Ярмарка нарезки торта - Fair cake-cutting

Если торт с выбранной начинкой просто разрезать на равные части, разные люди получат разное количество его начинки, и некоторые могут не посчитать это справедливым разделением торта.

Ярмарка нарезки торта это своего рода справедливое деление проблема. Проблема связана с неоднородный ресурс, такой как торт с разными начинками, который предполагается делимый - из нее можно вырезать сколь угодно мелкие кусочки, не разрушая их ценности. Ресурс должен быть разделен между несколькими партнерами, которые имеют разные предпочтения в отношении разных частей торта, то есть кто-то предпочитает шоколадную начинку, кто-то вишню, кто-то просто хочет кусок как можно большего размера. Разделение должно быть субъективно справедливым, так как каждый человек должен получить кусок, который он или она считает справедливой долей.

«Торт» - это всего лишь метафора; Процедуры справедливой резки торта могут использоваться для разделения различных видов ресурсов, таких как земельные участки, рекламное пространство или время вещания.

Проблема разрезания торта была введена Хьюго Штайнхаус после Второй мировой войны^[1] и до сих пор является предметом интенсивных исследований в математика, Информатика, экономика и политическая наука.^[2]

Предположения

Есть торт C, который обычно считается либо конечным одномерным сегментом, либо двумерным многоугольником, либо конечным подмножеством многомерной евклидовой плоскости р^d.

Есть п люди с равными правами на C.^[3]

C должен быть разделен на п непересекающиеся подмножества, так что каждый человек получает непересекающееся подмножество. Кусок, выделенный человеку я называется${\displaystyle X_{i}}$, и ${\displaystyle C=X_{1}\sqcup \cdots \sqcup X_{n}}$.

Каждый человек должен получить кусок «справедливой» стоимости. Справедливость определяется на основе субъективные функции ценности. Каждый человек я имеет субъективную функцию ценности V_я который отображает подмножества C к числам.

Предполагается, что все функции стоимости абсолютно непрерывный по длине, площади или (в общем) Лебег мера.^[4] Это означает, что нет «атомов» - нет особых точек, которым один или несколько агентов присваивают положительное значение, поэтому все части торта делимы.

Кроме того, в некоторых случаях предполагается, что функции значения сигма добавка (стоимость целого равна сумме ценностей его частей).

Пример торта

В следующих строках мы будем использовать следующий торт в качестве иллюстрации.

• Торт состоит из двух частей: шоколадной и ванильной.
• Есть два человека: Алиса и Джордж.
• Алиса оценивает шоколад как 9, а ваниль как 1.
• Джордж оценивает шоколад как 6, а ваниль как 4.

Требования правосудия

Первоначальным и наиболее распространенным критерием справедливости является соразмерность (PR). В пропорциональная резка торта, каждый получает кусок, который он ценит как минимум 1 /п стоимости всего торта. В примере торта пропорциональное деление может быть достигнуто, если передать всю ваниль и 4/9 шоколада Джорджу (для значения 6,66), а остальные 5/9 шоколада - Алисе (для значения 5 ). В символах:

${\displaystyle \forall {i}:\ V_{i}(X_{i})\geq 1/n}$

Критерий соразмерности может быть обобщен на ситуации, в которых права людей не равны. Например, впропорциональная нарезка торта с разными правами, торт принадлежит акционерам: одному из них принадлежит 20%, а другому - 80%. Это приводит к критерию взвешенная пропорциональность (WPR):

${\displaystyle \forall i:V_{i}(X_{i})\geq w_{i}}$

Где ш_я - веса, сумма которых равна 1.

Еще один общий критерий: зависть (EF). В резка торта без зависти, каждый человек получает произведение, которое он ценит не меньше, чем любое другое произведение. В символах:

${\displaystyle \forall i,j:\ V_{i}(X_{i})\geq V_{i}(X_{j})}$

В некоторых случаях между соразмерностью и свободой от зависти есть косвенные отношения, как показано в следующей таблице:

Агенты	Оценки	EF подразумевает пиар?	PR подразумевает EF?
2	добавка	да	да
2	Общее	Нет	да
3+	добавка	да	Нет
3+	Общее	Нет	Нет

Третий, менее распространенный критерий: справедливость (EQ). В справедливое разделение, каждый человек имеет одинаковую ценность. В примере торта справедливое разделение может быть достигнуто, если каждому человеку дать половину шоколада и половину ванили, так что каждый получит ценность 5. В символах:

${\displaystyle \forall i,j:\ V_{i}(X_{i})=V_{j}(X_{j})}$

Четвертый критерий: точность. Если право каждого партнера я является ш_я, затем точное деление это подразделение, в котором:

${\displaystyle \forall {i,j}:\ V_{i}(X_{j})=w_{j}}$

Если веса все равны (1 /п), то деление называется идеально и:

${\displaystyle \forall i,j:\ V_{i}(X_{j})=1/n}$

Геометрические требования

В некоторых случаях фигуры, выделенные партнерам, должны не только быть честными, но и удовлетворять некоторым геометрическим ограничениям.

• Наиболее частым ограничением является возможность подключения. В случае, если «торт» представляет собой одномерный интервал, это означает требование, чтобы каждый кусок также был интервалом. В случае, если торт представляет собой одномерный круг («пирог»), это означает требование, чтобы каждый кусок был дугой; видеть нарезка пирогов.
• Еще одно ограничение: смежность. Это ограничение применяется к случаю, когда «торт» представляет собой спорную территорию, которую необходимо поделить между соседними странами. В этом случае может потребоваться, чтобы кусок, выделенный каждой стране, находился рядом с ее текущей территорией; это ограничение обрабатывается Проблема раздела земли Хилла.
• При разделении земли часто возникают двухмерные геометрические ограничения, например, каждый участок должен быть квадратом или (в более общем смысле) толстый объект.^[5]

Оперативность и правдивость

Помимо справедливости, принято также рассматривать экономическую эффективность разделения; видеть Эффективная нарезка торта.

Помимо желаемых свойств финальных перегородок, существуют также желаемые свойства процесса разделения. Одно из этих свойств - правдивость (он же совместимость стимулов ), который состоит из двух уровней.

• Слабая правдивость означает, что если партнер откроет алгоритму свою истинную меру ценности, он гарантированно получит свою справедливую долю (например, 1 /п стоимости всего торта, в случае пропорционального деления), независимо от того, что делают другие партнеры. Даже если все другие партнеры образуют коалицию с единственной целью навредить ему, он все равно получит свою гарантированную долю. Большинство алгоритмов разрезания торта в этом смысле правдивы.^[1]
• Сильная правдивость означает, что ни один партнер не может выиграть от лжи. То есть сказать правду - это доминирующая стратегия. Большинство протоколов разрезания торта не очень правдивы, но были разработаны некоторые правдивые протоколы; видеть правдивая резка торта.

Полученные результаты

2 человека - пропорциональное деление без зависти

За ${\displaystyle n=2}$ людей, подразделение EF всегда существует, и его можно найти разделяй и выбирай протокол. Если функции ценности аддитивны, то это деление также является PR; в противном случае пропорциональность не гарантируется.

Пропорциональное деление

Основная статья: Пропорциональная резка торта

За п у людей с аддитивными оценками всегда существует пропорциональное деление. Наиболее распространенные протоколы:

• Последний уменьшитель, протокол, который может гарантировать, что п части связаны (т.е. никто не получает набор из двух или более разъединенных частей). В частности, если торт представляет собой одномерный интервал, каждый человек получает интервал. Это дискретный протокол, в который можно играть по очереди. Для этого требуется O (п²) действия.
• Дубинс-Спаниер Процедура с подвижным ножом - это версия Last diminisher, работающая в непрерывном режиме.^[6]
• Протокол Fink (также известен как последовательные пары или же одинокий выбор) - это дискретный протокол, который можно использовать для онлайн-деления: с учетом пропорционального деления для п - 1 партнеры, когда новый партнер входит в группу, протокол изменяет существующее разделение, так что и новый партнер, и существующие партнеры остаются с 1 /п. Недостаток в том, что каждый партнер получает большое количество отключенных фишек.
• В Протокол Even – Paz, основанный на рекурсивном разделении торта и группы агентов вдвое, требует всего O (п бревноп) действия. Это максимально быстрый детерминированный протокол для пропорционального деления и самый быстрый из возможных протокол для пропорционального деления, который может гарантировать, что части соединены.
• Протокол Эдмондса – Пруса - это рандомизированный протокол, для которого требуется только O (п) действий, но гарантирует лишь частично пропорциональное деление (каждый партнер получает не менее 1 /ан, куда а - некоторая константа), и это может дать каждому партнеру набор "крошек" вместо одного связного элемента.
• Протокол разделения земли Бек может произвести пропорциональное разделение спорной территории между несколькими соседними странами, таким образом, что каждая страна получает долю, которая обе связаны и прилегает к его нынешней удерживаемой территории.
• Протокол сверхпропорционального деления Вудалла производит разделение, которое дает каждому партнеру строго больше 1 /п, учитывая, что по крайней мере два партнера имеют разные мнения о стоимости хотя бы одного предмета.

Видеть пропорциональная резка торта для получения более подробной информации и полных ссылок.

Вышеупомянутые алгоритмы ориентированы в основном на агентов с равными правами на ресурс; однако их можно обобщить и получить пропорциональное разделение торта между агентами с разными правами.

Разделение без зависти

Основная статья: Нарезка торта без зависти

Подразделение EF для п люди существуют даже тогда, когда оценки не являются аддитивными, до тех пор, пока они могут быть представлены в виде согласованных наборов предпочтений. Разделение EF было изучено отдельно для случая, когда части должны быть соединены, и для более простого случая, когда части могут быть разъединены.

Для соединенных частей основные результаты:

• Процедура движущихся ножей Стромквиста производит разделение без зависти для 3 человек, давая каждому из них по ножу и инструктируя их постоянно перемещать ножи по торту заранее определенным образом.
• Протокол Симмонса может дать приблизительное деление без зависти для п люди с произвольной точностью. Если функции ценности являются аддитивными, деление также будет пропорциональным. В противном случае деление все равно будет незавидным, но не обязательно пропорциональным. Алгоритм дает быстрый и практичный способ решения некоторых проблем справедливого деления.^[7][8]

Оба эти алгоритма бесконечны: первый является непрерывным, а для схождения второго может потребоваться бесконечное время. Фактически, без зависти разделение связанных интервалов на 3 или более человек не может быть найдено любой конечный протокол.

Для возможно отключенных частей основные результаты:

• Дискретная процедура Селфриджа-Конвея производит разделение без зависти для 3 человек, используя не более 5 разрезов.
• Процедура перемещения ножей Брамса – Тейлора – Цвикера производит разделение без зависти для 4 человек, используя не более 11 разрезов.
• А реентерабельный вариант протокола Last Diminisher находит аддитивное приближение к делению без зависти за ограниченное время. В частности, для каждой константы ${\displaystyle \epsilon >0}$, он возвращает деление, в котором ценность каждого партнера равна как минимум наибольшему значению минус ${\displaystyle \epsilon }$, во время ${\displaystyle O(n^{2}/\epsilon )}$.
• Три разные процедуры, одна за другой Брамс и Тейлор (1995) и один Робертсон и Уэбб (1998) и один Пихурко (2000), производят разделение без зависти для п люди. Оба алгоритма требуют конечного, но неограниченного количества разрезов.
• Процедура Азиза и Маккензи (2016) находит разделение без зависти для п человек в ограниченном количестве запросов.

Отрицательный результат в общем случае намного слабее, чем в связном случае. Все, что мы знаем, это то, что каждый алгоритм деления без зависти должен использовать как минимум Ω (п²) запросы. Между этим результатом и сложностью выполнения наиболее известной процедуры существует большой разрыв.

Видеть резка торта без зависти для получения более подробной информации и полных ссылок.

Эффективное деление

Основная статья: Эффективная нарезка торта

Когда функции ценности аддитивны, существуют утилитарно-максимальные (UM) деления. Интуитивно, чтобы создать подразделение единой системы обмена сообщениями, мы должны отдать каждый кусок пирога человеку, который его больше всего ценит. в пример торта, подразделение UM отдало бы весь шоколад Алисе и всю ваниль Джорджу, получив утилитарное значение 9 + 4 = 13.

Этот процесс легко осуществить, когда функции ценности кусочно-постоянны, то есть торт можно разделить на части так, чтобы плотность стоимости каждого кусочка была постоянной для всех людей. Когда функции значения не являются кусочно-постоянными, существование подразделений UM основано на обобщении этой процедуры с использованием Производные Радона – Никодима функций стоимости; см. теорему 2 из.^[6]

Когда торт одномерный и части должны быть соединены, простой алгоритм присвоения каждой части агенту, который ценит ее больше всего, больше не работает. В этом случае проблема поиска подразделения UM заключается в NP-жесткий, и тем более нет FPTAS возможно, если P = NP. Есть 8-факторный алгоритм аппроксимации, а управляемый с фиксированными параметрами алгоритм, который экспоненциально зависит от количества игроков.^[9]

Аналогичным образом можно найти разделение WUM для каждого набора положительных весов. Следовательно, подразделения ЧП всегда существуют.

Процессуальная справедливость

Основная статья: симметричная резка торта

В последнее время проявляется интерес не только к справедливости окончательного распределения, но и к справедливости процедур распределения: не должно быть различий между разными ролями в процедуре. Были изучены несколько определений процессуальной справедливости:

• Анонимность требует, чтобы при перестановке агентов и повторном выполнении процедуры каждый агент получил точно такой же фрагмент, что и при первоначальном выполнении. Это сильное состояние; в настоящее время анонимная процедура известна только 2 агентам.
• Симметрия требует, чтобы при перестановке агентов и повторном выполнении процедуры каждый агент получил одинаковые ценить как в оригинальном исполнении. Это слабее анонимности; в настоящее время известна симметричная и пропорциональная процедура для любого количества агентов, и она требует O (п³) запросы. Симметричная и свободная от зависти процедура известна любому количеству агентов, но она занимает намного больше времени - требует п! выполнение существующей процедуры без зависти.
• Аристотелизм требует, чтобы, если два агента имеют одинаковую величину-меру, то они получают одинаковую ценность. Это слабее симметрии; его удовлетворяет любая процедура, не вызывающая зависти. Более того, аристотелевская и пропорциональная процедура известна для любого числа агентов, и она требует O (п³) запросы.

Видеть симметричная резка торта для получения подробной информации и ссылок.

Эффективное справедливое деление

За п у людей с аддитивными ценностными функциями подразделение PEEF существует всегда.^[10]

Если торт одномерный интервал и каждый человек должен получить связанный интервал, имеет место следующий общий результат: если функции ценности строго монотонны (т.е. каждый человек строго предпочитает кусок всем своим собственным подмножествам), то каждое подразделение EF также является PE.^[11] Следовательно, Протокол Симмонса в этом случае производит разделение PEEF.

Если торт одномерный круг (то есть интервал, две конечные точки которого топологически идентифицированы) и каждый человек должен получить соединенную дугу, тогда предыдущий результат не выполняется: разделение EF не обязательно является PE. Кроме того, существуют пары (неаддитивных) функций значений, для которых не существует разделения PEEF. Однако если есть 2 агента и хотя бы один из них имеет функцию аддитивной ценности, тогда существует разделение PEEF.^[12]

Если торт одномерный, но каждый человек может получить его несвязанное подмножество, то разделение EF не обязательно является PE. В этом случае требуются более сложные алгоритмы для поиска деления PEEF.

Если функции ценности являются аддитивными и кусочно-постоянными, то существует алгоритм, который находит деление PEEF.^[13] Если функции плотности значений аддитивны и Липшицева непрерывная, то они могут быть аппроксимированы как кусочно-постоянные функции «настолько близко, насколько мы хотим», поэтому этот алгоритм аппроксимирует деление PEEF «настолько близко, насколько мы хотим».^[13]

Подразделение EF не обязательно является единой системой обмена сообщениями.^[14][15] Один из подходов к решению этой проблемы - найти среди всех возможных подразделений EF подразделение EF с наивысшей утилитарной ценностью. Эта проблема была изучена для торта, который представляет собой одномерный интервал, каждый человек может получать отдельные кусочки, а функции стоимости являются аддитивными.^[16]

Деление нескольких тортов

Существует обобщение задачи по нарезке торта, в которой есть несколько торта, и каждый агент должен получить по кусочку в каждом пироге.

• Клотье, Найман и Су^[17] Изучите разделение на два торта без зависти. Для двух тортов они доказывают, что распределение EF может не существовать, когда есть 2 агента и каждый торт разрезан на 2 части. Однако распределение EF существует, когда есть 2 агента и один торт разрезан на 3 части (наименее востребованный кусок отбрасывается) или когда есть 3 агента и каждый торт разрезается на 2 части (один агент игнорируется; выделение EF для оставшихся двух).
• Лебер, Менье и Карбонно^[18] докажите для двух тортов, что распределение EF всегда существует, когда есть 3 агента и каждый торт разрезан на 5 частей (два наименее востребованных куска в каждом торте отбрасываются).
• Найман, Су и Зербиб^[19] доказать, для k торты, что распределение EF всегда существует, когда есть k(п-1) +1 агентов и каждый торт разрезан на п штук (выделение EF для некоторого набора п агентов).

Две связанные проблемы:

• Многослойная резка торта,^[20] где торты расположены «слоями», и кусочки одного и того же агента не должны перекрываться (например, каждый торт представляет время, в течение которого определенное предприятие доступно в течение дня; агент не может использовать два объекта одновременно).
• Честная нарезка торта,^[21] где агенты не хотят получать по кусочку на каждый торт, напротив, они хотят получить кусочки на как можно меньшем количестве тортов.

Смотрите также

• Справедливое распределение предметов - аналогичная проблема, когда элементы для разделения неделимы.

Рекомендации

1. Штайнхаус, Гюго (1949). «Проблема справедливого разделения». Econometrica. 17: 315–9. Дои:10.2307/1907319. JSTOR  1907319.
2. Ариэль Прокачча, «Алгоритмы нарезки торта». Глава 13 в: Брандт, Феликс; Конитцер, Винсент; Эндрисс, Улле; Ланг, Жером; Прокачча, Ариэль Д. (2016). Справочник по вычислительному социальному выбору. Издательство Кембриджского университета. ISBN  9781107060432. (бесплатная онлайн-версия )
3. Т.е. нет споров о правах людей - проблема только в том, как разделить торт так, чтобы каждый получил справедливую долю.
4. Hill, T. P .; Моррисон, К. Э. (2010). «Осторожно резать торты». Математический журнал колледжа. 41 (4): 281. CiteSeerX  10.1.1.185.656. Дои:10.4169 / 074683410x510272. S2CID  3813775.
5. Сегал-Халеви, Эрель; Ницан, Шмуэль; Хасидим, Авинатан; Ауманн, Йонатан (2017). «Справедливо и правильно: резка торта в двух измерениях» Журнал математической экономики. 70: 1–28. arXiv:1409.4511. Дои:10.1016 / j.jmateco.2017.01.007. S2CID  1278209.
6. Дубинс, Лестер Эли; Спаниер, Эдвин Генри (1961). «Как правильно разрезать торт». Американский математический ежемесячник. 68 (1): 1–17. Дои:10.2307/2311357. JSTOR  2311357.
7. "Калькулятор справедливого деления". Архивировано из оригинал 28.02.2010. Получено 2014-07-10.
8. Иварс Петерсон (13 марта 2000 г.). "Честная сделка для соседей по дому". MathTrek.
9. Ауманн, Йонатан; Домб, Яир; Хасидим, Авинатан (2013). Вычисление социально-эффективных подразделений тортов. AAMAS.
10. Веллер, Д. (1985). «Честное разделение измеримого пространства». Журнал математической экономики. 14: 5–17. Дои:10.1016/0304-4068(85)90023-0.
11. Берлиант, М .; Thomson, W .; Данц, К. (1992). «О справедливом разделении разнородного товара». Журнал математической экономики. 21 (3): 201. Дои:10.1016 / 0304-4068 (92) 90001-н.
12. Томсон, В. (2006). «Дети плачут на днях рождения. Почему?». Экономическая теория. 31 (3): 501–521. Дои:10.1007 / s00199-006-0109-3. S2CID  154089829.
13. Reijnierse, J. H .; Поттерс, Дж. А. М. (1998). «О поиске оптимального по Парето деления без зависти». Математическое программирование. 83 (1–3): 291–311. Дои:10.1007 / bf02680564. S2CID  10219505.
14. Карагианнис, I .; Kaklamanis, C .; Kanellopoulos, P .; Киропулу, М. (2011). «Эффективность справедливого деления». Теория вычислительных систем. 50 (4): 589. CiteSeerX  10.1.1.475.9976. Дои:10.1007 / s00224-011-9359-у. S2CID  8755258.
15. Aumann, Y .; Домбб Ю. (2010). «Эффективность справедливого деления на соединенные элементы». Интернет и сетевая экономика. Конспект лекций по информатике. 6484. стр.26. CiteSeerX  10.1.1.391.9546. Дои:10.1007/978-3-642-17572-5_3. ISBN  978-3-642-17571-8.
16. Колер, Юга Джулиан; Лай, Джон Кван; Паркс, Дэвид С; Прокачча, Ариэль (2011). Оптимальная резка торта без зависти. AAAI.
17. Клотье, Джон; Nyman, Kathryn L .; Су, Фрэнсис Эдвард (01.01.2010). «Дивизион с двумя тортами без зависти». Математические социальные науки. 59 (1): 26–37. arXiv:0909.0301. Дои:10.1016 / j.mathsocsci.2009.09.002. ISSN  0165-4896. S2CID  15381541.
18. Лебер, Николас; Менье, Фредерик; Карбонно, Квентин (01.11.2013). «Разделы на два торта без зависти и два торта для трех игроков». Письма об исследованиях операций. 41 (6): 607–610. Дои:10.1016 / j.orl.2013.07.010. ISSN  0167-6377.
19. Найман, Кэтрин; Су, Фрэнсис Эдвард; Зербиб, Шира (2020-09-15). «Честное деление на несколько частей». Дискретная прикладная математика. 283: 115–122. arXiv:1710.09477. Дои:10.1016 / j.dam.2019.12.018. ISSN  0166-218X. S2CID  119602376.
20. Хоссейни, Хади; Игараси, Аюми; Сирнс, Эндрю (28 апреля 2020 г.). «Честное разделение времени: разрезание многослойного торта». arXiv:2004.13397 [cs.GT ].
21. Сегал-Халеви, Эрель (18.06.2020). «Честная нарезка торта». arXiv:1812.08150 [math.CO ].

дальнейшее чтение

• Список книг о справедливом разделении
• Список научных работ о справедливом разделении