Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την θεωρία παιγνίων και το πώς αυτή εφαρμόζεται στην οικονομική επιστήμη. Συγκεκριμένα, στόχος μας είναι να απαντήσουμε στο ερώτημα: «Πως αποφασίζονται οι τελικές στρατηγικές που θα επικρατήσουν σε ένα παίγνιο με την πάροδο του χρόνου;». Η εργασία είναι χωρισμένη σε δύο μέρη. Αρχικά αναφερόμαστε στην κλασσική θεωρία παιγνίων και αναλύουμε τα βασικά της στοιχεία και στη συνέχεια περνάμε στην ανάλυση της εξελικτικής θεωρίας παιγνίων. Στο 1ο μέρος της παρούσας εργασίας, λοιπόν, αναφέρουμε τα όσα είναι σχετικά με την κλασσικά θεωρία παιγνίων. Συγκεκριμένα, στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μία σύντομη ιστορική αναδρομή της θεωρίας αυτής και στο δεύτερο κεφάλαιο την ορίζουμε ως την επίσημη μελέτη που εξετάζει την ορθολογικότητα σε ένα επιχειρηματικό περιβάλλον και παρουσιάζουμε τα βασικά στοιχεία ενός παιγνίου. Αναφέρουμε τα δύο επίπεδα περιγραφής των παιγνίων, δηλαδή τα παίγνια συνεργασίας και μη-συνεργασίας, καθώς και τους δύο τρόπους αναπαράστασής τους που είναι η στρατηγική ή αλλιώς κανονική μορφή (μήτρες) και η εκτεταμένη ή αλλιώς αναλυτική μορφή (δέντρα παιγνίων). Στο τρίτο κεφάλαιο ορίζονται οι κυρίαρχες στρατηγικές και η αντίστοιχη ισορροπία κυρίαρχης στρατηγικής και στο τέταρτο κεφάλαιο ορίζεται η Ισορροπία Nash, η οποία αποτελεί τη στάνταρ έννοια της ισορροπίας στα οικονομικά. Στα δύο αυτά κεφάλαια (3 και 4) υπάρχουν παραδείγματα εφαρμογής που στοχεύουν στην καλύτερη κατανόηση, και αναλύεται και το Δίλημμα του Φυλακισμένου που αποτελεί το πιο κλασσικό παράδειγμα στη θεωρία παιγνίων. Στην περίπτωση, τώρα, όπου δεν υπάρχει Ισορροπία Nash (κάτι το οποίο συμβαίνει σε παίγνια στρατηγικής μορφής) το παίγνιο λύνεται με τη βοήθεια των μικτών στρατηγικών οι οποίες αναλύονται στο πέμπτο κεφάλαιο. Συνεχίζουμε με το έκτο κεφάλαιο, όπου παρουσιάζονται τα εκτεταμένα παίγνια πλήρους πληροφόρησης και αναλύεται η μέθοδος της προς τα πίσω επαγωγής (αναδίπλωση). Στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα παίγνια ελλιπούς πληροφόρησης και στο όγδοο κεφάλαιο αναφέρονται τα παίγνια μηδενικού αθροίσματος (π.χ. σκάκι) και το πώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν μαζί με τους τυχαιοποιημένους αλγόριθμους για την ανάλυση προβλημάτων στον απευθείας σύνδεσης υπολογισμό. Το 1ο μέρος κλείνει με ένα παράδειγμα εφαρμογής της θεωρίας παιγνίων, τις δημοπρασίες. Τι γίνεται όμως όταν ένα παίγνιο επαναλαμβάνεται και παίζεται περισσότερες από μία φορές; Το ερώτημα αυτό έρχεται να μας το απαντήσει η εξελικτική θεωρία παιγνίων στο 2ο μέρος της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Στα δύο πρώτα κεφάλαια, του μέρους αυτού, ορίζονται τα εξελικτικά παίγνια, γίνεται αναφορά για το που μπορούν να βρουν εφαρμογή καθώς και στους λόγους που δεν είναι ακόμη γνωστές οι οικονομικές εφαρμογές τους. Το τρίτο και το πέμπτο κεφάλαιο αποτελούν τα πιο σημαντικά κεφάλαιο του 2ου μέρους. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται αναλυτικά το μοντέλο των εξελικτικών παιγνίων και τα στοιχεία που το αποτελούν (αναμενόμενες ανταμοιβές, πληθυσμός, καταστάσεις). Περιγράφεται το στάδιο παιγνίου το οποίο ορίζεται από μία συνάρτηση καταλληλότητας και δίνεται έμφαση στις δύο γραμμικές προδιαγραφές που έχουν οι συναρτήσεις αυτές. Στη συνέχεια, αναλύεται πλήρως το πιο αντιπροσωπευτικό παράδειγμα της εξελικτικής θεωρίας παιγνίων, το παίγνιο Hawk-Dove, που αποτελεί ένα γενικό μοντέλο καταστάσεων με επιθετικές και αμυντικές αγορές. Το παίγνιο αυτό έχει δύο ειδών παίκτες, αυτοί που επιλέγουν να είναι επιθετικοί (Hawk) και αυτοί που επιλέγουν να είναι αμυντικοί (Dove), και ερευνάται το ποιο είδος παικτών θα επικρατήσει τελικά. Μέσα από την διαφορική εξίσωση που αναλύεται στο πέμπτο κεφάλαιο, στις δυναμικές, φαίνεται πως το αποτέλεσμα εξαρτάται από τρεις παραμέτρους: από τον αρχικό πληθυσμό, από την πιθανότητα να παιχτεί η καθεμία στρατηγική και από τον πίνακα με τις ανταμοιβές των παικτών. Έτσι απαντάται το αρχικό μας ερώτημα και προκύπτει η στρατηγική που τελικά θα επικρατήσει, που ονομάζεται εξελικτική στρατηγική (evolutionary stable strategy-ESS). Στο τέταρτο κεφάλαιο ορίζεται η Ισορροπία Nash (I.N.), η Εξελικτική Σταθερή Στρατηγική (ESS) και η Εξελικτική Ισορροπία (E.E.) και στο έκτο κεφάλαιο αναφέρουμε την τοπική κατάταξη συστημάτων με χαμηλές διαστάσεις και συγκεκριμένα τα γραμμικά παίγνια μίας-διάστασης, τα συστήματα δύο μεταβλητών και άλλα συστήματα δύο-διαστάσεων και μη-γραμμικά. Κλείνοντας το 2ο μέρος και γενικά την παρούσα εργασία, παρουσιάζουμε τρία παραδείγματα στα οποία φαίνεται η εφαρμοσιμότητα των όσων αναφέραμε. Συγκεκριμένα αναλύονται τρία γνωστά παίγνια τα οποία χρησιμοποιήθηκαν από την πολιτική και παραλληλίστηκαν με καταστάσεις που είχαν να αντιμετωπίσουν εκείνη τη στιγμή. / This thesis deals with the evolutionary game theory and how it applies to economics. First of all, it is necessary to refer the original game theory and to analyze the key elements and then move to the analysis of evolutionary game theory. In the first part of this study, therefore, we indicate what is on game theory. Specifically, in the first chapter is a brief history of game theory and the second chapter defined game theory as a formal study examining the rationality in a business environment and presents the basics elements of a game. Also, at this chapter i reffer to the description of games, namely, games of cooperation and non-cooperation, and the two ways of representing their strategy, the normal form (matrix) and the extensive form (game tree). The third chapter sets out the dominant strategy and the corresponding dominant strategy equilibrium and in the fourth chapter we define the Nash Equilimbrium, which is the standard notion of equilibrium in economics. In these two chapters (third and fourth) there are examples of the application for better understanding, and we analyze the prisoner's dilemma, which is the most classic example of game theory. If there is no Nash Equilimbrium (this could happen at narmal strategy games) the game is solved by mixed strategies, which are analyzed in the fifth chapter. Continuing, at the sixth chapter we can see the extensive games with perfect information and we analyze the method of backward induction. In the seventh chapter, we can see the extensive games with imperfect information and the eighth chapter refers to the zero-sum games and how they can be used together with randomized algorithms for the analysis of problems on-line calculation. Finally, the first part closes with an example application of game theory, the auctions. The question is “What happens when a game is played more than once?” The answer comes from the second part of this thesis in which we analyse the evolutionary game theory. In the first two chapters of this part we define evolutionary games, we refere where evolutionary games might be applicable and why economic application aren’t common already. The third and fourth chapter are the most important chapters of the second part. At the third chapter we present the model of the evolutionary game and its elements (expected payoffs, population, states). We describe the stage game which is defined by a fitness function and we emphasize at its two linear specifications. Then we make a full analysis one of the most representative example of evolutionary game theory, the Hawk-Dove game. This game has two types of players, aggressive (Hawk) and defensive (Dove), which reflects the situation where there is a competitive and an uncompetitive business, and the point is to find which of the two types will eventually prevail. Based on a differential equation, we conclude that the result depends on three parameters: the initial population, the probability with which each strategy is played and the payoff matrix. All this leads in a strategy which is known as evolutionary stable (ESS). In chapter five, we define the Nash Equilibrium, the Evolutionary Stable Strategy (ESS) and Evolutionary Equilibrium (EE) and in chapter six we analyze the local classification of low dimensions systems. To make clear the applicability of all those we mention at this thesis, we are closing with three examples. More specific we analyze three well-known games which were used by the political and paralleled with situations they had to face with.

Στα πλαίσια της διατριβής αναπτύξαμε δύο από τους πρώτους αλγορίθμους υπολογισμού μιας ε-προσεγγιστικής ισορροπίας Nash για την περίπτωση όπου το ε είναι κάποια σταθερά. Οι προσεγγίσεις που επιτυγχάνουν οι αλγόριθμοί μας είναι ε=3/4 και ε=(2+λ)/4 αντίστοιχα, όπου λ είναι το ελάχιστο, μεταξύ όλων των ισορροπιών Nash, κέρδος για έναν παίκτη. Επιπλέον, μελετήσαμε μια ευρεία κλάση τυχαίων παιγνίων δύο παικτών, για την οποία υπολογίσαμε μια πολύ καλή ε-προσεγγιστική ισορροπία Nash, με το ε να τείνει στο 0 καθώς το πλήθος των διαθέσιμων στρατηγικών των παικτών τείνει στο άπειρο. Οι αρχές της θεωρίας παιγνίων είναι χρήσιμες στην ανάλυση της επίδρασης που έχει στην καθολική απόδοση ενός συστήματος διαμοιραζόμενων πόρων η εγωιστική και ανταγωνιστική συμπεριφορά των χρηστών του. Προς την κατεύθυνση αυτή, εστιάσαμε στο πρόβλημα της εξισορρόπησης φορτίου. Μελετήσαμε διάφορα μοντέλα πληροφόρησης (π.χ. όταν όλα τα φορτία είναι άγνωστα ή όταν κάθε παίκτης γνωρίζει το μέγεθος του δικού του φορτίου) και αναλύσαμε για το καθένα το σύνολο και τις ιδιότητες των ισορροπιών Nash. Yπολογίσαμε επίσης φράγματα στο λόγο απόκλισης, ο οποίος εκφράζει την επίδραση που έχει στην απόδοση του συστήματος η εγωιστική συμπεριφορά των χρηστών του. Εκτός από τα υπολογιστικά θέματα που σχετίζονται με τη θεωρία παιγνίων, έχει ενδιαφέρον να μελετηθεί κατά πόσο μπορεί η θεωρία παιγνίων να βοηθήσει στην ανάπτυξη και ανάλυση αλγορίθμων για υπολογιστικά δύσκολα προβλήματα συνδυαστικής βελτιστοποίησης. Προς αυτήν την κατεύθυνση, μελετήσαμε από παιγνιοθεωρητική σκοπιά το πρόβλημα χρωματισμού των κορυφών ενός γραφήματος. Ορίσαμε κατάλληλα το παίγνιο χρωματισμού γραφήματος και αποδείξαμε ότι κάθε παίγνιο χρωματισμού γραφήματος έχει πάντα μια αγνή ισορροπία Nash, και ότι κάθε αγνή ισορροπία Nash αντιστοιχεί σε ορθό χρωματισμό του γραφήματος. Δείξαμε επίσης ότι υπάρχει πάντα μια αγνή ισορροπία Nash που χρησιμοποιεί βέλτιστο αριθμό χρωμάτων, δηλαδή ίσο με το χρωματικό αριθμό του γραφήματος. Επιπλέον, περιγράψαμε και αναλύσαμε έναν πολυωνυμικό αλγόριθμο που υπολογίζει μια αγνή ισορροπία Nash για ένα οποιοδήποτε παίγνιο χρωματισμού γραφήματος και χρησιμοποιεί συνολικά ένα πλήθος χρωμάτων που ικανοποιεί ταυτόχρονα τα περισσότερα κλασικά γνωστά φράγματα στο χρωματικό αριθμό. / We developed two algorithms for computing an e-approximate Nash equilibrium for the case where e is an absolute constant. The approximations achieved by our algorithms are e=3/4 and e=(2+l)/4 respectively, where $\lambda$ is the minimum, among all Nash equilibria, payoff of either player. Furthermore, we studied a wide class of random two player games, for which we showed how to compute an e-approximate Nash equilibrium, where e tends to zero as the number of strategies of the players tends to infinity. Game theoretic concepts are useful in determining the impact that selfish behavior plays on the global performance of a system involving selfish entities. Towards this direction, we focused on the problem of load balancing. We studied the case where the agents are not necessarily fully informed about the exact values of their loads. We focused on several models of information (e.g. when all agents know nothing about the loads, or when each agents knows her own load) and, for each model, we characterized the set of Nash equilibria and analyzed their properties. Moreover, we bounded the coordination ratio, a measure which captures the impact that selfish behavior has to the global performance of the system, in contrast to the performance achieved by an optimum centralized algorithm. Besides the computational issues related to game theory, it is interesting to investigate whether game theory can help us in developing and analyzing algorithms for computationally difficult combinatorial optimization problems. Towards this direction, we studied from a game theoretic point of view the problem of vertex coloring. In particular, we properly defined the graph coloring game and we proved that every graph coloring game has a pure Nash equilibrium, and each pure Nash equilibrium corresponds to a proper coloring of the graph. We also showed that there exists a pure Nash equilibrium that uses an optimum number of colors, i.e. equal to the chromatic number. Furthermore, we developed and analyzed a polynomial time algorithm that computes a pure Nash equilibrium for any graph coloring game, using a number of colors satisfying most of the known classical bounds on the chromatic number.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη καταστάσεων ανταγωνισμού μεταξύ χρηστών, για τη χρησιμοποίηση ενός συνόλου κοινόχρηστων πόρων. Για την μοντελοποίηση και ανάλυση των καταστάσεων αυτών χρησιμοποιούμε ως εργαλεία, έννοιες από την θεωρία παιγνίων, όπως ισορροπίες Nash, παίγνια συμφόρησης και μηχανισμοί συντονισμού. Ο κάθε κοινόχρηστος πόρος χρεώνει κάποιο κόστος στους χρήστες που τον χρησιμοποιούν. Θεωρούμε ότι οι χρήστες των κοινόχρηστων πόρων είναι εγωιστικοί, δηλαδή μοναδική τους επιδίωξη είναι η μεγιστοποίηση της προσωπικής τους ωφέλειας. Μια ισορροπία Nash είναι μια κατάσταση όπου κανένας χρήστης δεν μπορεί να αυξήσει το εγωιστικό του όφελος αν αλλάξει μονομερώς την στρατηγική του. Πιο συγκεκριμένα ασχολούμαστε με το KP-μοντέλο γνωστό και ως μοντέλο παράλληλων ακμών και ιδιαίτερα με μεθόδους σύγκλισης σε αγνές ισορροπίες Nash, όπου δηλαδή οι στρατηγικές (ακμές) των χρηστών είναι ντετερμινιστικές. Γενικά, ένα παίγνιο (σύστημα) δεν έχει πάντα μια αγνή ισορροπία Nash. Ωστόσο, εμείς θα μελετήσουμε περιπτώσεις που εγγυημένα έχουν τουλάχιστον μια αγνή ισορροπία Nash. Ονομάζουμε πολιτική χρέωσης των ακμών τον τρόπο με τον οποίο υπολογίζεται το κόστος του κάθε χρήστη όταν χρησιμοποιεί μια ακμή. Μια μέθοδος σύγκλισης σε μια αγνή ισορροπία Nash, είναι να επιτραπεί στους χρήστες να αλλάζουν εγωιστικά τις στρατηγικές τους μέχρι να καταλήξουν σε μια αγνή ισορροπία Nash. Ενδιαφερόμαστε για την ταχύτητα σύγκλισης σε μια αγνή ισορροπία Nash, δηλαδή το πλήθος των εγωιστικών αλλαγών στρατηγικών μέχρι να καταλήξουμε σε ισορροπία. Αρχικά, χρησιμοποιείται η πολιτική χρέωσης συνολικού φορτίου (Makespan), όπου κάθε ακμή χρεώνει το συνολικό της φορτίο σε κάθε χρήστη που την χρησιμοποιεί. Στην πιο απλή περίπτωση, η όλη διαδικασία χωρίζεται σε βήματα. Σε κάθε βήμα επιλέγεται, από το σύνολο των χρηστών που έχουν όφελος να αλλάξουν στρατηγική, ένας χρήστης ο οποίος αλλάζει στρατηγική. Η επιλογή γίνεται με βάση κάποιον αλγόριθμο προτεραιότητας. Για το μοντέλο αυτό, που ονομάζεται ESS-μοντέλο, η ταχύτητα σύγκλισης είναι στη χειρότερη περίπτωση εκθετική στο πλήθος των χρηστών. Παρουσιάζουμε την επίδραση των αλγορίθμων προτεραιότητας στην ταχύτητα σύγκλισης καθώς και αποτελέσματα για τρεις διαφορετικές κατηγορίες ακμών. Μια άλλη προσέγγιση, με εφαρμογή στα κατανεμημένα συστήματα, είναι η παράλληλη αλλαγή στρατηγικών από τους χρήστες (rerouting), όπου περισσότεροι από έναν χρήστες μπορούν να αλλάξουν ταυτόχρονα τη στρατηγική τους. Το μοντέλο αυτό υπερτερεί του ESS στην ταχύτητα σύγκλισης καθώς και στο πλήθος των πραγματικών καταστάσεων που μοντελοποιεί. Στη γενικότερη περίπτωση, όπου οι χρήστες επιτρέπεται να συνάπτουν συνασπισμούς (coalitions) μεταξύ τους, χρησιμοποιούμε έννοιες από τη συνεργατική θεωρία παιγνίων. Οπότε έχουμε να αντιμετωπίσουμε ομάδες χρηστών που αλλάζουν εγωιστικά τις ομαδικές στρατηγικές τους. Παρουσιάζουμε ένα ψευδοπολυωνυμικό φράγμα στην ταχύτητα σύγκλισης για μια ειδική περίπτωση όπου οι ακμές είναι πανομοιότυπες και επιτρέπονται συνασπισμοί πλήθους το πολύ δύο χρηστών. Ένας άλλος τρόπος σύγκλισης σε μια αγνή ισορροπία Nash είναι η κατασκευή ενός αλγορίθμου που αναθέτει στρατηγικές στους χρήστες, όχι απαραίτητα με βάση τα εγωιστικά κριτήρια του καθενός, χωρίς να αυξάνει το κοινωνικό κόστος. Με τον όρο κοινωνικό κόστος αναφερόμαστε σε μια συνολική μετρική της απόδοσης του συστήματος σε συνάρτηση με τις στρατηγικές των χρηστών του συστήματος. Ο αλγόριθμος Nashify που παρουσιάζουμε, συγκλίνει σε μια αγνή ισορροπία Nash σε πολυωνυμικό πλήθος βημάτων, χωρίς να αυξάνει το κοινωνικό κόστος. Στη συνέχεια, εισάγουμε την έννοια των μηχανισμών συντονισμού. Οι μηχανισμοί συντονισμού είναι ένα σύνολο πολιτικών χρέωσης για τις ακμές, που έχουν ως στόχο την παροχή κινήτρων στους εγωιστικούς χρήστες έτσι ώστε οι εγωιστικές αλλαγές των στρατηγικών τους να συγκλίνουν σε αγνές ισορροπίες Nash με μειωμένο κοινωνικό κόστος. Στην παρούσα εργασία, μελετάμε την επίδραση των μηχανισμών συντονισμού στην ταχύτητα σύγκλισης των εγωιστικών χρηστών σε μια ισορροπία Nash. Εξετάζουμε εκτός από την πολιτική χρέωσης συνολικού φορτίου (makespan) και κάποιες διαφορετικές πολιτικές χρέωσης (SJF, LJF, FIFO) και μελετάμε την επίδραση των αλγορίθμων προτεραιότητας στην ταχύτητα σύγκλισης τους. Παρουσιάζουμε και αποδεικνύουμε φράγματα στην ταχύτητα σύγκλισης για τις SJF και LJF πολιτικές που χρεώνουν τους χρήστες με βάση το μέγεθος των βαρών τους. Τέλος αποδεικνύουμε για την πολιτική χρέωσης FIFO, ένα γραμμικό άνω φράγμα στην ταχύτητα σύγκλισης για την ειδική περίπτωση των πανομοιότυπων ακμών και ένα ψευδοπολυωνυμικό άνω φράγμα για την γενική περίπτωση των ακμών. Τελικά, αξιολογούμε πειραματικά την επίδραση των αλγορίθμων προτεραιότητας στις πολιτικές χρέωσης στο ESS μοντέλo με πανομοιότυπες ακμές. Ουσιαστικά, συγκρίνουμε τις πολιτικές χρέωσης συνολικού φορτίου, SJF, LJF και FIFO καθώς και το συνεργατικό με το μη συνεργατικό μοντέλο σχετικά με τη ταχύτητα σύγκλισης τους. Παρατηρούμε ότι για την συνολικού φορτίου, SJF, LJF και FIFO πολιτική χρέωσης τα πειραματικά αποτελέσματα επαληθεύουν τα θεωρητικά φράγματα. Δηλαδή η FIFO πολιτική παρουσιάζει ταχύτερη σύγκλιση από τις υπόλοιπες πολιτικές ανεξάρτητα του αλγόριθμου προτεραιότητας. Για την περίπτωση των συνασπισμών με πολιτική χρέωσης συνολικού φορτίου, παρατηρούμε ότι η ταχύτητα σύγκλισης είναι πολυωνυμική στο πλήθος των χρηστών ακόμα και στην χειρότερη επιλογή συνασπισμών. Το αποτέλεσμα αυτό υποδεικνύει ότι το ψευδοπολυωνυμικό θεωρητικό άνω φράγμα μπορεί να βελτιωθεί. / General goal of the current diploma thesis is the study of competitive situations among users of a set of global resources. In order to analyze and model these situations we use as tools, game theoretic elements, such as Nash equilibrium, congestion games and coordination mechanisms. Every global resource debit a cost value to its users. We assume that the users are selfish, that is their sole objective is the maximization of their personal benefit. An Nash equilibrium is a situation in which no user can increase his personal benefit by changing only his or her own strategy unilaterally. More specific, we are interested in the KP-model or parallel links model and we study convergence methods to pure Nash equilibrium, in which all the strategies a user can select are deterministic. Generally, a game has not always a pure Nash equilibrium. Although we are going to study cases in which there is always at least one Nash equilibrium. We define as cost policy of an edge the function which computes the cost of each user of this edge. A method of convergence in a pure Nash equilibrium is, starting from an initial configuration, to allow all users to selfishly change their strategies (one after the other) until they reach a pure Nash equilibrium. We are interested in the convergence time to pure Nash equilibrium, that is the number of these selfish moves. Firstly, we study the makespan cost policy, in which each edge debits its total load to everyone that use it. In the most simple case, the whole procedure is divided into several steps. At each step, the priority algorithm choose one user from the set of users that benefit by changing their current strategy. For this model, named ESS-model, the convergence time is at the worst case exponential to the number of users. We present the effect of several priority algorithms to the convergence time and results for the major different cases of edges (identical, related, unrelated). Another approach, with applications to distributed systems, is the concurrent change of strategies (rerouting) in which more than one users can change simultaneously their strategies. This model is more powerful than ESS because of its real life applications. Another model we study is that of coalitions, in which the users can contract alliances. This model comes from cooperative game theory. In this case we have to deal with groups of users changing selfishly their group strategies. We present a pseudo-polynomial bound to the convergence time in the identical machines model with coalitions of at most 2 users. Another model of convergence, a little different than the others stated above, is the construction of an algorithm that delegates strategies to the users unselfishly without increasing the social cost. Informally, social cost is a total metric of the system performance depending on the users strategies. This model is named nashification and the algorithm nashify that provides converge to a pure Nash equilibrium in polynomial number of steps without increasing the social cost. As far as the coordination mechanisms are concerned, they are a set of cost policies for the edges, that provides motives to the selfish users in order to converge to a pure Nash equilibrium with decreased social cost. In this thesis, we study the effect of coordination mechanisms in the convergence time. We examine, except from makespan, the sjf, ljf and fifo cost policies. Sjf and ljf policies debit the users concerning their weights. The thesis results are divided in two categories. On the one hand, we prove upper and lower bounds of convergence time for sjf, ljf and fifo policies. Especially for fifo we prove in identical machines case a tight linear bound which is independent from the priority algorithm and a pseudo-polynomial bound in unrelated machines case. On the other hand, we implement all the above mentioned models and analyze them experimentally. In our experiments there are 3 parameters: the priority algorithm, the cost policy, and the number of coalitions. In all cases the experimental results follows the theoretical with one exception which is the most interesting among the experiments. In the case of coalitions with at most 2 users the theoretical upper bound is pseudo-polynomial to the number of users but the experimental results shows that the convergence time is polynomial. These results force us to conjecture that there is a polynomial upper bound.

Η διατριβή πραγματεύεται το αντικείμενο της Υπολογιστικής Νοημοσύνης στην Οικονομική και Χρηματοοικονομική επιστήμη. Στο πρώτο μέρος της διατριβής αναπτύσσονται μέθοδοι ομαδοποίησης και υπολογιστικής νοημοσύνης για τη μοντελοποίηση και πρόβλεψη χρονολογικών σειρών ημερησίων συναλλαγματικών ισοτιμιών. Η προτεινόμενη μεθοδολογία κατασκευάζει τοπικούς προσέγγιστές, με τη μορφή νευρωνικών δικτύων, για ομάδες προτύπων στο χώρο εισόδων που αναγνωρίζονται από μη-επιβλεπόμενους αλγόριθμους ομαδοποίησης. Στη συνέχεια κατασκευάζονται τεχνικοί κανόνες συναλλαγών απευθείας από τα δεδομένα με τη χρήση γενετικού προγραμματισμού. Η επίδοση των νέων κανόνων συγκρίνεται με αυτή των γενικευμένων κανόνων κινητού μέσου. Το δεύτερο μέρος της διατριβής πραγματεύεται την εφαρμογή εξελικτικών αλγορίθμων για τον υπολογισμό και την εκτίμηση του πλήθους σημείων ισορροπίας σε προβλήματα από τη θεωρία παιγνίων και τη νέα οικονομική γεωγραφία. Πιο συγκεκριμένα, αξιολογείται η ικανότητα των εξελικτικών αλγορίθμων να εντοπίσουν σημεία ισορροπίας κατά Nash σε πεπερασμένα στρατηγικά παίγνια και προτείνονται τεχνικές για τον εντοπισμό περισσοτέρων του ενός σημείων ισορροπίας. Τέλος εφαρμόζονται κριτήρια από τη θεωρία υπολογισμού σταθερών σημείων και τη θεωρία τοπολογικού βαθμού για τη διερεύνηση της ύπαρξης και της υπολογιστικής πολυπλοκότητας του υπολογισμού βραχυχρόνιων σημείων ισορροπίας σε μοντέλα νέας οικονομικής γεωγραφίας. / The thesis investigates Computational Intelligence methods in Economics and Finance. The first part of the thesis is devoted to computational intelligence methods and unsupervised clustering methods for modeling and forecasting daily exchange rate time series. A methodology is proposed that relies on local approximation, using artificial neural networks, for subregions of the input space that are identified through unsupervised clustering algorithms. Furthermore, we employ genetic programming to construct novel trading rules directly from the data. The performance of the novel rules is compared to that of generalised moving average rules. In the second part of the thesis we employ evolutionary algorithms to compute and to estimate the number of equilibria in finite strategic games and new economic geography models. In particular, we investigate the capability of evolutionary and swarm intelligence algorithms to compute Nash equilibria and propose an approach for the computation of more than one equilibria. Finally we employ criteria from the theory on computation of fixed points and topological degree theory to investigate the existence and the computational complexity of computing short run equilibria in new economic geography models.

Σκοπός της διατριβής είναι να εξετάσει θέματα που άπτονται της Οικονομικής και Νομισματικής Ένωσης (ΟΝΕ). Στο πρώτο κεφάλαιο, αρχικά, παρουσιάζουμε την θεωρητική και εμπειρική βιβλιογραφία που έχει αναπτυχθεί πάνω στο θέμα της ανεξαρτησίας των Κεντρικών Τραπεζών και ποιοι παράγοντες επηρεάζουν τη σχέση της με το πραγματικό προϊόν, την απασχόληση και τον πληθωρισμό και γίνεται αναφορά των επιχειρημάτων που απορρέουν μέσα από αυτές. Στο δεύτερο κεφάλαιο, αρχικά επιχειρούμε να μελετήσουμε τις στρατηγικές αλληλεξαρτήσεις μεταξύ των φορέων άσκησης νομισματικής και δημοσιονομικής πολιτικής μέσα σε μια νομισματική ένωση κάτω από διαφορετικά θεσμικά καθεστώτα, και στη συνέχεια εξετάζουμε το ρόλο των ασυμμετριών στις διαταραχές καθώς η νομισματική πολιτική μέσα σε μια νομισματική ένωση έχει σταθεροποιητικές επιδράσεις μόνο σε αθροιστικές μεταβλητές. Το τρίτο κεφάλαιο εστιάζεται στην διευρυμένη Ευρωπαϊκή Ένωση (ΕΕ) και ειδικότερα επιχειρούμε να μελετήσουμε το βαθμό ετερογένειας ανάμεσα στις οικονομίες των 27 χωρών-μελών. Επίσης εξετάζουμε τον βαθμό συγχρονισμού των οικονομικών τους κύκλων και τη συμμετρία των διαταραχών. Ο βαθμός ετερογένειας μετριέται με βάση συντελεστές Theil, ενώ χρησιμοποιούμε στοιχεία τόσο για το συνολικό χρονικό διάστημα 1995.1-2005.4 όσο και για δύο επιμέρους περιόδους, 1995.1-2000.4 και 2000.1-2005.4 (προ και μετά την υιοθέτηση του ενιαίου νομίσματος). Για τη μέτρηση του βαθμού συμμετρίας των μακροοικονομικών διαταραχών μεταξύ των χωρών-μελών στην ΕΕ-27 χρησιμοποιούμε μεθοδολογία SVAR διαχωρίζοντας τις διαταραχές σε διαταραχές ζήτησης και διαταραχές προσφοράς.Στο τέταρτο κεφάλαιο εξετάζουμε τη σχέση μεταξύ συμμετρίας των μακροοικονομικών διαταραχών και ενοποίησης του εμπορίου, είτε όταν αυτή αφορά το συνολικό εμπόριο είτε όταν αφορά το ενδοκλαδικό εμπόριο χρησιμοποιώντας στοιχεία για την περίοδο 1995q1-2005q4. Η ένταση του συνολικού εμπορίου μεταξύ δύο χωρών μετριέται ως ο λόγος του αθροίσματος των διμερών εξαγωγών και εισαγωγών προς το άθροισμα των συνολικών εισαγωγών και εξαγωγών των εν λόγω χωρών, ενώ για το ενδοκλαδικό εμπόριο υπολογίζουμε δείκτες Grubel-Lloyd. / The purpose of the thesis is to examine issues related to European Monetary Union (EMU). Firstly, in Chapter one we present the analytical and empirical literature which has been developed on Central Bank Independence issue and the factors that affect its relationship with real output, employment and inflation. In Chapter two, we study the structural interdependencies between the monetary and fiscal authorities in a monetary union under different regimes, and also we examine the role of shock asymmetries as monetary policy in a monetary union has stabilized effects only on aggregated variables. The third Chapter focuses on the enlarged European Union (E.U.) and specifically we study the degree of heterogeneity among the 27 member-countries. Also, we examine the degree of business cycle synchronization and the shock symmetry. The degree of heterogeneity is measured by Theil coefficients, and we use data not only for the period 1995.1-2005.4 but also for the two sub-periods 1995.1-2000.4 και 2000.1-2005.4 (pre and post the circulation of single currency). We use the SVAR methodology in order to measure the degree of macroeconomic shocks among the EU-27 member-states by separating shocks in demand and supply shocks. In Chapter four we examine the relationship between shock symmetry and trade integration, either it is related to total trade either to intra-industry trade by using data for the period 1995q1-2005q4. The trade intensity between two countries is measured as the ratio of the sum of imports and exports to the sum of total exports and imports of two countries, while we take the Grubel-Lloyd indexes to measure the intra-industry trade.

Η διατριβή χωρίζεται σε δύο μέρη. Στο Μέρος Α' χρησιμοποιούνται μαθηματικές μέθοδοι της Θεωρίας Παιγνίων και των Δυναμικών Συστημάτων για να μελετηθεί η κανονική και χαοτική δυναμική διαφόρων μοντέλων της Μικροοικονομίας. Βασικά αποτελέσματα είναι η μετάβαση σε συνθήκες πλήρους ανταγωνισμού και η διαφοροποίηση του παραγόμενου προιόντος σε ένα δυοπώλιο-τριοπώλιο. Στο Μέρος Β', κύριος στόχος της έρευνας ήταν να συνδεθούν ορισμένες από τις πλέον γνωστές μερικές διαφορικές εξισώσεις (ΜΔΕ) που χρησιμοποιούνται στα Οικονομικά Μαθηματικά και Χρηματοοικονομικά, με την εξίσωση της θερμότητας της Μαθηματικής Φυσικής, εφαρμόζοντας την κατά Lie συμμετρίες ανάλυση. Επίσης η ανάλυση αυτή αποδείχθηκε ιδιαίτερα ισχυρή για την εύρεση αλγεβρικών δομών εξισώσεων που περιγράφουν την τιμολόγηση αγαθών. Έτσι, οδηγούμαστε με συστηματικό τρόπο όχι μόνο στην εύρεση νέων λύσεων αλλά και στην ανακάλυψη κομψών γενικεύσεων των εξισώσεων αυτών. / The thesis is divided into two parts. In Part One we use the mathematical methods of Game Theory and Dynamical Systems to study the stable and chaotic dynamics of various models in Microeconomics. Some of our main results are the route to perfect competition and the differentiation of goods in a duopoly and in a triopoly. In Part Two, our main concern was to link some of the most well-known partial differential equations that are encountered in Economics and Financial Mathematics, with the heat equation of Mathematical Physics, using Lie symmetry analysis. More to that, this analysis proved extremely powerful to the finding of interesting algebraic properties for equations that describe the pricing of commodities. In such way, we succeed in presenting, in a systematic fashion, not only new solutions, but also elegant generalisations of the equations under investigation.