Санкт-петербургский парадокс

В 1738 году Даниил Бернулли предложил объяснение так называемого Санкт-Петербургского парадокса, иллюстрирующего расхождение между теоретически оптимальным поведением человека (игрока) и «здравым смыслом». Этот парадокс возник как математический казус и попытка найти всеобщий принцип (правило) принятия решений в условиях неопределённостей. Этот парадокс неявно сыграл важную роль в развитии экономических теорий и стал предтечей теории ожидаемой полезности.

Суть парадокса в следующем. Предлагается следующая игра: подбрасывается монетка до первого выпадения орла. По итогам игры выплачивается выигрыш в размере 2^N-1 руб., где N – номер броска, на котором выпадет орёл.

Вопрос: сколько бы вы заплатили за участие в такой игре? Или, в другой формулировке, при каком вступительном взносе игра становится выгодной (то есть игрок выиграет больше, чем заплатит)?

При каждом подбрасывании вероятность выпадения орла 1/2 или 0,5 (так как монетка выпадет либо орлом, либо решкой). При этом предыдущий результат подбрасывания не оказывает влияние на результат последующего подбрасывания. Каждое подбрасывание независимо друг от друга. Если орёл выпадает при первом броске, то выигрыш составит 1 рубль. Если орёл выпадает при втором броске, то выигрыш составит 2 рубль. Если орёл выпадает при третьем броске, то выигрыш составит 4 рубля. При четвёртом – 8 рубля и т.д. Другими словами, выигрыш, возрастая от броска к броску вдвое, последовательно пробегает степени двойки – 1, 2, 4, 8, 16, 32 и так далее.

Другими словами, подходящим математическим описанием данной ситуации, является случайная величина х, принимающая значения × = 2^N-1, с вероятностью р = 2^-N. Требуется найти значение, которое в определённом смысле эквивалентно указанной величине. В качестве такого эквивалента случайных величин (в данном случае цена участия в игре) используют математическое ожидание (как справедливую цену азартной игры). Математическое ожидание есть среднее значение случайной величины, которая считается по следующей формуле:

М(х) = р₁х₁ + р₂х₂ + … р_nх_n,

где р₁, р₂, …р_n – вероятность каждого исхода, х₁, х₂, …х_n – значение каждого исхода.

Математическое ожидание выигрыша:

• N=1 (при первом подбрасывания составляет), р₁х₁ = 2^-N * 2^N-1= 0,5*2⁰ = 0,5 руб.;

• N=2 (при втором подбрасывания составляет), р₂х₂= 2^-N * 2^N-1= 0,25*2¹ = 0,5 руб.;

• N=3(при третьем подбрасывания составляет), р₃х₃= 2^-N * 2^N-1= 0,125*2² = 0,5 руб.;

• И т.д.

Как видим, для данной задачи математическое ожидание выигрыша бесконечно.

Это означает, что формально игрок может получить бесконечно большой выигрыш, однако большинство людей уклонится от участия в такой игре. Именно по этой причине и используется слово «парадокс» в названии задачи.

Иными словами, ожидаемый денежный выигрыш в игре бесконечен, однако рациональный игрок не готов заплатить за возможность участие в ней даже весьма небольшую цену. Казалось бы, какую бы цену организатор игры не запрашивал, в ней выгодно участвовать, так как ожидаемый выигрыш бесконечно велик, но на таких условиях найдётся мало желающих, готовых поучаствовать в игре.

Почему это так? Для объяснения этого, Бернулли предположил, что люди максимизируют не ожидаемый выигрыш, а ожидаемую полезность от выигрыша.

Теория ожидаемой полезности

Очевидно, что когда потенциального участника игры просят сделать бесконечно большой взнос, желающих не будет. Но, если условия азартной игры не будут явно нечестными, всегда можно будет найти желающих поучаствовать в ней. Всё дело в цене входа, приемлемого для участников и организаторов игры. Игроки готовы играть в эту игру, но за право участия в ней согласны платить сравнительно небольшие суммы (а кто не согласился бы на таких условиях?), при этом организаторы игры готовы играть и согласны принимать конечную ставку, при этом рискуя потенциально неограниченным проигрышем (уже не так очевидно почему они идут на это?).

Если считать что люди ведут себя как рациональные агенты, тогда должна работать так называемая «теория ожидаемой полезности» – формула, которая может использоваться рациональным игроком при принятии решений. Здесь предполагается, что каждый стремиться максимизировать благо (в терминах азартной игры – выигрыш).

Но многое говорит о том, что поведение людей скорее нерациональное, а иррациональное. И даже более того, наше иррациональное поведение не является случайным или бессмысленным, а является систематическим и предсказуемым (подробно описывается в теории перспектив, о которой поговорим далее).

Например, если предложить человеку сыграть в игру и дать два варианта на выбор:

1) Возможность получить 5 тыс. руб. с вероятностью 5 %;

2) Возможность получить 100 руб. с вероятностью 100 %.

Большинство людей, при таких условиях, выбирает второй вариант – с меньшим риском, но и с меньшим математическим ожиданием. В первом варианте математическое ожидание равно 250 руб. (5,000 × 5 %). Во втором варианте математическое ожидание равно 100 руб.

Для описания поведения, при котором люди предпочитают гарантированную выплату (не смотря на её меньшее математическое ожидание) была придумана формула ожидаемой полезности как инструмент анализа выбора в условиях риска. В 1944 году вышла монография Джона фон Неймана^[23] и Оскара Моргенштерна «Теория игр и экономическое поведение», в которой авторы обобщили и развили результаты теории игр и предложили новый метод для оценки полезности благ. Они показали, что в условиях неполной информации рациональным выбором человека будет выбор варианта с максимальной ожидаемой полезностью. Не смотря на то, что концепция Неймана-Моргенштерна вдохнула новую жизнь в концепцию кардиналистской полезности, она далеко не всегда может объяснить поведение людей.

Рассмотрим другой пример. Вам предлагают сыграть в следующую игру. В закрытой коробке находится 99 белых шариков и 1 чёрный шарик. Вам нужно в слепую вытащить один шарик. Если вы вытяните белый – то вы потеряете всё то, что имеете. А если вытяните чёрный шарик – получите от организаторов 1 млрд. долларов. Допустим, у вас есть в собственности квартира, автомобиль и другие ценности общей стоимостью 100 тыс. долларов, что и будет, является величиной потенциального проигрыша.

По математике игра чрезвычайно выгодная для вас (математическое ожидание выигрыша будет 10 млн. долларов = 1 млрд. * 0,01). С вероятностью 0,01 можно выиграть 1 млрд. долларов. Но в данном конкретном случае, подавляющее большинство людей всё же откажется от участия в такой игре (хотя при этом будут продолжать покупать лотерейные билеты с гораздо меньшей вероятностью выиграть гораздо меньший потенциальный выигрыш).

На этом примере становится понятным, что даже лишь при двух исходах и с огромным средним выигрышем «рациональное» поведение людей не гарантированно. Без всякой математики условия данной игры для большинства людей кажутся неприемлемыми.

Поэтому приходится допустить, что рациональное поведение не есть простое стремление к максимизации блага (выигрыша).

Такое поведение людей, можно частично разрешить, если в качестве гипотезы принять, что когда мы говорим о бесконечном ряде стоимостных величин, потенциальный участник игры оценивает не столько сумму выигрыша, сколько ожидаемую полезность выигрыша. Полезность (ценность) ожидаемого рубля будет всегда ниже полезности предшествующего. Вот представьте, что вы заработали свой первый миллион рублей (или долларов, или евро – не суть). Полезность первого миллиона для вас самая максимальная. Затем появляется второй, третий, … десятый, двадцатый, … сотый и т.д. По мере насыщения полезность каждого последующего миллиона снижается (первый закон Госсена в действии). Кстати, отсюда напрашивается вывод о нелинейной полезности денег (хотя в большинстве случаев полезность можно отождествлять с деньгами).

Но парадокс разрешен лишь частично, так как потенциальные участники игры по-разному определяют собственную функцию полезности. Вывод простой и очевидный: в условиях неопределенности нельзя предсказать поведение потенциальных участников игры, поскольку неизвестны их функции полезности. Отсюда и возникает идея классификации участников в контексте их отношения к риску.

У каждого человека есть собственное отношение к риску, иначе говоря, к возможности потери денег. Принято выделять три категории:

• Нейтральные к риску;

• Любители риска;

• Противники риска.

Кто-то предпочитает не рисковать и не предпринимать рисковых действий, а кто-то, в этих же обстоятельствах готов рискнуть в надежде получить больше. Для объяснения выбора различных вариантов поведения, необходимо использовать концепцию ожидаемой полезности.

Практика показывает, что в большинстве люди всё-таки не склонны к риску. Такое поведение, помимо особенностей человеческой психики, обычно объясняется экономической причиной, а именно: действием закона убывающей предельной полезности.

У вас есть 100 руб. вам предлагают сыграть в «орёл/решка» и поставить 50 руб. В случае выпадения орла – вы получаете 50 руб. Выигрыша и в итоге у вас будет 150 руб. Если выпадет решка, то у вас в итоге будет 50 руб. То есть с вероятностью 1/2 выигрываете 50 руб. и с вероятностью 1/2 проигрываете 50 руб. Математическое ожидание равно 0, так как 0,5*50 + 0,5*(-50) = 0.

Если схематично изобразить на кривой совокупной полезности, то наглядно увидим, что ожидаемая полезность будет иметь отрицательное значение. В условных единицах полезности (числа выбраны произвольно) проигрыш будет равен -3 = 5–8, а выигрыш +1 = 9–8, что в сумме даёт "-2".

В случае проигрыша ваши убытки в условных единицах полезности по величине будут больше, чем выигрыш (3 против 1 условной единицы). Хотя в денежном выражении и проигрыш и выигрыш равны 50 руб. каждый. Именно потому, что рассуждая в терминах полезности ситуация выглядит иначе, чем рассуждая в терминах денег и необходимо различать математическое ожидание суммы выигрыша и её ожидаемую полезность.

Ваши негативные эмоции от потери 50 руб. будут сильнее примерно в 2 раза, чем ваши радостные эмоции от находки такой же суммы денег. Надо будет найти как минимум 100 руб., чтобы эмоционально компенсировать потерю 50 руб. Конечно, вам доставит радость получить больше того, что вы имеете, но для вас гораздо ощутимее будет потеря того, к чему вы уже привыкли.

Человек больше ценит те вещи, которыми уже владеет, а не те, которыми может овладеть. В экономической теории данный феномен получил название эффекта владения. В классической экономической теории этот эффект невозможно объяснить. Но объяснить этот и многие другие эффекты удалось Даниэлю Канеману, опираясь на теорию перспектив. Его совместная работа с Амосом Тверски привела к созданию «поведенческой экономики».