Índice de poder de Banzhaf

El índice de poder de Banzhaf , nombrado en honor a John F. Banzhaf III (originalmente inventado por Lionel Penrose en 1946 y llamado a veces índice Penrose–Banzhaf; también conocido como el índice Banzhaf–Coleman en honor a James Samuel Coleman), es un índice de poder definido por la probabilidad de cambiar el resultado de una votación en la que la cantidad de votos no está dividida en partes iguales entre los votantes o accionistas.

Modelo de ordenador del índice de poder de Banzhaf(El Proyecto de Demostraciones del Wolfram)

Para calcular el poder de un votante usando el índice de Banzhaf , se listan todas las coaliciones ganadoras, luego se cuentan los votantes críticos. Un votante crítico es un votante que, si cambia su voto, causaría que la coalición pierda. El poder de un votante está medido como la fracción de todos votos que cambien resultados que él pueda lanzar. Hay algunos algoritmos para calcular el índice de poder, p. ej., técnicas de programación dinámica, métodos de enumeración y métodos Monte Carlo (Matsui & Matsui 2000).

Ejemplos

Juegos de votación

Juego de votación simple

Un juego de votación sencillo, tomado de Teoría de Juegos y Estrategia de Phillip D. Straffin:

[6; 4, 3, 2, 1]

Los números en los corchetes significan que una medida requiere 6 votos para ser aprobada, y el votante A tiene cuatro votos, B tres votos, C dos, y D uno. Las coaliciones ganadoras, con los votantes críticos subrayados, son las siguientes:

AB, AC, ABC, ABD, ACD, BCD, ABCD

Hay en total 12 votos críticos, por lo que, según el índice de Banzhaf, el poder está dividido así:

A = 5/12, B = 3/12, C = 3/12, D = 1/12

Colegio electoral de los EE. UU.

Consideremos el Colegio Electoral de los Estados Unidos. Cada estado tiene más o menos poder que los otros. Hay un total de 538 votos electorales. 270 votos se consideran un voto mayoritario. El índice de poder de Banzhaf sería una representación matemática de la capacidad de un solo estado de cambiar la votación. Un estado como California, el cual tiene 55 votos electorales , tiene más capacidad para cambiar la votación que un estado como Montana, que tiene 3 votos electorales.

Supongamos que los Estados Unidos tienen una elección presidencial entre un Republicano (R) y un Demócrata (D). Por simplicidad, supongamos que sólo tres estados están participando: California (55 votos electorales), Texas (38 votos electorales), y Nueva York (29 votos electorales).

Los posibles resultados de la elección son:

California (55)	Texas (38)	Nueva York (29)	Votos R	Votos D	Estados que podrían cambiar la votación
R	R	R	122	0	Ninguno
R	R	D	93	29	California (D ganaría 84–38), Texas (D ganaría 67–55)
R	D	R	84	38	California (D ganaría 93–29), Nueva York (D ganaría 67–55)
R	D	D	55	67	Texas (R ganaría 93–29), Nueva York (R ganaría 84–38)
D	R	R	67	55	Texas (D ganaría 93–29), Nueva York (D ganaría 84–38)
D	R	D	38	84	California (R ganaría 93–29), Nueva York (R ganaría 67–55)
D	D	R	29	93	California (R ganaría 84–38), Texas (R ganaría 67–55)
D	D	D	0	122	Ninguno

El índice de poder de Banzhaf de un estado es la proporción de los resultados posibles en qué aquel estado podrían cambiar la elección. En este ejemplo, los tres estados tienen el mismo índice: 4/12 o 1/3.

Sin embargo, si Nueva York es reemplazada por Georgia, con solo 16 votos electorales, la situación cambia dramáticamente.

California (55)	Texas (38)	Georgia (16)	Votos R	Votos D	Estados que podrían cambiar la votación
R	R	R	109	0	California (D ganaría 55-54)
R	R	D	93	16	California (D ganaría 71-38)
R	D	R	71	38	California (D ganaría 93-16)
R	D	D	55	54	California (D ganaría 109-0)
D	R	R	54	55	California (R ganaría 109–0)
D	R	D	38	71	California (R ganaría 93-16)
D	D	R	16	93	California (R ganaría 71–38)
D	D	D	0	109	California (R ganaría 55–54)

En este ejemplo, el índice de Banzhaf de California es 1 y el de los otros estados es 0, ya que California tiene más de la mitad de los votos.

Juego de cártel

Cinco compañías (A, B, C, D, E) firman un acuerdo para la creación de un monopolio. El tamaño del mercado es de X = 54 millones de unidades por año (p.ej. barriles de petróleo) para generar un monopolio. La capacidad de producción máxima de estas compañías es A = 44, B = 32, C = 20, D = 8 y E = 4 millones de unidades por año. Por tanto, hay un conjunto de coaliciones capaces de proporcionar las 54 millones de unidades necesarias para el monopolio, y un conjunto de coaliciones incapaces de proporcionar aquel número. En cada de las coaliciones suficientes puede haber miembros necesarios (para la coalición para proporcionar la producción requerida) y miembros innecesarios (subrayados en la tabla inferior). Incluso cuándo uno de estos miembros innecesarios sale de la coalición, esta es capaz de proporcionar la producción requerida. Sin embargo, cuándo uno de los miembros necesarios la abandona, la coalición suficiente deviene insuficiente. El beneficio del monopolio para distribuirse entre los miembros de la coalición es 100 millones de dólares por año.

Coaliciones suficientes	ABCDE, ABCD, ABCE, ABDE, ACDE, ABC, ABD, ABE, ACD, AS, BCDE, BCD, BCE, ADE, AB y AC
Coaliciones insuficientes	CDE, BDE, AD, AE, BC, BD, BE, CD, CE, DE, A, B, C, D y E

El índice de Penrose–Banzhaf puede ser aplicado al cálculo del valor de Shapley, el cual proporciona una base para una distribución del beneficio para cada jugador en el juego en proporción al número de las coaliciones suficientes en las qué aquel jugador es necesario. El jugador A es necesario para 10 de las 16 coaliciones suficientes, B es necesario para 6, C también para 6, D para 2 y E para 2. Por tanto, A es necesario en 38.5% de los casos totales (26 = 10 + 6 + 6 + 2 + 2, así que es 10/26 = 0.385), B en 23.1%, C en 23.1%, D en 7.7% y E en 7.7% (estos son los índices de Banzhaf para cada compañía). La distribución de los 100 millones de beneficios de monopolio bajo el criterio del valor de Shapley tiene que seguir aquellas proporciones.

Historia

Lo que hoy es conocido como el índice de poder de Banzhaf fue originalmente introducido por Penrose (1946) y fue olvidado posteriormente. Es reinventado por Banzhaf (1965), pero tendría que ser reinventado una vez más por Coleman (1971) para que se vuelva parte de la bibliografía principal.

Banzhaf quería probar objetivamente que el sistema de votación del Consejo del Condado de Nassau era injusto. Como muestra en Teoría de Juegos y Estrategia, los votos estaban distribuidos como sigue:

• Hempstead #1: 9
• Hempstead #2: 9
• North Hempstead : 7
• Oyster Bay: 3
• Glen Cove: 1
• Long Beach: 1

Había 30 votos totales , y una mayoría sencilla de 16 votos era requerida para aprobar una medida.

En notación de Banzhaf , [Hempstead #1, Hempstead #2, North Hempstead, Oyster Bay, Glen Cove, Long Beach] eran A-F en [16; 9, 9, 7, 3, 1, 1]

Hay 32 coaliciones ganadoras, y 48 votos críticos:

AB AC BC ABC ABD ABE ABF ACD ACE ACF BCD BCE BCF ABCD ABCE ABCF ABDE ABDF ABEF ACDE ACDF ACEF BCDE BCDF BCEF ABCDE ABCDF ABCEF ABDEF ACDEF BCDEF ABCDEF

El índice de Banzhaf da estos valores:

• Hempstead #1 = 16/48
• Hempstead #2 = 16/48
• North Hempstead = 16/48
• Oyster Bay = 0/48
• Glen Cove = 0/48
• Long Beach = 0/48

Banzhaf Argumentó que una distribución de votos que da el 0% del poder al 16% de la población es injusto, y demandó al Consejo.

Actualmente el índice de poder de Banzhaf es una manera aceptada de medir el poder de votación, junto con el alternativoÍndice de poder de Shapley-Shubik.

Sin embargo, el análisis de Banzhaf ha sido criticado de tratar los votos como lanzamientos de monedas, y que un modelo de votación empírico en lugar de un modelo de votación aleatorio como el utilizado por Banzhaf traería resultados diferentes (Gelman & Katz 2002).

Véase también

• Índice de poder de Shapley-Shubik
• Método de Penrose
• Ley de raíz cuadrada de Penrose
• Valor de Shapley

Referencias

• Banzhaf, John F. (1965), «Weighted voting doesn't work: A mathematical analysis», Rutgers Law Review 19 (2): 317-343 .
• Coleman, James S. (1971), «Control of Collectives and the Power of a Collectivity to Act», en Lieberman, Bernhardt, ed., Social Choice, New York: Gordon and Breach, pp. 192-225 .
• Felsenthal, Dan S; Machover, Moshé (1998), The measurement of voting power theory and practice, problems and paradoxes, Cheltenham: Edward Elgar .

• Gelman, Andrew; Katz, Jonathan; Tuerlinckx, Francis (2002), «The Mathematics and Statistics of Voting Power», Statistical Science 17 (4): 420-435, doi:10.1214/ss/1049993201 . 
• Lehrer, Ehud (1988), «An axiomatization of the Banzhaf value», International Journal of Game Theory 17 (2): 89-99, doi:10.1007/BF01254541 . (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última). 

• Tomomi Matsui y Yasuko Matsui (2000). «A Survey of Algorithms for Calculating Power Indices of Weighted Majority Games». J. Oper. Res. Soc. Japan 43: 71--86. Archivado desde el original el 7 de abril de 2004. Consultado el 3 de junio de 2017. 

• Penrose, Lionel (1946), «The Elementary Statistics of Majority Voting», Journal of the Royal Statistical Society (Blackwell Publishing) 109 (1): 53-57, JSTOR 2981392, doi:10.2307/2981392 . 
• Seth J. Chandler (2007), "Banzhaf Power Index", The Wolfram Demonstrations Project.

Enlaces externos

• Online Power Index Calculator (by Tomomi Matsui)
• Banzhaf Power Index Incluye estimaciones del índice de poder para el Colegio Electoral de los Estados Unidos de 1990.
• Voting Power Cálculo en Perl del índice de Penrose.
• Computer Algorithms for Voting Power Analysis Algoritmos basados en la Web para análisis de poder de voto
• Power Index Calculator Calcula varios índices para juegos de votos ponderados (múltiples) en línea. Incluye algunos ejemplos.

• Datos: Q2742375