Thèse de doctorat : Sciences économiques : Lyon 2 : 2000. / Thèse non corrigée. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr.

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Cette thèse porte sur la modélisation probabiliste, via des processus de Markov, de communautés de joueurs accumulant leurs gains. Cette accumulation de gain s'appelle la richesse du joueur. Dans le premier modèle que nous étudions la richesse représente l'énergie d'une particule biologique. Dans le second modèle la richesse représente le patrimoine financier de l'individu. Les individus s'échangent de la richesse via des jeux stratégiques. L'objectif de cette thèse est de trouver des outils appropriés à ces modèles afin de connaître la distribution des richesses des individus. Dans une première partie, on considère un modèle biologique d'accumulation de richesses : le Dilemme du Prisonnier Démographique. Ce modèle fait intervenir deux types d'espèce : les altruistes, que l'on peut voir comme des proies, et les égoïstes, que l'on peut voir comme des prédateurs. Dans le Dilemme du Prisonnier Démographique (que l'on note DPD), les individus meurent si leur richesse devient négative et peuvent donner naissance si ils sont suffisamment riches. On répond dans ce contexte à la question centrale : " Est ce que les proies peuvent survivre sur du long terme dans un environnement hostile ? / This thesis is about the probabilistic modelisation, via Markov processes, of community of players accumulating their payoff. This payoff is called wealth. In a first model, wealth represents the energy of a biological particle. In a second model, wealth represents the financial wealth of an individual. In both models, individuals exchange wealth via strategic games. The goal of this thesis is to find appropriate tools to these models in order to know the wealth distribution of individuals. In a first part, we consider a biological wealth accumulation model called Demographic Prisoner's Dilemma (denoted DPD). In this model there are two kinds of species : the altruistic ones, that we can see as preys ; and the selfish ones, that we can see as predators. In the DPD, particles dies if their wealth become negative. They can give birth if they are rich enough. This model takes place in the evolutionnary game theory. We answer in this context to the central question : " Can prey survive in long term in an hostile environment ? "

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

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Le dilemme itéré du prisonnier est une représentation mathématique de la coopération entre agents. Ce modèle est issu de la théorie des jeux dont le but initial est d'étudier les situations de conflits d'intérêts entre individus. La pauvreté des résultats qu'elle implique dans le cas du dilemme du prisonnier rend son utilisation assez inefficace. Une nouvelle approche évolutionniste basée en grande partie sur des simulations informatiques a été initiée par Robert Axelrod. Les agents sont caractérisés par leur comportement, ou stratégie. Axelrod a mis en évidence quatre propriétés qu'une stratégie doit posséder pour être efficace, et propose la stratégie donnant_donnant comme exemple.<br /><br />Notre travail consiste à étudier et approfondir ce type de simulations. Nous adaptons le modèle afin de prendre en compte l'aspect discret des calculs. Cette adaptation nous permet de faire un grand nombre de simulations confirmant en majeure partie les résultats obtenus dans le cas continu. Ceci remet cependant en cause une des propriétés avancées par Axelrod : la simplicité. Nous illustrons ceci par la présentation de stratégies meilleures que donnant_donnant et à complexité plus importante. Les évaluations sont faites grâce à des simulations impliquant un très grand nombre de stratégies construites de manière objective via une approche génétique.<br /><br />Ces simulations permettent de mettre en évidence une nouvelle propriété : la faculté d'adaptation du comportement. Cette nouvelle propriété renforce l'idée de complexité croissante dans les comportements coopératifs entre agents.<br /><br />Nous débutons également l'étude d'un dilemme du prisonnier particulier dont seule l'itération diffère du modèle classique et qui permet de modéliser deux niveaux de coopération : le dilemme de l'ascenseur. Cette étude théorique et expérimentale nous permet de montrer qu'avec cette nouvelle représentation les comportements purement déterministes ne peuvent être efficaces.

L’altruisme réciproque, le mécanisme le plus vraisemblable expliquant l’existence de la coopération entre individus non-apparentés, peut être modélisé par le Dilemme du Prisonnier. Ce jeu prédit que la coopération devrait évoluer lorsque les joueurs prévoient d’interagir ensemble à maintes reprises et adoptent des stratégies conditionnelles telles que «Tit-For-Tat» ou Pavlov. Bien que la coopération soit à la source de toutes sociétés humaines, celle-ci est rarement observée chez les animaux. Une explication plausible serait que ces derniers sont plus impulsifs que les humains. Plusieurs études ayant évalué les effets de l’impulsivité sur la coopération ont en effet trouvé un impact négatif du phénomène de « discounting » sur la réciprocité. Néanmoins, l’impulsivité n’est pas un concept unitaire et le rôle de l’impulsivité motrice, une autre facette de l’impulsivité, reste inexploré, alors qu’elle pourrait également restreindre la coopération en altérant la capacité des individus à ajuster de manière flexible leur comportement face aux décisions prises par leur partenaire. En effet, l’impulsivité motrice se définit comme étant l’incapacité à inhiber un comportement qui n’est plus approprié suite à un changement de situation et est donc contreproductif (Broos et al., 2012; MacLean et al., 2014). Pour résoudre cette hypothèse, nous avons mené une expérience avec des diamants mandarins (Taenyopigia guttata) que nous avons appariés en fonction de leur niveau d’impulsivité motrice, puis nous les avons fait jouer dans un Dilemme du Prisonnier Alterné. Tel qu’attendu, nous avons trouvé que la coopération mutuelle survenait plus fréquemment entre les partenaires autocontrôlés que les paires d’individus impulsifs, ce qui serait dû à une différence entre les stratégies employées par les deux types d’individus. Plus précisément, les individus autocontrôlés utilisaient une stratégie « Generous TFT », tel que prédit par la théorie, alors que les oiseaux impulsifs choisissaient de coopérer avec une probabilité fixe, laquelle était indépendante de la décision précédemment prise par le partenaire. Si l’incapacité des individus impulsifs à utiliser des stratégies réactionnelles est due à une capacité de la mémoire de travail réduite, nos résultats pourraient alors contribuer à expliquer les différences interspécifiques qui existent au niveau des comportements coopératifs. / Reciprocal altruism, the most probable mechanism for cooperation among unrelated individuals, can be modelled as a Prisoner’s Dilemma. This game predicts that cooperation should evolve whenever the players, who expect to interact repeatedly, adopt conditional strategies. Yet, experimental data suggest that reciprocity would be rare in animal societies, maybe because animals, compared to humans, are very impulsive. Several studies examining the effect of impulsiveness on cooperation have indeed found a negative impact of temporal discounting. On the other hand, the role of impulsive action, another facet of impulsiveness, remains unexplored, though it could also impede cooperation by affecting the capacity of individuals to flexibly adjust their behaviour to their partner’s decision. To address this hypothesis, we conducted an experiment with zebra finches (Taenyopigia guttata) that were paired assortatively with respect to their level of impulsive action and then played an Alternating Prisoner’s Dilemma. As anticipated, we found that mutual cooperation occurred more frequently between self-controlled partners than between impulsive ones, a difference that was caused by differences in the strategy used by both types of individuals. Specifically, self-controlled individuals used a Generous TFT strategy, as predicted by theory, whereas impulsive birds chose to cooperate with a fixed probability, which was independent of their partner’s previous decision. If the inability of impulsive individuals to use reactive strategies are due to their reduced working memory capacity, our findings might contribute to explaining interspecific differences in cooperative behaviour.

Au niveau interpersonnel, la psychopathie implique un manque de considération d’autrui pouvant se manifester par la tromperie, la manipulation et l’exploitation. La présente thèse a investigué la relation entre les caractéristiques psychopathiques d'individus non incarcérés et la tendance à coopérer dans un jeu du dilemme du prisonnier itératif. Un total de 85 hommes ont été recrutés via une annonce qui ciblait des traits de personnalité correspondant à des caractéristiques psychopathiques exprimées de façon non péjorative. Plusieurs méthodes ont été employées pour rejoindre les participants : 46 ont participés en personne après avoir répondu à une invitation affichée dans un journal local ainsi que sur des babillards à proximité d'une université; 39 ont complété l'étude sur Internet après avoir été recrutés via un site web de petites annonces. Chaque participant a répondu à un questionnaire incluant l’Échelle Auto-rapportée de Psychopathie (Levenson, Kiehl, & Fitzpatrick, 1995) et l’Échelle Auto-rapportée des Indicateurs de Psychopathie de l’Enfance et de l’Adolescence (Seto, Khattar, Lalumière, & Quinsey, 1997). Ils ont également complété une simulation informatique du dilemme du prisonnier itératif comprenant 90 essais. La simulation informatique utilisée pour évaluer les participants en personne ainsi que la version accessible par Internet ont été conçues et programmées spécifiquement pour la présente thèse. La simulation informatique incluait trois stratégies souvent associées au dilemme du prisonnier itératif : donnant-donnant, donnant-donnant-généreux et gagne/reste-perd/change. Les analyses préliminaires ont montré que les participants vus en personne et ceux rejoints par Internet ne différaient pas en termes de variables sociodémographiques, des caractéristiques psychopathiques, de la désirabilité sociale et des réponses au dilemme du prisonnier. Une régression multiple standard a indiqué que les mesures psychopathiques ne pouvaient pas prédire le nombre total de choix coopératifs dans le jeu. Par contre, une corrélation négative a été trouvée entre les caractéristiques interpersonnelles et affectives de la psychopathie et la coopération dans le premier tiers du jeu. De plus, les participants qui présentaient davantage de caractéristiques psychopathiques interpersonnelles et affectives avaient plus souvent réussi à exploiter l'ordinateur en dénonçant alors que la simulation informatique coopérait. Des analyses multi-niveaux ont exploré la contribution de variables au niveau de la décision et au niveau de l'individu dans la prédiction du choix de coopérer ou de dénoncer lors de chaque essai du jeu; les interactions entre ces variables ont aussi été considérées. Les résultats ont montré que les variables au niveau de la décision influençaient généralement plus fortement les chances de coopérer que les variables au niveau de l'individu. Parmi les mesures de la psychopathie, seulement les caractéristiques interpersonnelles et affectives ont montré une association significative avec les chances de coopérer; les interactions avec le premier choix effectué dans le jeu et le premier tiers du jeu étaient significatives. Ainsi, si un participant avait coopéré au premier essai, la présence de caractéristiques psychopathiques interpersonnelles et affectives était associée à une diminution de ses chances de coopérer par la suite. Aussi, durant les 30 premiers essais du jeu, la présence de caractéristiques psychopathiques interpersonnelles et affectives était associée à une diminution des chances de coopérer. La stratégie adoptée par la simulation informatique n'avait pas d'influence sur le lien entre les caractéristiques psychopathiques et la probabilité de coopérer. Toutefois, le fait de jouer contre donnant-donnant était associé à de plus fortes chances de coopérer d'un essai à l'autre pour l'ensemble des participants. Globalement, les résultats suggèrent que les hommes non incarcérés présentant des caractéristiques psychopathiques ne seraient pas nécessairement portés à choisir systématiquement la non-coopération. En fait, les caractéristiques interpersonnelles et affectives de la psychopathie ont semblé se traduire par une tendance à faire bonne impression au départ, tenter rapidement d'exploiter autrui en dénonçant, puis finir par coopérer. Cette tendance comportementale est discutée, ainsi que la pertinence d'utiliser le dilemme du prisonnier itératif et les analyses multi-niveaux pour étudier le comportement interpersonnel des psychopathes. / Interpersonally, psychopathy involves a lack of consideration for others that can translate into deception, manipulation, and exploitation. The current thesis investigated the relationship between the psychopathic characteristics of non incarcerated men and the tendency to cooperate while playing an iterative version of the prisoner's dilemma game. A total of 85 men were recruited through advertisements that targeted personality traits corresponding to psychopathic characteristics formulated in a way that was not pejorative. A variety of methods was used to reach participants; 46 were tested in person after they replied to an invitation that appeared in a local journal as well as on bulletin boards close to a university; 39 participated via the Internet after they were recruited through a classified advertising website. Each participant completed a questionnaire including the Levenson Self-Report Psychopathy Scale (Levenson, Kiehl, & Fitzpatrick, 1995) and the Childhood and Adolescent Taxon Scale - Self-Report (Seto, Khattar, Lalumière, & Quinsey, 1997). They also played in a computer simulation of the iterative prisoner's dilemma lasting 90 trials. Both the computer simulation used to test participants in person and the Internet version were designed and programmed specifically for the present thesis. The computer simulation included three strategies often associated with the iterative prisoner's dilemma: tit-for-tat, generous-tit-for-tat, and win/stay-lose/shift. Preliminary analyses showed that participants tested in person and via the Internet did not differ in terms of sociodemographic variables, psychopathic characteristics, social desirability, or responses to the prisoner's dilemma. A standard multiple regression indicated that psychopathic measures could not predict the total number of cooperative choices in the prisoner's dilemma game. However, there was a negative correlation between interpersonal and affective characteristics of psychopathy and cooperation in the first third of the prisoner's dilemma game. Furthermore, participants showing more interpersonal and affective psychopathic characteristics tended to exploit the computer more often by defecting while the computer simulation cooperated. Multilevel analyses were used to explore the contribution of decision-level and individual-level variables to predict the choice to cooperate or to defect on each trial of the game; interactions between these variables were also considered. The results showed that variables at the decision level were generally associated with stronger odds of cooperating than individual-level variables. Among psychopathic measures, only the interpersonal and affective characteristics showed a significant association with the odds of cooperating; interactions with the first choice in the game and the first third of the game were significant. That is, if participants cooperated in the first trial, higher interpersonal and affective psychopathic characteristics were associated with decreased odds of cooperating. Also, during the first 30 trials of the game, participants with higher interpersonal and affective psychopathic characteristics were significantly more likely to defect. The type of strategy used by the computer simulation did not have an influence on the relationship between psychopathic characteristics and a participant's probability to cooperate. However, playing against tit-for-tat was associated with increased odds of cooperating from one trial to the next for all participants. Overall, the results suggest that non incarcerated men with psychopathic characteristics might not systematically choose to defect. Instead, the interpersonal and affective psychopathic characteristics appeared as a tendency to cooperate initially, then rapidly attempt to exploit by defecting, and finally cooperate. This behavioral pattern is discussed as well as the relevance of using the iterative prisoner's dilemma game and multilevel analyses to study interpersonal behavior in psychopaths.

L’émergence de la complexité, et de la vie en particulier, demeure l’une des énigmes les plus complexes pour la science moderne. Des travaux récents ont souligné la pertinence d’un apport de la physique statistique et de la théorie des phénomènes critiques — et en particulier de la théorie des phénomènes à criticalité auto-régulée — relativement à ces champs d’intérêt, tout autant que du rôle des phénomènes de coopération biochimique dans les premiers instants du vivant. La description des mécanismes par lesquels la vie a pu apparaître est par ailleurs d’un intérêt pratique pour l’astrophysique, puisque notre compréhension de ceux-ci module la manière dont l’analyse de biosignatures s’effectue dans le cadre de la recherche de la vie ailleurs dans l’Univers. L’analyse proposée ici porte sur un modèle en théorie des jeux permettant d’étudier les phénomènes de coopération implémenté dans un contexte spatial servant à émuler la dynamique d’un système ayant pu voir apparaître la vie. Une analyse de l’espace des paramètres du modèle révèle que celui-ci affiche des phénomènes de transition de phase et d’auto-organisation de structures spatiales, ces éléments se révélant des adjuvants à l’émergence de la coopération entre joueurs a priori égoïstes, dans un contexte qui à prime abord n’est pas d’emblée favorable à l’apparition de comportements coopératifs. Les résultats obtenus ici semblent supporter que la coopération biochimique puisse apparaître via un phénomène de transition de phase et que le modèle sous-jacent de dilemme du prisonnier itéré sur réseau présenté ici agit comme un système à criticalité autorégulée. / The emergence of complexity, and of life more specifically, is still one of the most intractable conundrums for modern science. Recent work emphasized the relevance of statistical physics and critical phenomena theory’s contribution to those questions — especially of self-organized criticality theory — just as much as the role of biochemical cooperation in life’s first moments. Moreover, the description of the mechanisms by which life could have appeared is of particular interest for astrophysics, because our comprehension of those mechanisms influences how biosignatures are analyzed in the context of the search for life elsewhere in the Universe. The analysis presented here concerns a model in game theory that allows to study cooperation phenomena — implemented in spatial context as to emulate the dynamics of a system in which life could have appeared. An analysis of the model’s parameter space reveals that it displays phase transition and self-organization of spatial structures phenomenon, those elements being adjuvants to the emergence of cooperation between a priori egoist players, in a context that is initially not favorable to the emergence of cooperative behavior. The results obtained here thus seem to support the idea that both biochemical cooperation can emerge through phase transition phenomena, and that the underlying lattice iterated prisoner’s dilemma model used here behaves like a self-organized critical system.

Dans cette thèse, nous étudions les effets d'un environnement stochastique et de l'utilisation d'une stratégie d'opting-out sur l'évolution de la coopération dans les jeux évolutionnaires. La thèse contient 8 articles, dont 6 sont déjà publiés dans des revues avec comité de lecture. Outre l'introduction, la thèse est divisée en deux parties, la partie 1 composée de 5 articles et la partie 2 de 3 articles. La partie 1 étudie l'impact de gains randomisés dans les jeux évolutionnaires. L'article 1 introduit les concepts de stabilité pour les jeux avec matrice de paiement aléatoire 2x2 dans des populations infinies avec des générations discrètes sans chevauchement dans un environnement stochastique. On y donne les conditions pour qu'un équilibre, sur la frontière ou à l'intérieur du simplexe des fréquences des stratégies, soit stochastiquement localement stable ou instable. L'article 2 étend les résultats de l'article 1 au cas où la valeur sélective est une fonction exponentielle du gain attendu suite à des interactions aléatoires par paires et montre que, de manière inattendue, le bruit aléatoire environnemental peut rompre un cycle périodique et favoriser la stabilité d'un équilibre intérieur. L'article 3 discute des effets de la sélection faible. Alors que les conditions de stabilité dans un environnement aléatoire reviennent aux conditions du cas déterministe lorsque l'intensité de la sélection diminue, les fluctuations aléatoires des gains peuvent accélérer la vitesse de convergence vers un équilibre stable sous une sélection plus faible. L'article 4 applique la théorie de la stabilité évolutive stochastique à un jeu randomisé de dilemme du prisonnier. On y montre que l'augmentation de la variance des gains de défection est propice à l'évolution de la coopération. L'article 5 étudie les jeux matriciels randomisés dans des populations finies et donne les conditions pour que la sélection favorise l'évolution de la coopération dans le contexte du jeu randomisé de dilemme du prisonnier. La partie 2 considère un jeu répété de dilemme du prisonnier dans le cas où un comportement d'opting-out est adopté par chaque joueur dans les interactions par paires. L'article 6 étudie la dynamique évolutive de la coopération et de la défection dans ce contexte et montre une possible coexistence à long terme, en supposant une population infinie et un équilibre rapide (en fait, instantané) dans les fréquences des paires. L'article 7 rapporte des résultats expérimentaux avec 264 étudiants universitaires utilisant la stratégie d'opting-out qui soutiennent la prédiction théorique d'une coexistence à long terme de coopération et de défection. L'article 8 étend l'analyse du modèle avec la stratégie d'opting-out au cas d'une population finie et fournit une preuve rigoureuse des deux échelles de temps pour les fréquences de coopération et de défection d'une part et les fréquences de paires de stratégies d'autre part. / In this thesis, we study the effects of a stochastic environment and the use of an opting-out strategy on the evolution of cooperation in evolutionary games. The thesis contains 8 articles, among which 6 are already published in peer-reviewed journals. Apart from the introduction, the thesis is divided into two parts, Part 1 made with 5 articles and Part 2 with 3 articles. Part 1 studies randomized payoffs in evolutionary games. Article 1 introduces stability concepts for 2x2 matrix games in infinite populations undergoing discrete, non-overlapping generations in a stochastic environment and gives conditions for an equilibrium, either on the boundary or in the interior of the simplex of all strategy frequencies, to be stochastically locally stable or unstable. Article 2 extends the results of Article 1 to the case where fitness is an exponential function of expected payoff in random pairwise interactions and shows that, unexpectedly, environmental random noise can break a periodic cycle and promote stability of an interior equilibrium. Article 3 discusses the effects of weak selection. While stability conditions in a random environment return to conditions in the deterministic case as selection intensity diminishes, random fluctuations in payoffs can accelerate the speed of convergence toward a stable equilibrium under weaker selection. Article 4 applies stochastic evolutionary stability theory to a randomized Prisoner's dilemma game and shows that increasing the variance in payoffs for defection is conducive to the evolution of cooperation. Article 5 studies randomized matrix games in finite populations and gives conditions for selection to favor the evolution of cooperation in the context of a randomized Prisoner's dilemma. Part 2 considers a repeated Prisoner's dilemma game with an opting-out behavior adopted by every player in pairwise interactions. Article 6 studies the evolutionary dynamics of cooperation and defection in this context and shows possible long-term coexistence, assuming an infinite population and fast (actually, instantaneous) equilibrium in the pair frequencies. Article 7 reports experimental results with 264 university students using the opting-out strategy that support the theoretical prediction of a long-term coexistence of cooperation and defection. Article 8 extends the analysis of the model with the opting-out strategy to the case of a finite population and provides a rigorous proof of the two-time scales for the frequencies of cooperation and defection on one hand and the frequencies of strategy pairs on the other.