Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1822/46015

TitleEmergence and self-organization of cooperation
Author(s)Vasconcelos, Vítor Vasco Lourenço de
Advisor(s)Pacheco, Jorge M.
Santos, Francisco C.
Ramos, Marta M. D.
KeywordsEmergence of cooperation
Evolution of Cooperation and Institutions
Collective action
Tragedy of the commons
Climate change
Complex systems
Evolutionary game theory
Evolutionary dynamics
Emergência da Cooperação
Evolução da Cooperação e Instituições
Ação Coletiva
Tragédia dos Comuns
Alterações Climáticas
Ciências da Sustentabilidade
Redes Complexas
Sistemas Complexos
Teoria de Jogos Evolutiva
Dinâmica Evolutiva
Issue date6-Feb-2017
Abstract(s)This dissertation reports the main work I developed during my Ph.D. program. It contains my contributions to the field of population dynamics and a study of a global problem of cooperation. Evolutionary game theory (EGT) and stochastic population dynamics have proven to be powerful tools to describe frequency-dependent dynamics in evolutionary biology. More recently, EGT has become increasingly popular in the study of social settings and conflict resolution among humans, calling for an extension of the initial framework towards the boundless complexity of human reasoning. Here, I discuss the necessity of introducing different levels of rationality and prospective strategies, proving under which circumstances the equations that govern both rational and rationally-bounded players coincide. Moreover, since decision-making often relies in a continuum of possible options, I propose a novel equation to describe the evolution of populations with a continuum of strategies, analyzing why and when we can discretize the sets of possible strategies. Finally, when finite populations and stochastic effects are considered, the increasing population size or increasing number of individual configurations rapidly renders the analysis of stationary states prohibitive. Here, I also discuss a novel framework that allows us to define a hierarchy of approximations to the stationary distribution of any population dynamics described by a Markov process, overcoming the limitations of existing approaches. These results and methods are general in the sense that they are applicable to the study of different dilemmas and their respective gametheoretical representation. In the last part of this dissertation, I focus on problems related with global coordination for the preservation of a common good, such as climate change governance. Indeed, preventing global warming requires overall cooperation. Contributions will depend on uncertainty of future losses, which plays a key role in decision-making. Here, I discuss an evolutionary game theoretical model – and its stochastic dynamics in finite populations – in which decisions within small groups under high risk and stringent requirements toward success are shown to significantly raise the chances of coordinating to save the planet’s climate. This result calls for a decentralized or polycentric way of coordinating efforts to tame the planet’s climate. I further discuss whether a polycentric structure of multiple small-scale sanctioning institutions provides a viable solution to solve global dilemmas. Such structure is shown to help deterring non-cooperative behavior (when compared with a single global institution), even though it suffers, to a smaller extent, from most of the same problems as the top-down approach: sensitivity to risk perception and to overall uncertainty. Furthermore, I also discuss how world’s wealth inequality may influence the outcome of this type of collective dilemmas, studying how the segregation between rich and poor players harms cooperative behavior, even if rich tend to, at first, compensate for contributions (or lack of them) from the poor. Finally, I discuss in which conditions the establishment of pre-play contracts may help to overcome part of these problems. The results indicate that contracts are more effective if voluntary and more prevalent if small, acting as a costly signaling mechanism for a naturally cooperative group of individuals sharing common goals. This, in turn, if combined with some partnership advantages, creates more incentives to join, allowing both cooperation and the total membership to grow.
Esta dissertação é uma coletânea do principal trabalho desenvolvido durante o meu doutoramento. Contém as minhas contribuições para o ramo da dinâmica de populações e o estudo de um problema global de cooperação. A Teoria de Jogos Evolutiva (EGT) e a dinâmica estocástica de populações são identificadas como ferramentas poderosas para descrever a dinâmica evolutiva em Biologia Evolutiva. Mais recentemente, a EGT tem-se tornado mais popular no estudo de sistemas sociais de resolução de con- flitos entre humanos pedindo por uma extensão das ferramentas originais de forma a acomodar a grande complexidade humana. Nesta dissertação, eu discuto a necessidade de introduzir diferentes níveis de racionalidade e estratégias que recorrem a previsões, mostrando em que circunstâncias as equações que governam estratégias racionais e com racionalidade limitada coincidem. Além disso, uma vez que a tomada de decisão muitas vezes incide num contínuo de estratégias possíveis, proponho uma nova equação para descrever a evolução de populações com um contínuo de estratégias. Finalmente, quando as populações são finitas e são considerados os seus efeitos estocásticos, o aumento do tamanho da população ou do número de configurações individuais possíveis rapidamente torna impraticável a análise de estados estacionários. Aqui, eu também discuto uma nova ferramenta que permite definir uma hierarquia de aproximações para a distribuição estacionária de qualquer dinâmica de populações descrita por um processo de Markov, ultrapassando as atuais limitações. Estes resultados e métodos são gerais, no sentido de serem aplicáveis ao estudo de diferentes dilemas e da respetiva representação em termos de teoria de jogos. Na última parte desta dissertação, foco-me em problemas relacionados com a coordenação global para a preservação de um bem comum, como a prevenção das alterações climáticas. De facto, a prevenção do aquecimento global requer cooperação a nível global. Contudo, as contribuições vão depender da incerteza sobre as perdas futuras, o que joga um papel crucial na tomada de decisão dos responsáveis. Aqui discuto um modelo de EGT – e os seus efeitos estocásticos em populações finitas – com o qual mostro que as hipóteses de coordenação para salvar o clima do planeta aumentam significativamente se as decisões forem tomadas no seio de pequenos grupos sobre problemas locais que, por um lado, reflitam menor incerteza e, por outro, onde os requisitos para a tomada de ação possam ser apertados. Este resultado pede uma forma de coordenar os esforços para domar o clima do planeta que seja descentralizada, ou policêntrica. Ainda nesta parte, discuto se uma estrutura policêntrica de múltiplas instituições para sancionar comportamentos de pequena escala providencia uma solução viável para resolver problemas globais. Mostro que essa estrutura ajuda a prevenir comportamentos não cooperativos (quando comparada com uma única instituição global), mesmo que sofra, em menor escala, dos mesmos problemas da alternativa top-down: sensibilidade à perceção do risco de desastre e incerteza, em geral. Além disso, também discuto como é que a desigualdade de capacidade contributiva no mundo pode influenciar o resultado deste tipo de dilemas coletivos, estudando como é que a segregação entre jogadores ricos e pobres prejudica a cooperação, mesmo que os ricos, a princípio, tendam a compensar a falta de contribuições dos pobres. Finalmente, discuto em que condições a criação de contratos pode ajudar a ultrapassar parcialmente estes problemas. Os resultados indicam que os contratos são mais eficientes se voluntários e mais prevalentes se entre poucos membros, funcionando como um mecanismo de sinalização com custo para grupos de indivíduos naturalmente cooperativos. Isto, por sua vez, combinado com vantagens intra-contrato, cria mais incentivos para novas adesões o que torna possíveis o aumento tanto da cooperação como do número de membros.
TypeDoctoral thesis
DescriptionTese de Doutoramento em Ciências Especialidade em Física
URIhttp://hdl.handle.net/1822/46015
AccessOpen access
Appears in Collections:BUM - Teses de Doutoramento
CDF - FCT - Teses de Doutoramento/PhD Thesis

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