Exemple 4.1.1 - Soit un jeu h´edonique HG = hN,  ,Pi avec : N = {a1,a2,a3,am} a1= {a1,a2} a1 {a1,a3,am} a1 {a1,a3} ∼a1 {a1,a2,am} a1 {a1,a2,a3,am} ∼a1 {a1} a2= {a1,a2} ∼a2 {a2,a3,am} a2 {a1,a2,a3} ∼a2 {a2,am} a2 {a1,a2,am} a2 {a2,a3} a2 {a1,a2,a3,am} ∼a2 {a2} a3= {a1,a3} ∼a3 {a2,a3,am} a3 {a3,am} a3 {a1,a2,a3} a3 {a2,a3} a3 {a1,a2,a3,am} ∼a3 {a3} am= {a1,am} am {a2,am} am {a3,am} am{am} La manipulation constructive mise en œuvre par am est :

MC am = {a1,am} ∼MC am {a2,am} ∼MC am {a3,am} ∼MC am {a1,a2,am} ∼MC am {a1,a3,am} ∼MC am {a2,a3,am} ∼MC am {a1,a2,a3,am} ∼MC am {am} MC s = {a1,s} MC s {a2,am} MC s {a3,s} MC s {s}

L’application de MC sur HG donne donc le jeu HGMC = hNMC, MC ,Pi o`u : NMC = {a1,a2,a3,am,s} MC 1 = {a1,a2} ∼MC a1 {a1,a2,s} MC a1 {a1,a3,am} ∼MC a1 {a1,a3,am,s} MC a1 {a1,a3} ∼MC a1 {a1,a3,s} ∼MC a1 {a1,a2,am} ∼MC a1 {a1,a2,am,s} MC a1 {a1,a2,a3,am} ∼MC a1 {a1,a2,a3,am,s} ∼MC a1 {a1} ∼MC a1 {a1,s} MC 2 = {a1,a2} ∼MC a2 {a1,a2,s} ∼MC a2 {a2,a3,am} ∼MC a2 {a2,a3,am,s} MC a2 {a1,a2,a3} ∼MC a2 {a1,a2,a3,s} ∼MC a2 {a2,am} ∼MC a2 {a2,am,s} MC a2 {a1,a2,am} ∼MC a2 {a1,a2,am,s} MC a2 {a2,a3} ∼MC a2 {a2,a3,s} MC a2 {a1,a2,a3,am} ∼MC a2 {a1,a2,a3,am,s} ∼MC a2 {a2} ∼MC a2 {a2,s} MC 3 = {a1,a3} ∼MC a3 {a1,a3,s} ∼MC a3 {a2,a3,am} ∼MC a3 {a2,a3,am,s} MC a3 {a3,am} ∼MC a3 {a3,am,s} MC a3 {a1,a2,a3} ∼MC a3 {a1,a2,a3,s} MC a3 {a2,a3} ∼MC a3 {a2,a3,s} MC a3 {a1,a2,a3,am} ∼MC a3 {a1,a2,a3,am,s} ∼MC a3 {a3} ∼MC a3 {a3,s} MC a = {a1,am} ∼MC a {a2,am} ∼MC a {a3,am} ∼MC a {a1,a2,am} ∼MC a {a1,a3,am}

Chapitre 4. Stabilit´e au sens de Nash : un concept de solution robuste N SH G a1, a2 a3, am a1, a3 a2, am N SH GMC a1, a2 a3, am s a1, a3 a2, am s a1, s a2, a3, am a1, a2, am a3, s a1, a2, a3, am s

Figure 4.1 – Structures de coalitions stables au sens de Nash de HG et de HGMC

La figure 4.1 pr´esente les structures de coalitions stables pour les jeux HG et HGMC.

Comme nous le montre la figure 4.1, la manipulation constructive permet d’augmenter le nombre de structures de coalitions stables. Cette augmentation est due au fait que la manipula-tion constructive rend stable les structures de coalimanipula-tions o`u l’agent am est l’unique agent de N pr´ef´erant rejoindre une autre coalition. L’agent malhonnˆete est alors appel´e l’unique responsable de la non-stabilit´e de ces structures de coalitions.

D´efinition 4.1.2 - Agent responsable de la non-stabilit´e : Soit HG = hN,  ,Pi un jeu h´edonique et Π 6∈ N SHG une structure de coalitions. L’agent ai ∈ N est l’unique responsable de la non-stabilit´e de Π si :

1. ∃C ∈ Π ∪ {∅} : C ∪ {ai} ai CaΠi; 2. ∀aj ∈ N \ {ai},∀C ∈ Π ∪ {∅},CΠ

aj aj C ∪ {aj}. Nous notons dans toute la suite U RHG

ai l’ensemble des structures de coalitions dont l’agent ai est l’unique responsable de la non-stabilit´e.

Exemple 4.1.2 - Reprenons l’exemple 4.1.1. La figure 4.2 pr´esente les trois structures de coalitions de PN dont l’agent am est l’unique responsable de la non-stabilit´e.

Dans la suite de cette section, nous ´etudions la stabilit´e des structures de coalitions r´ esul-tantes de l’ajout de l’agent s dans l’une des coalitions de Π ou de la coalition singleton {s}. Nous montrons alors que l’ensemble des structures de coalitions stables de HGMC peut ˆetre calcul´e `a partir de HG. Pour simplifier la lecture, nous notons f (Π,s,C0) = Π0 ∈ PNMC la fonction qui ajoute l’agent s `a la coalition C0 ∈ Π ∪ {∅} et f−10) la fonction qui supprime l’agent s de Π0. Remarquons que pour toute structure de coalitions Π0 ∈ PNMC, il existe une est une seule structure Π ∈ PN telle que f−10) = Π.

Exemple 4.1.3 - Soit un jeu h´edonique HG = hN,  ,Pi o`u N = {a1,a2,a3,am}. Consid´erons la structure de coalitions Π = {{a1,a2},{a3},{am}}. L’ajout de l’agent s `a Π produit 4 structures de coalitions possibles dans PN :

4.1. Manipulation constructive

U RH Gam

a1 a2, a3, am

a1, a2, am a3

a1, a2, a3, am ax

Figure 4.2 – Partitions de PN dont am est l’unique responsable de la non-stabilit´e

– f (Π,s,∅) = { {a1,a2},{a3},{am},{s} } ; – f (Π,s,{a1,a2}) = { {a1,a2,s},{a3},{am} } ; – f (Π,s,{a3}) = { {a1,a2},{a3,s},{am} } ; – f (Π,s,{am}) = { {a1,a2},{a3},{am,s} }.

Afin d’´etudier la rationalit´e de MC, nous devons d´efinir l’ensemble des structures de coa-litions stables de HGMC. Dans la suite, pour toute partition Π ∈ PN, nous d´esignons par cardMC(Π|HG) le nombre de structures de coalitions Π0∈ N SHGMC construites `a partir de Π :

cardMC(Π|HG) = |{ Π0 ∈ N SHGMC|f−10) = Π }|

Par extension, pour tout ensemble de structures de coalitions P ⊆ PN, nous d´esignons par cardMC(P|HG) le nombre de structures de coalitions Π0 ∈ N SHGMC construites `a partir des structures de coalitions de l’ensemble P :

cardMC(P|HG) = X

Π∈P

cardMC(Π|HG)

Regardons dans un premier temps l’effet de la manipulation constructive sur les structures de coalitions stables pour le jeu HG.

Propri´et´e 4.1.1 : Soit HG = hN,  ,Pi un jeu h´edonique et HGMC = hNMC, MC ,Pi le jeu r´esultant de la mise en œuvre de la manipulation constructive par am ∈ N sur HG. Soit Π ∈ N SHG une structure de coalitions stable au sens de Nash de HG. La structure de coalitions Π0 = f (Π,s,C0) de HGMC est stable au sens de Nash si et seulement si les deux conditions suivantes sont satisfaites :

1. C0 6= CΠ am;

2. ∀C ∈ (Π \ {CaΠm}) ∪ {∅} : C0∪ {am} am C ∪ {am}.

D´emonstration : Fixons une structure de coalitions Π ∈ N SHG et une coalition C0 ∈ (Π \ {CaΠm}) ∪ {∅}. Montrons dans un premier temps que la condition (1) est n´ecessaire pour que la structure de coalitions Π0 = f (Π,s,C0) de HGMC soit stable au sens de Nash. Par d´efinition

Chapitre 4. Stabilit´e au sens de Nash : un concept de solution robuste coalitions Π0 n’est pas stable pour le jeu HGMC.

Supposons maintenant que la condition (1) est satisfaite et montrons que la condition (2) est ´

egalement n´ecessaire `a la stabilit´e de la structure de coalitions Π0. Par d´efinition des pr´ef´erences de am dans la manipulation constructive, nous avons :

∀C ∈ (Π0\ {C0}) ∪ {∅},CaΠ

mMC

am C ∪ {am}

Par cons´equent, pour la structure de coalitions Π0, l’agent amne pr´ef`ere pas changer de coalition. Comme Π ∈ N SHG, nous avons ∀ai ∈ N \ {am},∀C ∈ Π ∪ {∅},CΠ

ai ai C ∪ {ai}. Par les hypo-th`eses d’ind´ependance des alternatives non-pertinentes et de b´en´efice du doute (hypoth`eses 3.2.3 et 3.2.4), ∀ai∈ N \ {am},∀C ∈ Π0∪ {∅}, nous avons :

CaΠiMC

ai CaΠi∪ {s} MC

ai C ∪ {ai} ∼MC

ai C ∪ {ai,s} Par construction de Π0, ∀ai ∈ N \{am}, nous avons soit CΠ0

ai = CaΠi, soit CaΠi0 = CaΠi∪{s}. Dans les deux cas, les agents honnˆetes ne pr´ef`erent pas changer de coalition pour la structure de coalitions Π0. Supposons que ∃C ∈ (Π \ {CΠ

am}) ∪ {∅} telle que C ∪ {am} am C0 ∪ {am}. Par d´efinition de MC

s , nous avons alors C ∪ {s} MC

s C0 ∪ {s}. Par cons´equent, la structure de coalitions Π0 n’est pas stable sous cette hypoth`ese. Supposons maintenant que ∀C ∈ (Π \ {CaΠm}) ∪ {∅}, C0∪ {am} am C ∪ {am}. Par d´efinition des pr´ef´erences de s dans la manipulation constructive, nous avons :

∀C ∈ (Π0\ {CaΠm}) ∪ {∅},CsΠ0 MC

s C ∪ {s}

En cons´equence, si la condition (2) est satisfaite, la structure de coalitions Π0 est stable.  Ainsi, selon la propri´et´e 4.1.1, l’agent Sybil peut rejoindre toute coalition qu’il ne pr´ef`ere pas `a une autre au sein d’une structure de coalitions Π stable de HG et garantir la stabilit´e de cette nouvelle structure. Remarquons que, comme la partition Π est stable, nous avons CaΠm am C0∪ {am}. Le corollaire de cette propri´et´e est qu’il existe au moins une structure de coalitions Π0 ∈ N SHGMC pour chaque structure de coalitions Π stable dans le jeu HG.

Corollaire 4.1.1 : Soit HG = hN,  ,Pi un jeu h´edonique et HGMC = hNMC, MC ,Pi le jeu r´esultant de la mise en œuvre de la manipulation constructive par am ∈ N sur HG. Pour toute structure de coalitions Π ∈ N SHG, nous avons :

cardMC(Π|HG) = |{C0 ∈ Π|∀C ∈ (Π \ {CaΠ

m}) ∪ {∅},C0∪ {am} am C ∪ {am}}| ≥ 1

L’intuition derri`ere ce corollaire est qu’il existe n´ecessairement au moins une coalition C0∈ (Π\{CaΠm}) respectant la seconde condition de la propri´et´e 4.1.1 (et elle respecte aussi la premi`ere condition par d´efinition de C0). Remarquons que si le profil de pr´ef´erence de l’agent malhon-nˆete est strict, c’est-`a-dire qu’il n’existe pas de coalition ´egalement pr´ef´er´ee `a une autre, alors cardMC(Π|HG) = 1 pour toute structure de coalitions Π ∈ N SHG.

Exemple 4.1.4 - Reprenons l’exemple 4.1.1. Il existe deux structures de coalitions stables : {{a1,a2},{a3,am}} et {{a1,a3},{a2,am}}. Consid´erons la structure de coalitions {{a1,a2},{a3,am}}. Si s rejoint la coalition {a1,a2}, la partition ,Π0 = { {a1,a2,s},{a3,am} } 6∈ N SHG car {s} MC

s

{a1,a2,s}. De mˆeme, comme CaΠm ∈ {a3,am}, { {a1,a2},{a3,am,s} } 6∈ N SHG. En revanche, la 66

4.1. Manipulation constructive Π C0 f (Π,s,C0) Π0 ∈ N SHGMC ? {a1,a2} { {a1,a2,s},{a3,am} } × { {a1,a2},{a3,am} } {a3,am} { {a1,a2},{a3,am,s} } × ∅ { {a1,a2},{a3,am},{s} } {a1,a3} { {a1,a3,s},{a2,am} } × { {a1,a3},{a2,am} } {a2,am} { {a1,a3},{a2,am,s} } × ∅ { {a1,a3},{a2,am},{s} }

Tableau 4.2 – Stabilit´e des structures de coalitions en fonction de C0 lorsque Π ∈ N SHG

structure de coalitions { {a1,a2},{a3,am},{s} } est stable. Le tableau 4.2 r´ecapitule la propri´et´e de stabilit´e pour les structures de coalitions construites `a partir de N SHG en fonction de la coalition C0 que rejoint l’agent Sybil s. Nous avons donc :

cardMC({ {a1,a2},{a3,am} }|HG) = 1 cardMC({ {a1,a3},{a2,am} }|HG) = 1 cardMC(N SHG|HG) = 2

´

Etudions maintenant l’influence de la manipulation constructive sur les structures de coali-tions de HG qui ne sont pas stables, car au moins un agent honnˆete d´esire changer de coalition. Propri´et´e 4.1.2 : Soit HG = hN,  ,Pi un jeu h´edonique et HGMC = hNMC, MC ,Pi le jeu r´esultant de la mise en œuvre de la manipulation constructive par am ∈ N sur HG. Suppons Π 6∈ N SHG telle qu’il existe un agent ai ∈ N \ {am} et une coalition C ∈ Π ∪ {∅} v´erifiant C ∪ {ai} ai CaΠi. Pour toute C0∈ Π ∪ {∅}, nous avons :

Π0= f (Π,s,C0) 6∈ N SHGMC

D´emonstration : Fixons une structure de coalitions Π 6∈ N SHG car il existe un agent ai ∈ N \ {am} tel que ∃C ∈ Π ∪ {∅} : C ∪ {ai} ai CaΠi. Par les hypoth`eses d’ind´ependance des alternatives non-pertinentes et de b´en´efice du doute (hypoth`ese 3.2.3 et 3.2.4), nous avons :

C ∪ {ai} ∼MC

ai C ∪ {ai,s} MC

ai CaΠiMC

ai CaΠi ∪ {s}

Par construction de Π0, soit C ∈ Π0, soit C ∪ {s} ∈ Π0. Dans les deux cas, il existe une coalition C ∈ Π0∪ {∅} telle que C ∪ {ai} MC

ai CaΠi0. Par cons´equent, la structure de coalitions Π0 n’est pas stable. 

Ainsi selon la propri´et´e 4.1.2, toute structure de coalitions r´esultante de l’ajout de s dans l’une des coalitions de Π n’est pas stable au sens de Nash pour le jeu HGMC.

Chapitre 4. Stabilit´e au sens de Nash : un concept de solution robuste ´

Etudions maintenant le dernier cas, c’est-`a-dire l’influence de la manipulation constructive sur les structures de coalitions qui ne sont pas stables, car l’agent malhonnˆete am est l’unique responsable de la non-stabilit´e (d´efinition 4.1.2).

Propri´et´e 4.1.3 : Soit HG = hN,  ,Pi un jeu h´edonique et HGMC = hNMC, MC ,Pi le jeu r´esultant de la mise en œuvre de la manipulation constructive par am ∈ N sur HG. Soit Π une structure de coalitions dont l’agent malhonnˆete am est l’unique responsable de la non-stabilit´e. La structure de coalitions Π0 = f (Π,s,C0) est stable pour le jeu HGMC si et seulement si :

∀C1 ∈ Π ∪ {∅},C0∪ {am} am C1∪ {am}

D´emonstration : Fixons une structure de coalitions Π ∈ U RHGam et une coalition C0 ∈ (Π \ {CaΠm}) ∪ {∅}. Soit Π0 = f (Π,s,C0) la structure de coalitions construite par l’ajout de s dans la coalition C0.

Montrons dans un premier temps que s’il existe une coalition C1 ∈ Π ∪ {∅} : C1∪ {am} am C0 ∪ {am} alors la structure de coalitions Π0 ne peut pas ˆetre stable au sens de Nash. Par d´efinition des pr´ef´erences de l’agent Sybil s dans la manipulation constructive (d´efinition 4.1.1), nous avons C1 ∪ {s} MC

s C0 ∪ {s}. Par ailleurs, par construction de Π0, soit C1 ∈ Π0, soit C1 = ∅. Dans les deux cas, par d´efinition de la stabilit´e, ,Π0 6∈ N SHGMC car l’agent s souhaite rejoindre la coalition C1.

Montrons maintenant que si ∀C1 ∈ Π ∪ {∅},C0 ∪ {am} am C1∪ {am} alors la structure de coalitions Π0 est stable au sens de Nash. Par d´efinition d’un agent responsable de la non-stabilit´e d’une structure de coalitions (d´efinition 4.1.2), cela vrai si et seulement si C0 6= CΠ

m. Par d´efinition des pr´ef´erences de am et de s dans la manipulation constructive ∀C ∈ Π0∪ {∅}, nous avons :

CaΠm0 MC

am C ∪ {am} CsΠ0 MC

s C ∪ {s}

Par les hypoth`eses d’ind´ependance des alternatives non-pertinentes et de b´en´efice du doute (hypoth`eses 3.2.3 et 3.2.4), ∀ai ∈ N \ {am},∀C ∈ Π ∪ {∅}, nous avons :

C ∪ {ai} ∼MC

ai C ∪ {ai,s} MC

ai CaΠiMC

ai CaΠi∪ {s} Par construction de Π0, ∀ai ∈ N \ {am}, soit CΠ0

ai = CaΠi, soit CaΠi0 ∪ {s}. Dans les deux cas, ∀ai∈ N \ {am}, nous avons ∀C ∈ Π0∪ {∅},CΠ0

ai MC

ai C ∪ {ai}. Par d´efinition, la partition Π0 est donc stable dans le jeu HGMC. 

Remarquons que, par d´efinition d’agent responsable de la non-stabilit´e de Π (d´efinition 4.1.2), il existe n´ecessairement au moins une coalition C0 ∈ Π ∪ {∅} telle que ∀C1 ∈ Π ∪ {∅},C0∪ {am} am C1∪ {am}. Nous pouvons ainsi d´eduire le nombre de structures de coalitions stables dans le jeu HGMC construit `a partir d’une structure de coalitions o`u l’agent malhonnˆete est l’unique responsable de la non-stabilit´e.

Corollaire 4.1.3 : Soit HG = hN,  ,Pi un jeu h´edonique et HGMC = hNMC, MC ,Pi le jeu r´esultant de la mise en œuvre de la manipulation constructive par am ∈ N sur HG. Pour 68

4.1. Manipulation constructive toute structure de coalitions Π ∈ U RHGam , nous avons :

cardMC(Π|HG) = |{C0∈ Π|∀C ∈ Π ∪ {∅},C0∪ {am} am C ∪ {am}}| ≥ 1

Exemple 4.1.5 - Reprenons l’exemple 4.1.1. L’ensemble des structures de coalitions o`u l’agent malhonnˆete est l’unique responsable de la non-stabilit´e sont : {{a1},{a2,a3,am}}, {{a1,a2,am},{a3}} et { {a1,a2,a3,am} }. La table 4.3 indique si une structure de coalitions Π0 est stable en fonction de la coalition C0 que rejoint l’agent Sybil s.

Π C0 f (Π,s,C0) Π0 ∈ N SHGMC ? {a1} { {a1,s},{a2,a3,am} } { {a1},{a2,a3,am} } {a2,a3,am} { {a1},{a2,a3,am,s} } × ∅ { {a1},{a2,a3,am},{s} } × {a1,a2,am} { {a1,a2,am,s},{a3} } × { {a1,a2,am},{a3} } {a3} { {a1,a2,am},{a3,s} } ∅ { {a1,a2,am},{a3},{s} } × { {a1,a2,a3,am} } {a1,a2,a3,am} { {a1,a2,a3,am,s} } × ∅ { {a1,a2,a3,am},{s} }

Tableau 4.3 – Stabilit´e au sens de Nash de f (Π,s,C0) en fonction de C0 et de Π ∈ U RHGam

De ce fait, nous avons :

cardMC({ {a1},{a2,a3,am}} }|HG) = 1 cardMC({ {a1,a2,am},{a3} }|HG) = 1 cardMC({ {a1,a2,a3,am} }|HG) = 1 cardMC(U RHGam|HG) = 3

Remarquons que si le profil de pr´ef´erence de am est strict comme dans l’exemple 4.1.5 alors il existe une seule et unique structure de coalitions Π0 ∈ N SHGMC construite de toute structure de coalitions Π ∈ U RHGam .

Grˆace aux corollaires 4.1.1, 4.1.2 et 4.1.3, nous avons montr´e que la manipulation construc-tive permet d’augmenter le nombre de structures de coalitions stables sans pour autant rendre instables dans HGMC celles qui l’´etaient dans HG. En effet, comme le montrent les exemples 4.1.1, 4.1.4 et 4.1.5, la manipulation constructive permet de passer d’un jeu h´edonique ayant deux structures de coalitions stables `a un jeu HGMC o`u il en a cinq.