Die formale mathematische Definition eines Simultanen ($N$ Spieler)-($m$ Strategien) Spiels in strategischer Form mit Auszahlung (siehe z.B. [2,3]) benötigt lediglich die Angabe dreier Größen: Die Menge ${\bf \cal I}$ der Spieler, die Menge (der Raum) ${\bf \cal {S}}$ der Strategien der Spieler und ihre Auszahlungsfunktion (Präferenzordnungen) ${\bf \cal {\$}}$.
Um diese formale Definition im einzelnen zu erklären, beschränken sich die folgenden Darlegungen auf den einfachsten Fall des simultanen ($2$ Spieler)-($2$ Strategien) Spiels.
Die nebenstehende Abbildung stellt den Spielbaum eines simultanen (2 Personen)-(2 Strategien) Spiels dar. Beide Spieler (Spieler A und Spieler B) treffen die Entscheidung, welche der beiden reinen Strategien ($s_1$ und $s_2$) sie auszuwählen gedenken, zur gleichen Zeit, d.h. beim Zeitpunkt der Entscheidung wissen beide Spieler nicht, welche der Strategien der andere Spieler auswählt. ${\bf \cal {\$}}^\mu$ (mit $\mu= A,\, B$) bezeichnet die Auszahlung, welche den Spielern nach Bekanntgabe ihrer Entscheidung ausgezahlt wird. Die Auszahlungen der vier möglichen Strategienkombinationen werden im folgenden durch die Auszahlungsmatrizen $\hat{\bf {\cal \$}}^\mu$ angegeben. Die oben angegebene Definition vereinfacht sich in einem solchen ($2 \times 2$) Spiel somit wie folgt: \[ \begin{eqnarray} &&\mbox{($2 \times 2$) Spiel: } \nonumber\\&& \Gamma := \left( \left\{ A, B \right\}, {\bf {\cal S}}^A \times {\bf {\cal S}}^B, (\hat{\bf {\cal \$}}^A, \hat{\bf {\cal \$}}^B) \right) \nonumber\\ &&\mbox{Menge der reinen Strategien des Spielers A und B: } \nonumber\\&& {\bf {\cal S}}^A = \left\{ s^A_1, s^A_2 \right\}\, , \,\, {\bf {\cal S}}^B = \left\{ s^B_1, s^B_2 \right\} \nonumber\\ &&\mbox{Auszahlungsmatrix der Spieler A und B: } \nonumber\\&& \hat{\bf {\cal \$}}^A = \left( \begin{array}[c]{cc} \$^A_{11}&\$^A_{12}\\ \$^A_{21}&\$^A_{22} \end{array} \right),\,\, \hat{\bf {\cal \$}}^B = \left( \begin{array}[c]{cc} \$^B_{11}&\$^B_{12}\\ \$^B_{21}&\$^B_{22} \end{array} \right) \nonumber \end{eqnarray} \] Die nebenstehende Abbildung zeigt den Spielbaum eines simultanen (2 Personen)-(2 Strategien) Spiels. Die ovale, türkisene Linie visualisiert den simultanen Charakter des Spiels; ohne diese, wäre der Spielablauf ein sequentieller und Spieler B wüste schon wie sich Spieler A entschieden hätte, bevor er seine Entscheidung trifft. Die vier möglichen Ausgänge des Spiels sind mit unterschiedlichen Auszahlungen an die Spieler verknüpft, wobei diese durch die Auszahlungsmatrizen der Spieler A und B definiert sind.
Das wohl bekannteste Beispiel eines solchen (2 Personen)-(2 Strategien) Spiels ist das sogennante Gefangenendilemma:
"Bonnie und Clyde werden nach einem missglückten Banküberfall geschnappt und in verschiedenen Zellen untergebracht. Wenn beide schweigen kann der Staatsanwalt sie nur wegen verbotenen Waffenbesitzes für drei Jahre hinter Gitter bringen. Verrät jedoch einer den anderen, dann bekommt der Geständige als Zeuge der Anklage nur für ein Jahr hinter Gitter - der Nichtgeständige muss dann aber für neun Jahre ins Gefängnis. Gestehen beide, so müssen sie sieben Jahre absitzen."
Es handelt sich bei dieser Entscheidungssituation um ein simultanes (2 Personen)-(2 Strategien) Spiel. Die Menge der Spieler besteht aus "Bonnie und Clyde" (${\bf \cal I} =\left\{ A, B \right\}=\left\{ \hbox{Bonnie}, \hbox{Clyde} \right\}$), die jeweils zwischen den Strategien "Gestehe" und "Gestehe nicht" auswählen können (${\cal S}^A = \left\{ s^A_1, s^A_2 \right\}=\left\{ \hbox{Gestehe}, \hbox{Gestehe nicht} \right\}= \left\{ s^B_1, s^B_2 \right\}={\cal S}^B$). Die durch die Geschichte beschriebene Auszahlungsmatrix der Spieler stellt die Anzahl der Jahre der Gefängnisstrafe als negative Zahlen dar. Es ist üblich die Auszahlungen eines Spiels in Form einer Tabelle anzugeben (siehe nebenstehende Auszahlungstabelle).