A torta tisztességes felvágása egyfajta igazságos felosztási probléma . A probléma egy heterogén erőforrásról van szó, például egy különféle díszítéssel ( tejszínből , bogyós gyümölcsökből, csokoládéból ) , amelyekről feltételezzük, hogy oszthatóak – vagyis tetszőlegesen kis darabot lehet belőle levágni anélkül, hogy a teljes értéket rombolná. Az erőforrást fel kell osztani több partner között, akik eltérően preferálják a torta különböző részeit. Például van, aki a csokoládé dekorációt részesíti előnyben, van, aki a cseresznyét, míg mások csak egy nagyobb darabot. A felosztásnak szubjektívnek kell lennievásár, minden résztvevőnek egy általa méltányosnak ítélt darabot kell kapnia.
A "torta" kifejezés csak metafora , a tortavágási eljárások felhasználhatók különféle erőforrások, például földtulajdon , reklámfelület vagy adásidő elkülönítésére.
A tortavágás problémáját Hugo Steinhaus javasolta a második világháború után [ 1] , és továbbra is intenzív kutatás tárgya maradt a matematikában , a számítástechnikában , a közgazdaságtanban és a politikatudományban [2] .
Van egy torta , amelyet általában egy véges egydimenziós szakasznak, egy kétdimenziós sokszögnek vagy egy magasabb dimenziós euklideszi tér véges részhalmazának tekintenek .
Van egy személy, aki egyenlő jogokkal rendelkezik [3] .
olyan diszjunkt részhalmazokra kell vágni, hogy minden résztvevő külön részhalmazt kapjon. A résztvevőnek szánt darab , és .
Minden résztvevőnek egy „tisztességes” értékű darabot kell kapnia. A méltányosság meghatározása szubjektív értékfüggvények alapján történik . Minden arcnak van egy szubjektív értékfüggvénye, amely a részhalmazokat számokra képezi le.
Feltételezzük, hogy a függvények hossza, területe vagy (általában) a Lebesgue mértéke abszolút folytonos [4] . Ez azt jelenti, hogy nincsenek "atomok", azaz olyan szinguláris pontok, amelyekhez egy vagy több ágens pozitív értéket rendel. Így a torta minden része osztható.
Ezenkívül bizonyos esetekben a kiértékelési függvények szigma-additívnak tekinthetők .
Illusztrációként a következő tortát használjuk:
Az igazságosság eredeti és legáltalánosabb kritériuma az arányosság (PR, angol arányosság , PR). A torta arányos felosztásánál minden résztvevő kap egy darabot, melynek értékét legalább a teljes torta összértékére becsüli. A fenti példában az arányos felosztást úgy kaphatjuk meg, hogy a teljes vanília adagot és a csokoládéadag 4/9-ét George-nak adjuk (összesen 6,66 ponttal), a csokoládéadag maradék 5/9-ét pedig Alice (5-ös összpontszámmal). Szimbolikusan:
.Az arányosság kritériuma általánosítható olyan helyzetekre, amikor az emberek jogai nem egyenlőek. Például egy torta különböző részesedésű arányos felosztásakor a torta a részvényeseket illeti meg, így egyikük 20%-a, másikuk 80%-a a tortából. Ez a súlyozott arányosság kritériumához vezet :
,ahol w i olyan súlyok, amelyek összege 1.
Egy másik jellemző kritérium az irigység hiánya (OZ, angol envy-freeness , EF). Irigy felosztással [5] minden ember kap egy darabot, amelynek értéke e személy szerint nem kisebb, mint a többi darab értéke. Hivatalos nyelv:
.Egyes esetekben az arányosság és az irigységtől való mentesség között implikációs (következmény) kapcsolat van, amelyet a következő táblázat tükröz:
Ügynökök | Értékelések | az OZ-tól követi a PR-t? | PR-ból OZ követi? |
---|---|---|---|
2 | adalékanyag | Igen | Igen |
2 | Tábornok | Nem | Igen |
3+ | adalékanyag | Igen | Nem |
3+ | Tábornok | Nem | Nem |
A harmadik, kevésbé használt kritérium a pártatlanság ( angolul equitability , EQ). Az elfogulatlan felosztásban minden ember pontosan azonos értékelési értékű darabot eszik meg. A torta példájában elfogulatlan vágás érhető el, ha minden résztvevőnek odaadjuk a csokoládé felét és a vaníliadarabok felét, így minden résztvevő 5-ös értéket élvez. Szimbolikusan:
.A negyedik kritérium a pontosság . Ha az egyes i partnerek részesedése egyenlő w i -vel , akkor pontos osztás az az osztás, amelyben:
.Ha minden súly egyenlő (1/ n ), akkor a vágást tökéletesnek nevezzük és
.Egyes esetekben a résztvevőknek szánt daraboknak a méltányosság mellett bizonyos geometriai megkötéseknek is meg kell felelniük.
A joggyakorlatban gyakran figyelembe veszik a particionálás költséghatékonyságát. Lásd a " Hatékony tortavágás " című cikket.
A véges vágások kívánatos tulajdonságai mellett az osztási folyamatnak is vannak kívánatos tulajdonságai. Az egyik ilyen tulajdonság az igazságosság (más néven ingerkompatibilitás ), amely kétszintű lehet.
Emberek esetében az OD-felosztás mindig létezik, és az oszd meg és válassz protokoll segítségével található meg . Ha az értékelési függvények additívak, akkor ez a vágás is PR lesz, különben az arányosság nem garantált.
Az összeadódó pontszámú n embernél mindig van arányos vágás. Leggyakrabban használt protokollok:
A részletekért és a teljes bibliográfiáért lásd a " Egy torta arányos felosztása különböző arányokkal
A fenti algoritmusok főként azokra az ágensekre koncentrálnak, akiknek az erőforrásigénye egyenlő arányban van. Azonban általánosíthatja őket, és megkaphatja a torta arányos felosztását különböző megosztásokkal .
Egy személy PO-megosztása akkor is létezik, ha az értékelések nem összeadódnak, mindaddig, amíg azokat konzisztens preferenciakészletek képviselik. Külön tanulmányoztam az OD felosztást arra az esetre, amikor a darabokat össze kell kötni, illetve arra az esetre, amikor a darabok külön szétkapcsolt részekből állhatnak.
Összekötött daraboknál a fő eredmények a következők:
Mindkét algoritmus végtelen: az első folyamatos, míg a második végtelen időbe telhet, amíg konvergál. Valójában egyetlen véges protokoll sem találja meg az irigységmentes vágásokat 3 vagy több ember összekapcsolt intervallumaira.
Az (esetleg) leválasztott darabok esetében a fő eredmények a következők:
A negatív eredmény általános esetben sokkal gyengébb, mint az összekapcsoltság esetében. Csak annyit tudunk, hogy minden irigységmentes szeletelő algoritmusnak legalább lekérdezéseket kell használnia. Ez az eredmény és az ismert eljárások számítási bonyolultsága között nagy a szakadék.
A részletekért és a teljes bibliográfiáért lásd az irigységmentes tortavágást [ 5 ] .
Ha a kiértékelő függvények additívak, akkor van egy segédprogram ( Utilitarian-maximal , UM) . Intuitív módon egy RP vágás létrehozásához minden résztvevőnek adnunk kell egy szelet tortát, amelynek értéke a számára maximális. Az RP torta példájában a vágás az összes csokoládét Alice-nek, a vaníliát pedig George-nak adja, ami hasznosságot eredményez .
Ez a folyamat könnyen megvalósítható, ha az értékelési függvények darabonként állandóak, vagyis a torta darabokra osztható úgy, hogy az egyes darabokon az ársűrűség minden résztvevő számára állandó legyen. Ha a becslőfüggvények nem darabonként állandók, az RP-vágások létezése ennek az eljárásnak a becslési függvényekre vonatkozó általánosításán alapul, a Radon-Nikodim tétel segítségével, lásd Dubins és Spanier [9] 2. tételét .
Ha a torta egydimenziós, és a darabokat össze kell kötni (azaz folytonos szegmenseket), akkor az egyszerű algoritmus, amellyel a darabot a legjelentősebb szerhez rendeli, nem működik. Ebben az esetben a vágás RP-jének megtalálása NP-nehéz, ráadásul FPTAS séma nem lehetséges, hacsak nem P = NP. Létezik egy 8-szoros közelítő algoritmus és egy paraméterezett komplexitási algoritmus , amely exponenciális a játékosok számában [12] .
Bármely pozitív súlykészlethez hasonló módszerekkel megtalálhatja a súlyozott RP partíciót. Ezért Pareto hatékony ( PE) partíciók mindig léteznek .
Az utóbbi időben nemcsak a végső felosztás tisztességessége iránt volt érdeklődés, hanem a felosztási eljárás tisztessége iránt is - az eljárásban nem szabad különbséget tenni a különböző szerepek között. Néhány eljárási méltányosságot tanulmányoztak:
Részletekért és linkekért lásd a " Szimmetrikus tisztességes tortavágás " című cikket .
Az additív értékű függvényekkel rendelkező n embernél mindig létezik EPOS felosztás [13] .
Ha a torta egydimenziós intervallum , és minden résztvevőnek összefüggő intervallumot kell kapnia, akkor a következő általános eredmény érvényesül: ha az értékelési függvények szigorúan monotonok (minden résztvevő egy darabot preferál, nem pedig a saját részhalmazait), akkor bármely OZ részleg egyben EP is lesz [14] . Ezért a Simons-protokoll ebben az esetben EPOS felosztást ad.
Ha a torta egydimenziós kör (például egy intervallum, amelyben két végpont topológiailag azonosítva van), és minden lapnak össze kell kapcsolnia az ívet, akkor az előző eredmény nem helyes - az OD felosztás nem feltétlenül EP lesz. Ezenkívül vannak olyan (nem additív) becslő függvénypárok, amelyekhez nincs EPOS megosztás. Ha azonban 2 ágens van, és legalább az egyiknek additív kiértékelő funkciója van, akkor létezik az EPOS felosztás [15] .
Ha a torta egydimenziós, de bárki kaphat belőle egy nem folytonos részhalmazt, akkor az OD felosztás nem feltétlenül EP lesz. Ebben az esetben bonyolultabb algoritmusokra van szükség az osztás EPOS-jának megtalálásához.
Ha a kiértékelő függvények additívak és darabonként állandóak, akkor létezik egy algoritmus, amely megtalálja az EPOS felosztást [16] . Ha a becslő sűrűségfüggvényei additív és Lipschitz-folytonosak , akkor darabonkénti konstans függvényekkel közelíthetők „olyan közel, amennyire csak akarjuk”, tehát ez az algoritmus az EPOS felosztást „olyan közel, amennyire csak akarjuk” közelíti [16] .
Az OD felosztás nem feltétlenül az RP [17] [18] . Ennek a nehézségnek az egyik megoldása az, hogy megkeressük a maximális hasznosságértékű felosztást az összes lehetséges OC között. Ezt a problémát egy tortára vizsgáltuk, ami egy egydimenziós intervallum, amelyből mindenki kaphat nem folytonos részeket, és az értékelési függvények additívak [19] .
A fent vázolt létező méltányos megosztási eljárások többsége additív hasznosságot feltételez a játékosok számára. Más szóval, ha egy játékos 25 g csokitortából némi haszonra tesz szert, akkor azt feltételezzük, hogy pontosan dupláját kapja 50 g ugyanabból a csokitortából.
2013-ban Rishi S. Mirchandani kimutatta, hogy a legtöbb létező tisztességes osztási algoritmus nem kompatibilis a nem additív hasznossági függvényekkel [20] . Azt is bebizonyította, hogy a méltányos felosztás probléma speciális esete, amelyben a játékosok nem additív hasznossági függvényekkel rendelkeznek, nem lehetnek arányos megoldások.
Mirchandani azt javasolta, hogy a tisztességes osztás problémáját meg lehetne oldani nemlineáris optimalizálási technikákkal. A kérdés azonban továbbra is fennáll, hogy vannak-e jobb algoritmusok a nem additív hasznossági függvények bizonyos részhalmazaihoz.