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Jeux séquentiels et information incomplète

Ce que ce chapitre apporte 7 points
  • Représenter un jeu séquentiel par un arbre, et y lire qui décide à chaque nœud.
  • Résoudre un arbre par induction à rebours, en partant des feuilles.
  • Reconnaître une menace non crédible, dire ce qui la rendrait crédible, et distinguer un équilibre de Nash d'un équilibre parfait en sous-jeux.
  • Mesurer ce que rapporte le fait de jouer en premier, ou de s'engager à l'avance.
  • Dire à quelle condition un dilemme qui se rejoue rend la coopération stable, et pourquoi un nombre de tours connu d'avance la défait.
  • Distinguer une position gagnante d'une position perdante en remontant depuis la fin de partie, et trouver la stratégie du jeu de Nim, même quand la règle change.
  • Modéliser une information incomplète par des types et des croyances, et chiffrer ce que vaut l'information qui manque.

Les deux chapitres précédents supposaient que les joueurs décident en même temps, sans rien savoir du choix de l'autre. Beaucoup de situations ne sont pas ainsi : l'un parle en premier, l'autre répond. Jouer en second n'est pas seulement jouer plus tard, c'est jouer en sachant, et cela change la solution.

Ce chapitre remplace la matrice par un arbre, et la méthode des soulignements par l'induction à rebours. Il montre ce que change un jeu qui se rejoue d'une année sur l'autre, puis, sur un jeu d'allumettes, comment se passer de l'arbre quand il devient trop grand. Il se termine sur le cas où l'on ignore non pas le coup de l'adversaire, mais l'adversaire lui-même.

Jeux séquentiels

Les chapitres précédents supposent des décisions simultanées : dans la rue à une seule voie, les deux automobilistes s'engagent ou attendent au même instant. Il suffit que l'un avance d'un mètre avant l'autre pour que le jeu change de nature. Il devient séquentiel, et la matrice du jeu simultané ne suffit plus à le décrire : elle ne dit ni qui a bougé en premier, ni ce que le second a vu avant de choisir.

La forme qui convient est l'arbre, au sens où l'entend le chapitre sur les arbres : un sommet de départ, la racine, et des branches qui ne se rejoignent jamais. Chaque nœud porte le nom du joueur qui décide à cet instant, chaque branche une action possible, chaque feuille le couple de gains qui en résulte, (gain de A ; gain de B). Voici le jeu avec la probabilité d'encombrement du chapitre précédent fixée à p=0,25{p = 0{,}25}, c'est-à-dire une chance sur quatre que la voie soit encombrée.

Remonter depuis les feuilles : à un nœud dont toutes les branches sont évaluées, cliquer celle que le joueur retient. « Nœud suivant » le fait à sa place.

gains (A ; B)s'engages'engageattendattends'engageattendAB(−2 ; −2)(2 ; 0)B(0 ; 2)(0 ; 0)

Aucun nœud n'est résolu : seules les feuilles portent leurs gains.

La rue à une seule voie, A avançant le premier, à résoudre par induction à rebours. En trait plein, le chemin joué ; en tirets de la même couleur, le choix que chaque joueur ferait aux nœuds que la partie n'atteint pas ; en pointillés gris, les branches écartées.

Sur un arbre, ce sont les feuilles qu'il faut lire en premier, jamais la racine. Les quatre couples de droite sont les seules données du problème, et ce sont exactement les gains de la matrice du chapitre précédent, calculés en p=0,25{p = 0{,}25} : celui qui passe seul gagne en moyenne 3−4×0,25=2{3 - 4 \times 0{,}25 = 2} minutes. Second point à regarder : les deux nœuds « B » portent le même nom mais ne sont pas le même choix, puisque B y répond à deux situations différentes. C'est précisément ce que la matrice 2 × 2 du jeu simultané ne savait pas représenter.

À manipuler
Avant de lire la suite, résoudre l'arbre dans la figure : cliquer, à chacun des deux nœuds de B, la branche que B choisirait, puis, à la racine, celle que choisirait A. La figure refuse un nœud dont les branches ne sont pas encore résolues, et dit pourquoi un choix est faux. « Nœud suivant » donne la réponse, un nœud à la fois, pour qui reste bloqué.

Résoudre un arbre : l'induction à rebours

On ne résout pas un arbre en partant de la racine. On part des feuilles, à droite de la figure, et l'on remonte vers la racine, à gauche : c'est l'ordre d'un parcours en profondeur qui traite les enfants d'un nœud avant le nœud lui-même, comme dans le chapitre sur les parcours.

Induction à rebours, en trois gestes.

  1. Choisir un nœud dont toutes les branches mènent à des feuilles. Le joueur qui y décide n'a plus personne à anticiper : il compare, d'une branche à l'autre, son propre gain, et garde la branche où il est le plus grand.
  2. Remplacer ce nœud par le couple de gains de la branche retenue. Le nœud devient une feuille.
  3. Recommencer, un cran plus près de la racine, jusqu'à ce que la racine elle-même soit devenue une feuille.

À l'étape 1, chaque joueur maximise son propre gain : pas la somme des deux, et il ne cherche pas non plus à faire perdre l'autre. L'oublier est l'erreur la plus fréquente. C'est aussi pourquoi un arbre peut aboutir à un résultat que les deux joueurs jugent mauvais, sans qu'aucun n'ait intérêt à s'en écarter seul : la section sur le dilemme qui se rejoue en donne un exemple.

Le fil rouge, déroulé nœud par nœud
  • Dernier niveau, branche « A s'engage ». B compare ce qu'il obtient en s'engageant aussi, le face-à-face à −2-2, à ce qu'il obtient en attendant, 00. Il attend. Ce nœud vaut donc (2;0)(2 ; 0).
  • Dernier niveau, branche « A attend ». B compare 22, la rue libre devant lui, à 00. Il s'engage. Ce nœud vaut (0;2)(0 ; 2).
  • Racine. A n'a plus que deux nombres à comparer, ceux qui viennent de remonter : 22 s'il s'engage, 00 s'il attend. Il s'engage.

Le résultat mérite qu'on s'y arrête. Dans le jeu simultané, deux équilibres purs coexistaient, et rien ne disait lequel serait joué : A pouvait tout aussi bien se retrouver à attendre pendant que B passait, et l'équilibre mixte, où chacun tente sa chance une fois sur deux, ne rapportait rien à personne. En avançant le premier, A s'assure à tous les coups une espérance de 2 minutes, puisque B attendra. C'est ce qu'on appelle un avantage du premier joueur.

Ce que l'arbre montre et que la matrice du jeu simultané cachait : le premier qui bouge ne gagne pas parce qu'il est plus rapide, mais parce que son geste est irréversible et vu de l'autre. B ne choisit plus entre deux équilibres : il répond à une situation déjà fixée, et dans celle-là, s'engager lui coûterait 2 minutes. L'option existe toujours, elle ne lui rapporte simplement plus rien.

Cet avantage n'a rien d'universel, et l'audit inopiné du chapitre précédent le renverse. Si le contrôleur fixe son créneau le premier, et que l'équipe le connaît avant de choisir le sien, parce que le planning des contrôles est affiché par exemple, elle saute son étape à l'autre moment et gagne à chaque fois : le contrôleur passe de 0 en moyenne, quand il tirait au sort, à −1-1 à coup sûr. Jouer en premier, c'est se dévoiler. Cela paie quand l'autre a intérêt à s'accommoder du coup qu'il voit, comme B qui préfère céder plutôt que provoquer le face-à-face ; cela coûte quand il a intérêt à le contrer, comme l'équipe qui cherche précisément à éviter le contrôleur.

Une menace que l'arbre déclare non crédible

B aurait intérêt à faire savoir, avant que A ne bouge : « je m'engage quoi qu'il arrive, je ne reculerai pas ». Si A y croit, A attend et B gagne 2 au lieu de 0.

L'arbre montre pourquoi l'annonce ne tient pas. Une fois A engagé, appliquer la menace rapporterait −2-2 à B, contre 00 en l'oubliant. Il ne l'appliquerait donc pas, A le sait, et l'annonce ne change rien. Une menace n'a de valeur que si son exécution reste avantageuse au moment où il faudrait l'exécuter. C'est exactement ce que l'induction à rebours vérifie à chaque nœud.

Cliquer une branche la coupe : le joueur perd cette option, et l'induction se refait. Un second clic la rétablit. « Imposer la menace » fixe le choix de B à chacun de ses nœuds ; la figure dit si la menace est crédible.

gains (A ; B)s'engages'engageattendattends'engageattendA(2 ; 0)B(2 ; 0)(−2 ; −2)(2 ; 0)B(0 ; 2)(0 ; 2)(0 ; 0)

Menace annoncée : B jouera « s'engage » à chacun de ses nœuds.

Équilibre : la partie suit « s'engage », puis « attend », pour (2 ; 0).

La même rue, pour mettre la menace de B à l'épreuve, puis lui retirer une option. En trait plein, le chemin joué ; en tirets de la même couleur, le choix que chaque joueur ferait aux nœuds que la partie n'atteint pas ; en pointillés gris, les branches écartées. Deux traits rouges barrent une branche coupée. En rouge, le choix que la menace impose.
À manipuler
Cliquer « Imposer la menace » : B s'engage à chacun de ses nœuds, A attend, et la partie donne (0 ; 2). La figure entoure alors le nœud que la partie n'atteint jamais, celui où B devrait tenir sa menace après l'engagement de A, et montre qu'il ne la tiendrait pas. Cliquer de nouveau « Imposer la menace » pour la relâcher, puis couper la branche « attend » à ce même nœud, comme si B n'avait plus le moyen de céder : l'induction se refait. Observer ce que devient la racine, et qui passe.

Ce que l'arbre écarte

Pour voir ce que l'arbre écarte, il faut écrire en matrice le jeu séquentiel lui-même. Une stratégie de B n'y est plus une action, mais un plan complet : ce qu'il fait si A s'engage, et ce qu'il fait si A attend. Avec deux choix à chacun de ses deux nœuds, il en a 2×2=42 \times 2 = 4 :

  • s'engager toujours : s'engager dans les deux cas ;
  • faire le contraire de A : attendre si A s'engage, s'engager si A attend ;
  • faire comme A : s'engager si A s'engage, attendre si A attend ;
  • attendre toujours : attendre dans les deux cas.

La matrice qui croise ces quatre plans avec les deux choix de A s'appelle la forme normale du jeu séquentiel. Chaque case se remplit en suivant le plan de B dans la branche choisie par A.

A \ Bs'engage toujoursle contraire de Acomme Aattend toujours
s'engage−2 ; −22 ; 0−2 ; −22 ; 0
attend0 ; 20 ; 20 ; 00 ; 0

La matrice du jeu simultané en est un morceau : ses deux colonnes sont les deux plans qui ne regardent pas ce qu'a fait A, s'engager toujours et attendre toujours. Ce qui lui manquait, ce sont les deux plans du milieu, ceux qui répondent.

Le test de la déviation y trouve trois équilibres de Nash. Dans chacun, A n'a rien à gagner à changer de ligne, et B rien à gagner à changer de colonne dans la ligne jouée.

  • (A s'engage, B fait le contraire de A) est celui que l'arbre retient : « le contraire de A » est exactement le plan que l'induction a trouvé nœud par nœud.
  • (A attend, B s'engage toujours) est exactement la menace : face à ce plan, A a raison d'attendre, et B, qui n'a jamais à l'exécuter, n'a aucune raison d'en changer.
  • (A s'engage, B attend toujours) donne la même partie que le premier : A passe, et la case vaut (2;0)(2 ; 0). Il n'en diffère que par ce que B ferait si A attendait : il attendrait aussi, et renoncerait aux 2 minutes du passage. C'est une réponse qu'il ne donnerait pas le moment venu, mais comme la partie n'y passe jamais, elle ne lui coûte rien dans la matrice.

L'induction à rebours n'en garde qu'un, parce qu'elle exige un choix optimal à chaque nœud, même à ceux que la partie n'atteint pas. La portion de l'arbre qui part d'un nœud, avec tout ce qui en descend, s'appelle un sous-jeu. La rue en compte trois : l'arbre entier, et les deux petits jeux qui commencent aux nœuds de B, où B choisit seul. Un équilibre parfait en sous-jeux est un couple de plans qui reste un équilibre dans chacun d'eux. Le plan « s'engager toujours » échoue au sous-jeu qui suit « A s'engage » : il y fait jouer −2-2 à B quand 00 est possible. Le plan « attendre toujours » échoue à celui qui suit « A attend ». Seul « le contraire de A » passe les trois. Tout équilibre parfait est un équilibre de Nash, puisque l'arbre entier est l'un des sous-jeux ; la réciproque est fausse, et c'est par cette brèche que passent les menaces en l'air.

Rendre une menace crédible

Le problème vient de ce que B regretterait sa menace au moment de l'appliquer. La parade consiste donc à faire disparaître le regret, c'est-à-dire à se priver de l'option qu'on serait tenté de prendre le moment venu.

Elle a une illustration que tout le monde a vue : à un passage à niveau, le train ne cède jamais le passage. Il n'a rien à annoncer : il ne peut pas s'arrêter à temps, l'option de céder n'existe pas pour lui, et chacun le sait en le voyant arriver. Ne plus avoir le choix est ici un avantage, et qui peut se l'imposer d'avance a intérêt à le faire, ce qui n'a de sens que dans un jeu. Sur l'arbre, l'opération revient à couper une branche, celle de la figure précédente : si B n'a plus la possibilité d'attendre une fois A engagé, le nœud qui suit « A s'engage » ne garde que le face-à-face. A attend donc, et la racine passe à (0;2)(0 ; 2).

Les entreprises font de même par contrat. Un fournisseur qui veut rendre crédible son refus de toute remise signe avec ses autres clients une clause du client le plus favorisé : toute remise accordée à l'un devra l'être à tous. Céder à un client lui coûterait alors bien plus que de le perdre, et chacun le sait. Ici, ce n'est pas une branche qui disparaît, c'est un gain qui change.

Vérification rapideon peut se reprendre

1.Dans l'arbre de la rue, A s'est engagé. Que fait B au nœud qui suit ?

2.Une menace annoncée avant la partie change-t-elle la solution de l'arbre ?

Quand le dilemme se rejoue

La section précédente a montré qu'une menace ne vaut que si son exécution reste avantageuse le moment venu. Un jeu qui se rejoue en fabrique de telles, parce que l'avenir donne à chacun de quoi punir l'autre.

Le premier chapitre a laissé deux fournisseurs pris dans une guerre des prix. Casser son prix y est dominant pour chacun, et tous deux récoltent 4 au lieu des 7 que leur aurait laissés le prix moyen. Il annonçait aussi qu'un appel d'offres qui revient chaque année change la donne. Voici pourquoi, sur le tableau réduit aux deux prix qui comptent.

A \ BMoyenCassé
Moyen7 ; 73 ; 8
Cassé8 ; 34 ; 4

Joué une seule fois, ce jeu est simultané. Répété, il devient séquentiel, même si chaque appel d'offres se joue à l'aveugle : avant de répondre, chacun sait ce que l'autre a fait les années précédentes. Une stratégie n'est donc plus un prix, c'est un plan qui dit quel prix proposer après chaque histoire possible, exactement comme le plan complet de B dans la rue. Le plus simple : tenir le prix moyen tant que l'autre l'a tenu, et casser ses prix pour toujours dès qu'il a cassé les siens.

Face à un concurrent qui suit ce plan, tenir rapporte 7 cette année, puis 7 chaque année. Trahir rapporte 8 cette année, puis 4 chaque année, une fois la guerre des prix déclenchée. Rien ne garantit pourtant que l'appel d'offres revienne : on note δ\delta la probabilité qu'il se rejoue l'année suivante, avec le même concurrent. La deuxième année n'a donc lieu qu'avec la probabilité δ\delta, la troisième avec δ2\delta^2, et ainsi de suite : le gain espéré de qui tient est la somme d'une suite géométrique.

7+7δ+7δ2+⋯=71−δ7 + 7\delta + 7\delta^2 + \dots = \frac{7}{1 - \delta}

Celui de qui trahit se compte de la même façon, avec 8 la première année et 4 ensuite :

8+4δ+4δ2+⋯=8+4δ1−δ8 + 4\delta + 4\delta^2 + \dots = 8 + \frac{4\delta}{1 - \delta}

Après le 8, c'est encore une suite géométrique de raison δ\delta, mais son premier terme est 4δ4\delta et non 44, puisque la deuxième année n'a lieu qu'avec la probabilité δ\delta. Sa somme vaut donc ce premier terme divisé par 1−δ1 - \delta, exactement comme 71−δ\dfrac{7}{1 - \delta} est le premier terme 7 divisé par 1−δ1 - \delta. Tenir l'emporte dès que

71−δ≥8+4δ1−δ7≥8 (1−δ)+4δ=8−4δδ≥14\begin{aligned} \frac{7}{1 - \delta} &\geq 8 + \frac{4\delta}{1 - \delta} \\ 7 &\geq 8\,(1 - \delta) + 4\delta = 8 - 4\delta \\ \delta &\geq \frac{1}{4} \end{aligned}

La deuxième ligne multiplie la première par 1−δ1 - \delta, qui est positif. La même inégalité se lit plus directement en ne gardant que ce qui diffère : trahir rapporte 1 point de plus la première année, puis 3 points de moins chaque année suivante, soit 3 (δ+δ2+… )=3δ1−δ3\,(\delta + \delta^2 + \dots) = \dfrac{3\delta}{1 - \delta} points perdus en espérance. Tenir l'emporte quand 3δ1−δ≥1\dfrac{3\delta}{1 - \delta} \geq 1, c'est-à-dire quand δ≥1/4\delta \geq 1/4. Dès qu'il y a une chance sur quatre de se retrouver, le prix tenu devient un équilibre : le point gagné aujourd'hui ne compense plus les points perdus ensuite, il les égale tout au plus. Le seuil est bas parce que la tentation est faible et la punition lourde : la trahison rapporte 1 point une seule fois, la guerre des prix en coûte 3 chaque année. Et la menace de représailles est crédible, ce qui la distingue de celle de la rue : une fois la guerre déclarée, casser son prix est la meilleure réponse à un concurrent qui casse le sien, si bien que l'exécuter ne coûte rien à celui qui l'a annoncée.

Ce n'est pas un appel à s'entendre, qui serait illicite ; c'est l'explication de ce qu'on observe quand les mêmes acteurs se retrouvent. C'est aussi la raison pour laquelle un client qui veut une vraie concurrence ouvre ses appels d'offres à de nouveaux entrants : chaque fournisseur a alors moins de chances de retrouver le même concurrent l'année suivante, δ\delta baisse, et le prix tenu cesse d'être un équilibre quand il passe sous 1/4.

Une probabilité de se retrouver, pas un nombre d'années

Si les deux fournisseurs savent que le marché s'arrête dans dix ans, tout s'effondre, et l'induction à rebours dit pourquoi. La dixième année, il n'y a plus d'avenir à protéger : c'est un dilemme simple, et chacun casse son prix. La neuvième année, ce qui se passera la dixième est donc joué d'avance, quoi qu'on fasse aujourd'hui : plus rien ne punit la trahison, et chacun casse son prix. Le raisonnement remonte ainsi d'année en année jusqu'à la première.

La coopération ne tient que si chaque année peut avoir une suite. C'est pour cela que δ\delta est une probabilité de se retrouver, et non un nombre de tours fixé à l'avance.

Le plan qui casse ses prix pour toujours n'est pas le seul. Le plus connu, donnant-donnant, commence par tenir son prix, puis rejoue simplement ce que l'autre a fait l'année précédente : il répond à chaque trahison par une trahison, et pardonne dès que l'autre revient au prix moyen. C'est lui qui a remporté les tournois de stratégies que Robert Axelrod a organisés et racontés dans The Evolution of Cooperation (1984). Le protocole BitTorrent en applique l'esprit : un pair envoie en priorité à ceux qui lui envoient.

Vérification rapideon peut se reprendre

1.Tenir le prix moyen rapporte 7 par an ; trahir rapporte 8 une fois, puis 4 chaque année. Avec une chance sur cinq de se retrouver l'année suivante, que faire face à un concurrent qui punit pour toujours ?

2.Deux fournisseurs savent que leur dernier appel d'offres aura lieu dans cinq ans, pas un de plus. Que prédit l'induction à rebours ?

Le jeu de Nim à un tas : jouer d'abord, on expliquera après

L'induction à rebours résout n'importe quel jeu séquentiel fini à information parfaite, c'est-à-dire où chacun voit tous les coups joués avant le sien : c'est le cas de la rue jouée en séquence. Le dilemme répété n'en est pas un, puisque chaque année les deux prix sont fixés à l'aveugle ; l'induction y a fonctionné année par année, parce que chaque année, une fois la suite jouée d'avance, redevient le dilemme simple du premier chapitre. Elle a un coût : il faut remonter l'arbre entier. Sur le fil rouge, quatre feuilles suffisaient. Sur un jeu un peu long, l'arbre devient impraticable, et la vraie question devient : peut-on trouver le bon coup sans dérouler l'arbre ?

La réponse est oui, parfois, et la seule façon honnête de s'en convaincre est de se faire battre.

La règle, en trois lignes. Vingt-et-une allumettes sont posées en rangée. Chacun son tour, un joueur en retire 1, 2 ou 3, jamais zéro. Celui qui prend la dernière allumette gagne.

C'est, à un mot près, le jeu des bâtonnets de Fort Boyard : à la télévision, celui qui prend le dernier bâtonnet perd, et c'est la variante que la section « Changer un mot » étudie. Le maître du jeu y joue en second, et il lui arrive de perdre. La suite explique pourquoi il gagne si souvent.

Vingt-et-une allumettes, on en retire 1, 2 ou 3prendre la dernière fait gagner
RègleAdversairelecteur 0 · 0 machine

Il reste 21 allumettes.

Je retire

Au tour du lecteur : retirer 1, 2 ou 3 allumettes. Commencer contre le novice, puis monter d'un cran après chaque victoire.

Chacun son tour, on retire de 1 à 3 allumettes, jamais zéro. Celui qui prend la dernière gagne : les deux versions se jouent, et elles ne se gagnent pas tout à fait de la même façon. L'adversaire du moment, novice, joue au hasard, sans aucun plan. change complètement la partie : reste à voir pourquoi.
À manipuler
Jouer pour de bon, pas trois coups pour voir. Commencer contre le « novice », qui joue au hasard, et monter d'un niveau à chaque victoire. Affronter ensuite l'« imbattable » et jouer trois parties en retirant au hasard, sans chercher : il ne laisse passer aucune erreur, et les perdre n'a rien d'humiliant. Le départ n'y est pour rien, puisque la figure fait commencer le lecteur et que 21 est gagnante pour qui joue en premier : il existe un premier coup qui assure la victoire.
Recommencer alors contre l'imbattable en notant, à chaque tour, le nombre d'allumettes qu'il laisse en rendant la main. Ces nombres se ressemblent tous, et la ressemblance saute aux yeux au bout de quatre ou cinq parties. Laisser pour plus tard le sélecteur « règle », que la section « Changer un mot » utilise. La suite ne vaut la peine d'être lue qu'après ces parties : une explication ne sert qu'à quelqu'un qui s'est déjà posé la question.

Rien n'est caché, il n'y a aucun hasard, et pourtant le jeu ne se devine pas. Ce qui frappe, quand on perd plusieurs fois de suite, c'est que l'adversaire ne semble jamais réfléchir longtemps ni tendre de piège : il se contente de répondre. La partie paraît se décider bien avant la fin, sans qu'on voie où.

Ce que la partie a montré

Reprendre le jeu par où il se termine, comme un arbre qu'on remonte depuis ses feuilles. Sauf qu'ici, une position se résume à un seul nombre : combien d'allumettes restent devant celui qui doit jouer.

  • Devant 0 allumette, la partie est finie : l'autre vient de prendre la dernière, et celui qui devait jouer a perdu. C'est la position perdante d'où tout part.
  • Devant 1, 2 ou 3 allumettes, on prend tout et on gagne. Ces trois positions sont gagnantes.
  • Devant 4, tout est perdu. On en retire 1, 2 ou 3, donc on en laisse 3, 2 ou 1 : dans les trois cas, l'adversaire se trouve devant une position gagnante et rafle la mise.
  • Devant 5, 6 ou 7, il suffit de ramener l'adversaire à 4, ce qui est toujours possible. Positions gagnantes.
  • Devant 8, même impasse qu'à 4 : on laisse 7, 6 ou 5, et l'adversaire ramène la position à 4.
  • Devant 9, 10 ou 11, on ramène à 8. Et ainsi de suite.

Le motif se referme : trois positions gagnantes, une perdante, trois gagnantes, une perdante. Les positions perdantes reviennent tous les quatre crans : 0, 4, 8, 12, 16, 20. Ce sont exactement les nombres que la machine rendait, partie après partie.

La stratégie, et la raison qui la rend imparable. Rendre la main à l'adversaire sur un multiple de 4.

La raison tient en une addition. Si l'adversaire retire kk allumettes, avec k∈{1,2,3}k \in \{1, 2, 3\}, on répond en retirant 4−k4 - k, qui est aussi entre 1 et 3 : le coup est toujours légal. Chaque aller-retour retire donc exactement 4 allumettes, quoi qu'il tente. En partant d'un multiple de 4, on parcourt les multiples de 4 en descendant jusqu'à 0, et c'est l'adversaire qui se retrouve devant la rangée vide.

Qui gagne à 21 ?

21=5×4+121 = 5 \times 4 + 1 : ce n'est pas un multiple de 4, donc celui qui commence gagne, à condition de retirer 1 allumette d'entrée pour laisser 20. Ensuite, il complète chaque coup adverse à 4 : 20, 16, 12, 8, 4, 0.

C'est le seul premier coup qui gagne. Prendre 2 laisse 19, prendre 3 laisse 18, et les deux offrent la partie à l'adversaire, s'il sait ce qu'il fait.

La même figure, avec cette fois les positions condamnées en évidence. Le calcul affiché est simplement la division euclidienne par 4 : ce qui compte n'est pas le quotient, c'est le reste.

Le même jeu, une fois la lecture connueprendre la dernière fait gagner
RègleAdversairelecteur 0 · 0 machine

Il reste 21 allumettes.

Je retire

21 = 5 × 4 + 1 : le reste ne vaut pas 0, donc la position est gagnante. Retirer 1 allumette laisse 20, et 20 est un multiple de 4.

0, perdante1, gagnante2, gagnante3, gagnante4, perdante5, gagnante6, gagnante7, gagnante8, perdante9, gagnante10, gagnante11, gagnante12, perdante13, gagnante14, gagnante15, gagnante16, perdante17, gagnante18, gagnante19, gagnante20, perdante21, gagnante

P, en ambre : position perdante pour celui qui doit jouer, les nombres ≡ 0 modulo 4. G : position gagnante. Toute la stratégie consiste à renvoyer l'adversaire sur un P, tour après tour.

Chacun son tour, on retire de 1 à 3 allumettes, jamais zéro. Celui qui prend la dernière gagne : les deux versions se jouent, et elles ne se gagnent pas tout à fait de la même façon. L'adversaire du moment, imbattable, ne se trompe jamais. change complètement la partie : reste à voir pourquoi.

Ce qu'on vient de faire, en langage d'induction à rebours

La liste ci-dessus est une induction à rebours : on est parti de la position finale et on a remonté. Mais elle ne porte pas sur l'arbre des parties, elle porte sur les 22 positions du jeu, de 0 à 21. Ce raccourci tient à une remarque : beaucoup de branches différentes mènent à la même position. Prendre 1 puis 2, ou 2 puis 1, laisse dans les deux cas 18 allumettes au même joueur, et la suite de la partie ne dépend que de ces 18 allumettes, pas du chemin qui y a mené. Il suffit donc de résoudre chaque position une fois. L'arbre des parties compte plusieurs centaines de milliers de branches ; les positions, elles, tiennent sur une ligne.

Et la liste elle-même n'a plus besoin d'être retenue. En notant nn le nombre d'allumettes devant celui qui doit jouer, elle se résume à une opération : calculer le reste de nn dans la division par 4, ce qu'on appelle nn modulo 4, et que Python écrit n % 4. On est passé d'une exploration à un calcul, et c'est tout l'objet de ce qui suit.

Position gagnante, position perdante

Dans un jeu à deux joueurs, fini, sans hasard, sans information cachée et sans match nul, on classe les positions en remontant depuis la fin. Les fins de partie sont classées par la règle elle-même : ici, se trouver devant 0 allumette, c'est avoir perdu. Ensuite, une position est gagnante si celui qui doit jouer a au moins un coup qui mène à une position perdante, et perdante si tous ses coups mènent à des positions gagnantes. Comme chaque coup rapproche de la fin, chaque position reçoit ainsi une étiquette, et une seule : aucun troisième cas n'existe.

Si la partie peut finir à égalité, un troisième cas apparaît : la position d'où chacun peut s'assurer au moins la nulle. C'est celle du morpion au départ, qui finit toujours nul quand les deux joueurs jouent bien. Ce partage en trois cas est appelé théorème de Zermelo, du nom du mathématicien qui posa la question en 1913 à propos des échecs.

Résoudre le jeu, c'est décrire cet ensemble de positions perdantes, et le bon résultat n'est pas la liste, c'est le critère qui la reconnaît.

Changer un mot : la variante misère

Un seul mot change dans la règle : celui qui prend la dernière allumette perd. Rejouer quelques parties avec le sélecteur règle sur « la dernière fait perdre », avant de lire le paragraphe suivant.

La même idée, décalée d'un cran

Cette fois, la position fatale n'est plus 0 mais 1 : devant une seule allumette, on est obligé de la prendre, et on perd. Il faut donc rendre la main sur 1,5,9,13,17,211, 5, 9, 13, 17, 21, c'est-à-dire sur les nombres dont le reste dans la division par 4 vaut 1.

Le mécanisme de complément à 4 est inchangé ; seule la cible a glissé. Et comme 21=5×4+121 = 5 \times 4 + 1, celui qui commence a déjà perdu : la même position de départ change de vainqueur avec un seul mot de la règle. C'est la situation du candidat de Fort Boyard quand le jeu compte 21 bâtonnets : il commence, et il a perdu d'avance face à un maître du jeu qui ne se trompe pas.

Changer le plafond

Rien dans le raisonnement ne tenait au nombre 3. Si l'on peut retirer jusqu'à mm allumettes, le complément devient m+1−km + 1 - k, chaque aller-retour retire m+1m + 1, et tout se joue modulo m+1m + 1 : positions perdantes aux multiples de m+1m + 1 en jeu normal, aux nombres dont le reste dans la division par m+1m + 1 vaut 1 en misère.

Vingt allumettes, on en retire jusqu'à 5 : tout se joue modulo 6prendre la dernière fait gagner
RègleAdversairelecteur 0 · 0 machine

Il reste 20 allumettes.

Je retire

20 = 3 × 6 + 2 : le reste ne vaut pas 0, donc la position est gagnante. Retirer 2 allumettes laisse 18, et 18 est un multiple de 6.

0, perdante1, gagnante2, gagnante3, gagnante4, gagnante5, gagnante6, perdante7, gagnante8, gagnante9, gagnante10, gagnante11, gagnante12, perdante13, gagnante14, gagnante15, gagnante16, gagnante17, gagnante18, perdante19, gagnante20, gagnante

P, en ambre : position perdante pour celui qui doit jouer, les nombres ≡ 0 modulo 6. G : position gagnante. Toute la stratégie consiste à renvoyer l'adversaire sur un P, tour après tour.

Chacun son tour, on retire de 1 à 5 allumettes, jamais zéro. Celui qui prend la dernière gagne : les deux versions se jouent, et elles ne se gagnent pas tout à fait de la même façon. L'adversaire du moment, imbattable, ne se trompe jamais. change complètement la partie : reste à voir pourquoi.

Ce que ce jeu enseigne

L'induction à rebours donnait la réponse, mais au prix d'une exploration. Elle s'est résumée à une quantité calculée directement sur la position : le reste de nn dans la division par m+1m + 1. Cette quantité vaut zéro exactement sur les positions perdantes. Depuis une position où elle vaut zéro, tout coup la rend non nulle ; depuis une position où elle ne l'est pas, un coup bien choisi la ramène à zéro.

L'écart se mesure. Depuis 21 allumettes, l'arbre complet compte 223 317 parties distinctes, et une partie dure de 7 à 21 coups : le dérouler à la main est hors de question. Mais la position, elle, ne prend que 22 valeurs, de 0 à 21. C'est la différence entre lire 223 317 histoires et lire une division par 4, et c'est le même écart que celui mesuré dans le chapitre sur la complexité.

Deux leçons à en tirer, qui dépassent largement les allumettes.

  1. Chercher ce qui résume la position avant de dérouler l'arbre. Quand le nombre d'histoires explose mais que le nombre de positions reste petit, c'est le signe qu'un raisonnement sur la position seule doit exister. La quantité qui le porte, ici le reste de la division, est celle que la bonne stratégie ramène à zéro chaque fois qu'elle joue : on l'appelle un invariant.
  2. Jouer contre un adversaire faible n'apprend rien. On bat le novice sans comprendre le jeu. L'information est venue de l'adversaire qui ne se trompe jamais, et elle est venue des défaites, pas des victoires. C'est aussi pourquoi, dans un jeu à somme nulle comme celui-ci, on évalue une stratégie contre le pire adversaire et non contre un adversaire complaisant : le pire pour soi y est le mieux pour l'autre, et c'était déjà le réflexe du maximin du chapitre précédent.

Le jeu de Nim proprement dit, celui de Charles Bouton en 1901, se joue sur plusieurs tas. Sa stratégie tient elle aussi en une quantité calculée sur la position, mais elle s'écrit en binaire.

Vérification rapideon peut se reprendre

Au jeu de Nim avec un plafond de 3, où prendre la dernière allumette fait gagner, que peut espérer un joueur placé devant 12 allumettes ?

Information incomplète : ignorer l'adversaire lui-même

Le jeu de Nim est l'extrême opposé de ce qui vient : tout y est visible, les coups comme les gains, et il ne reste qu'à calculer. Retour à la rue, pour lever la dernière hypothèse que le chapitre a gardée depuis le début : chacun connaît les gains de l'autre.

Jusqu'ici, l'incertitude portait sur le monde : A ignore si la voie est encombrée, et il en fait une espérance. Les gains de B, en revanche, A les connaissait.

Un jeu est à information incomplète quand un joueur ignore une donnée de l'adversaire qui fixe ses gains : son coût, ses contraintes, ses préférences. Ce n'est plus l'état de la voie qui est incertain, ce sont les gains eux-mêmes. Il ne faut pas le confondre avec l'information imparfaite, où l'on ignore le coup de l'adversaire parce qu'il a été joué sans qu'on le voie, comme le prix du concurrent l'année même, dans le dilemme qui se rejoue.

Type et croyance

On modélise cette ignorance en supposant que l'adversaire est d'un type parmi plusieurs, et qu'on attribue une probabilité à chaque type : c'est la croyance. Le chapitre précédent appelait déjà croyance l'estimation de ce que l'autre va faire ; ici, elle porte sur ce qu'il est.

Chaque type correspond à des gains différents. Le joueur qui ignore le type calcule alors son espérance en pondérant les résultats par sa croyance, exactement comme il pondérait l'état de la voie. Quand chacun joue ainsi une meilleure réponse en espérance sur les types de l'autre, les manuels parlent d'équilibre bayésien.

Sur le fil rouge, A a supposé qu'attendre ne coûtait rien à B. C'est vrai pour un automobiliste qui ne compte que son temps ; ce n'est pas le cas de celui que l'attente exaspère, et A n'a aucun moyen de savoir lequel des deux il a en face.

On retient donc deux types. Un B tranquille, pour qui attendre vaut 00 comme jusqu'ici. Et un B impatient, que l'attente exaspère : rester arrêté à regarder l'autre passer lui pèse plus que le face-à-face, où il aura au moins tenté sa chance. Il chiffre cette attente à −3-3, contre −2-2 pour le face-à-face.

Ce −3-3 n'est pas une durée. En minutes, le face-à-face coûte toujours plus que l'attente, puisqu'il faut ensuite reculer ou laisser l'autre reculer : un B qui ne compterait que son temps attendrait toujours. Le −3-3 chiffre l'agacement, et c'est lui qui change le choix de B.

A estime à 0,60{,}6 la probabilité que B soit tranquille, et donc à 0,40{,}4 celle qu'il soit impatient. Le jeu reste séquentiel, avec p=0,25{p = 0{,}25} : A avance d'abord, B répond en sachant, lui, de quel type il est.

Le calcul, type par type
  • Type tranquille. Face à un A engagé, il compare le face-à-face à −2-2 et l'attente à 00 : il attend, et A gagne 2. Face à un A qui attend, il s'engage et gagne 2.
  • Type impatient. Face à un A engagé, il compare le même −2-2 à une attente qui lui vaut −3-3 : il s'engage quand même, et les deux se retrouvent nez à nez. A perd 2. Face à un A qui attend, il s'engage également.
  • Espérance de A. S'engager rapporte 0,6×2+0,4×(−2)=0,40{,}6 \times 2 + 0{,}4 \times (-2) = 0{,}4. Attendre rapporte 00, puisque B s'engage dans les deux cas.

A s'engage donc, mais son gain est passé de 2 à 0,4. La simple possibilité d'un automobiliste impatient, pour qui céder coûte plus cher que le face-à-face, suffit à faire fondre l'avantage du premier joueur.

Le B impatient n'est autre que le B de la menace, devenu crédible. Sa promesse de s'engager quoi qu'il arrive, que l'arbre déclarait en l'air, tient désormais d'elle-même : à son nœud, s'engager lui rapporte −2-2, plus que les −3-3 de l'attente. C'est le second moyen de rendre une menace crédible, vu plus haut : non pas couper une branche, mais changer un gain. Ce que A ignore, c'est seulement s'il a affaire à ce B-là.

L'arbre accueille ce calcul tel quel. Un troisième joueur, le hasard, tire le type de B, avec les probabilités de la croyance de A : c=0,6c = 0{,}6 pour le tranquille, 0,40{,}4 pour l'impatient. Le tirage est dessiné après le coup de A : en réalité B est impatient ou non avant que A n'avance, mais A ne le voit pas, et pour lui cela revient au même. B, lui, répond en connaissant son type. À chaque nœud du hasard, la valeur est l'espérance des deux branches, pondérées par cette croyance.

gains (A ; B)s'engagetranquillec = 0,6s'engageattendimpatientc = 0,4s'engageattendattendtranquillec = 0,6s'engageattendimpatientc = 0,4s'engageattendA(0,4 ; −0,8)Hasard(0,4 ; −0,8)B(2 ; 0)(−2 ; −2)(2 ; 0)B(−2 ; −2)(−2 ; −2)(2 ; −3)Hasard(0 ; 2)B(0 ; 2)(0 ; 2)(0 ; 0)B(0 ; 2)(0 ; 2)(0 ; −3)
La rue avec un B de type inconnu. Le hasard tire le type de B, que A ignore en avançant ; chaque nœud du hasard vaut l'espérance de ses deux branches. Le chemin plein est l'équilibre : s'engage, puis le hasard tranche : tranquille (0,6), puis attend ; impatient (0,4), puis s'engage, pour un résultat moyen de (0,4 ; −0,8). En tirets de la même couleur, le choix que chaque joueur ferait aux nœuds que la partie n'atteint pas ; en pointillés gris, les branches écartées.

La racine vaut (0,4;−0,8)(0{,}4 ; -0{,}8) : 0,4 minute pour A, comme dans le calcul ci-dessus, et une perte moyenne de 0,8 minute pour B, qui paie les face-à-face de son type impatient.

Le mouvement, en une phrase. L'incertitude sur l'adversaire se ramène à l'incertitude sur le monde. On remplace un adversaire inconnu par une loterie entre plusieurs adversaires connus, et le calcul redevient celui qu'on sait faire : une espérance.

Ce que la croyance a de fragile

Le résultat dépend entièrement des probabilités attribuées aux types, et ces probabilités ne se mesurent pas : elles s'estiment. Deux ingénieurs de bonne foi peuvent donc aboutir à deux décisions opposées à partir du même modèle.

La conduite à tenir est de faire varier la croyance et de regarder à partir de quelle valeur la décision bascule. Si elle bascule tout près de l'estimation, l'analyse ne tranche rien et il faut aller chercher de l'information. Si elle bascule loin, la décision est robuste et l'estimation n'a pas besoin d'être précise.

Ici, en notant cc la probabilité que B soit tranquille, s'engager rapporte 2c−2(1−c)=4c−22c - 2(1 - c) = 4c - 2, qui dépasse 00 dès que c>1/2c > 1/2. C'est le seuil du chapitre précédent, vu de l'autre côté : croire B tranquille à plus d'une chance sur deux, c'est croire qu'il laissera passer un A engagé plus d'une fois sur deux. Estimée à 0,6, la croyance n'en est éloignée que d'un dixième : l'analyse ne tranche presque rien. Une estimation fausse d'un cheveu renverse la décision, et le bon réflexe n'est pas d'affiner le calcul mais d'aller chercher l'information qui manque, c'est-à-dire, ici, de regarder la voiture d'en face avant d'avancer.

Ce que vaut l'information

L'encadré conclut qu'il faut aller chercher l'information qui manque. Encore faut-il savoir combien elle vaut. Si A savait à qui il a affaire avant d'avancer, il s'engagerait face au tranquille, pour 2 minutes en moyenne, et attendrait face à l'impatient, pour 0 au lieu du face-à-face à −2-2. Son espérance passerait à

0,6×2+0,4×0=1,20{,}6 \times 2 + 0{,}4 \times 0 = 1{,}2

contre 0,4 sans savoir. L'écart, 0,8 minute, est ce que vaut pour lui l'information sur le type de B.

Valeur de l'information

La valeur de l'information se calcule avant de l'avoir. C'est l'écart entre deux espérances : celle de la meilleure décision prise une fois informé, en moyenne sur tout ce que l'information pourrait révéler, et celle de la meilleure décision prise sans elle. C'est le maximum qu'il vaut la peine de dépenser pour l'obtenir, en temps, en argent ou en étude.

Elle ne peut pas être négative pour un décideur seul : informé, il garde le droit de faire ce qu'il aurait fait sans savoir, et ne change d'avis que pour mieux faire.

Ici, prendre le temps de regarder la voiture d'en face vaut la peine tant que cela coûte moins de 0,8 minute. Dans un jeu, en revanche, savoir ne profite pas toujours, parce que l'autre peut s'en servir. Si B sait que A attendra de voir ce qu'il fait avant de choisir, B n'a qu'à s'engager le premier : A, informé, n'a plus qu'à attendre, et perd l'avantage du premier joueur. Rien de tel ici, où l'information porte sur le type de B, que B ne peut pas changer.

La valeur de l'information dépend de la croyance, et elle est la plus grande là où la décision est la plus fragile. Informé, A gagne 22 face au tranquille et 00 face à l'impatient, soit 2c2c en moyenne. Sans savoir, il gagne 00 sous la bascule, en attendant, et 4c−24c - 2 au-dessus, en s'engageant. La valeur de l'information vaut donc 2c2c sous la bascule et 2c−(4c−2)=2−2c2c - (4c - 2) = 2 - 2c au-dessus : 1 minute en c=1/2c = 1/2, 0,8 en c=0,6c = 0{,}6, 0,2 seulement en c=0,9c = 0{,}9. Une décision robuste n'a presque rien à gagner à une étude ; une décision qui bascule près de l'estimation a le plus à y gagner.

Vérification rapideon peut se reprendre

1.Que représente un « type » dans un jeu à information incomplète ?

2.A estime à 0,6 la probabilité que B soit tranquille. Sur quoi doit-il fonder sa décision d'avancer ?

La méthode

  1. Dessiner l'arbre avant tout calcul : un nœud par décision, une branche par option, un gain par feuille. Indiquer à chaque nœud qui décide.
  2. Partir des feuilles, jamais de la racine. Remonter nœud par nœud en donnant à chacun la valeur que son joueur choisirait, d'après ses propres gains.
  3. Chercher d'abord une quantité calculable sur la position, comme le reste d'une division. Quand elle existe, elle rend l'exploration inutile et la stratégie se résume à une ligne.
  4. Éprouver toute menace en se plaçant au nœud où elle devrait s'exécuter : elle n'est crédible que si l'exécuter est alors préférable à y renoncer. Un équilibre de Nash qui repose sur une menace en l'air n'est pas parfait en sous-jeux.
  5. Sur un jeu qui se rejoue, comparer ce que rapporte la trahison une fois à ce qu'elle coûte ensuite, en pondérant chaque année par la probabilité de se retrouver.
  6. Sur une information incomplète, écrire les types possibles et la croyance associée, puis calculer une espérance sur les types. Chercher la croyance de bascule, et chiffrer la valeur de l'information avant de payer pour l'obtenir.
  7. Conclure en français, en disant ce que fait chaque joueur et pourquoi il n'a pas intérêt à faire autrement.

Mettre en pratique

Chaque question reprend un geste du chapitre sur des nombres un peu différents : la réponse ne se relit pas, elle se refait.

Remonter, compter, peser

  • 1.

    Dans la rue jouée en séquence, la voie est encombrée une fois sur deux, p=0,5{p = 0{,}5}. Combien de minutes A gagne-t-il en moyenne en jouant le premier ?

  • 2.

    À partir de quelle probabilité d'encombrement pp A préfère-t-il attendre, même en jouant le premier ?

  • 3.

    Dans la rue, B décide à deux nœuds et a quatre plans complets. Combien de plans complets aurait-il s'il décidait à cinq nœuds, avec deux actions à chacun ?

  • 4.

    A estime cette fois à 0,7 la probabilité que B soit tranquille. Combien gagne-t-il en moyenne en s'engageant sans connaître le type de B ?

  • 5.

    Toujours avec 0,7, combien de minutes vaut pour A l'information sur le type de B ?

  • 6.

    Dans la guerre des prix répétée, trahir rapporterait 9 l'année de la trahison au lieu de 8. À partir de quelle probabilité de se retrouver tenir son prix deviendrait-il plus rentable ?

La troisième question dit pourquoi la forme normale ne sert qu'aux petits arbres. Avec deux actions par nœud, un joueur qui décide à dix nœuds a déjà 210=1 0242^{10} = 1\,024 plans complets, et la matrice devient illisible bien avant l'arbre, que l'induction à rebours parcourt en visitant chaque nœud une seule fois. La dernière dit ce que vaut la tentation : plus la trahison rapporte sur le moment, plus il faut de chances de se revoir pour que le prix tenu résiste.

Pourquoi l'induction à rebours part-elle des feuilles, et jamais de la racine ?

Parce que la valeur d'un nœud est définie à partir de celles de ses enfants : le joueur qui décide à ce nœud choisit l'enfant qui lui rapporte le plus. Tant que les enfants n'ont pas de valeur, le nœud n'en a pas.

Les feuilles sont les seuls nœuds dont la valeur se lise directement, puisqu'elles portent les gains de fin de partie. Elles sont donc le seul point de départ possible, et la remontée se fait ensuite mécaniquement.

Au jeu de Nim, plafond 3, qui gagne à 17 allumettes et que faut-il prendre ?

17=4×4+117 = 4 \times 4 + 1, donc 17 n'est pas un multiple de 4 : le premier joueur gagne. Il prend 1 allumette et laisse 16, qui est un multiple de 4.

Ensuite, quel que soit le nombre kk pris par l'adversaire, il répond par 4−k4 - k et redonne un multiple de 4. La position descend de 16 à 12, puis 8, puis 4, puis 0 : l'adversaire se retrouve devant 0 et ne peut plus jouer.

Avec un plafond de 5 au lieu de 3, que deviennent les positions perdantes ?

Elles deviennent les multiples de 6. Le raisonnement ne change pas d'un mot : le second joueur veut pouvoir compléter à un total fixe chaque tour, et ce total est le plafond augmenté de un, puisque les coups possibles vont de 1 à 5.

C'est ce qui rend ce jeu intéressant à étudier : la stratégie ne se retient pas, elle se retrouve, et elle s'adapte à toute variante de la règle du même type.

Dans la variante misère, que devient la stratégie ?

Tout se décale d'un cran. Celui qui prend la dernière allumette perd, donc laisser 1 à l'adversaire le condamne. Les positions perdantes sont celles dont le reste dans la division par 4 vaut 1, soit 1, 5, 9, 13, 17 et 21.

Le geste est le même qu'avant : viser à laisser une position perdante, c'est-à-dire laisser un multiple de 4 augmenté de un. Seule la cible a bougé.

Pourquoi une menace non crédible reste-t-elle un équilibre de Nash ?

Parce que l'équilibre de Nash se définit sur la forme normale, où chaque joueur choisit d'avance un plan complet, une réponse pour chacun de ses nœuds, et où l'on vérifie seulement que personne ne gagne à dévier seul. Si le client renonce à négocier, le fournisseur n'a effectivement aucun intérêt à changer de plan, puisque sa menace n'est jamais mise à l'épreuve. Et le client, lui, a raison de renoncer si la rupture lui coûterait plus que de payer le prix fort : chacun joue alors une meilleure réponse au plan annoncé de l'autre.

C'est l'arbre qui disqualifie cette solution, en exigeant que le choix soit optimal à chaque nœud, y compris ceux qui ne sont pas atteints à l'équilibre. Cette exigence supplémentaire définit l'équilibre parfait en sous-jeux, et c'est elle qui fait tomber les menaces en l'air.

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