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El problema de la división de tierras de Hill-Beck

La siguiente variante del problema del corte justo de la torta fue introducida por Ted Hill en 1983. [1]

Existe un territorio D adyacente a n países. Cada país valora los diferentes subconjuntos de D de manera diferente. Los países desearían dividir D de manera justa entre ellos, donde "justo" significa una división proporcional . Además, la porción asignada a cada país debe estar conectada y adyacente a ese país . Esta restricción geográfica distingue este problema del clásico reparto justo de la porción .

Formalmente, cada país C i debe recibir una pieza disjunta de D , marcada D i , de modo que una porción de la frontera entre C i y D esté contenida en el interior de C i ∪ D i .

Imposibilidad y posibilidad

Hay casos en los que no se puede solucionar el problema:

  1. Si existe un único punto al que dos países asignan todo su valor (por ejemplo, un lugar sagrado), entonces, obviamente, el territorio no puede dividirse proporcionalmente. Para evitar tales situaciones, suponemos que todos los países asignan un valor de 0 a todos los puntos singulares.
  2. Si D es un cuadrado, hay 4 países adyacentes a los 4 lados del cuadrado y cada país asigna todo su valor a la frontera del lado opuesto, entonces cada asignación que conecte, digamos, el país del norte con su frontera sur deseada hará imposible conectar el país del este con su frontera occidental deseada (siempre que estemos en un plano bidimensional). Para evitar tales situaciones, suponemos que todos los países asignan un valor de 0 al límite de D.

En 1983, Hill demostró que, si cada punto de D tiene un valor de 0 para todos los países y el límite de D tiene un valor de 0 para todos los países, entonces existe una división proporcional con la restricción de adyacencia. Su prueba fue solo existencial: no se describió ningún algoritmo. [1]

Algoritmo

Cuatro años después, Anatole Beck describió un protocolo para lograr dicha división. [2] En esencia, el protocolo es una elaboración del protocolo del último reductor . Permite a los países ofertar por partes de D , le da la oferta más pequeña a su ofertante y divide el resto entre los n  − 1 países restantes. Se necesitan algunas variaciones para garantizar que se cumpla la restricción de adyacencia.

Territorio simplemente conectado

Cuando D está simplemente conexo , se utiliza el siguiente algoritmo.

1. Encuentre una función de Riemann h que asigne D al disco unitario , de modo que para todos los países, el valor de cada círculo centrado en el origen sea 0 y el valor de cada radio desde el origen sea 0 (la existencia de dicha h se prueba mediante un argumento de conteo).

2. Pedir a cada país que dibuje, en el mapa de la unidad h ( D ), un disco centrado en el origen con un valor de 1/ n . Esto es posible gracias a la condición de que el valor de todos los círculos centrados en el origen sea 0.

3. Encuentra el disco D 1 con el radio más pequeño, r 1 .

Hay dos casos.

Ganador único

4. Si D 1 fue extraído por un solo país, digamos C i , entonces entreguemos este disco a C i . Su valor para los demás países es estrictamente menor que 1/ n , por lo que podemos darle a C i una pequeña pieza adicional que lo conecte con su disco asignado.

Para ello, se traza un sector que conecta D 1 con la imagen del límite entre C i y D . Que cada país (excepto C i ) recorte este sector de forma que todos los países valoren la unión del disco y el sector como máximo 1/ n . Esto es posible gracias a la condición de que el valor de todos los radios a partir del origen sea 0. Se asigna a C i la unión de D 1 y el sector recortado.

El resto está simplemente conexo y tiene un valor de al menos ( n  − 1)/ n para los n  − 1 países restantes, por lo que la división puede proceder recursivamente en el paso 1.

Muchos ganadores

Si D 1 fue dibujado por k > 1 países, entonces se requieren subastas más sofisticadas para encontrar un país al cual podamos darle un disco y un sector de conexión.

5. Elija un país ganador arbitrario y llámelo el declarante , C 1 . Deje que agregue un sector que conecte D 1 con su territorio actual y deje que los otros países recorten ese sector de manera que:

6. Supongamos que cada uno de los países ganadores ofrece un nuevo radio r (menor que su primera oferta), de modo que el valor del sector recortado más el disco de radio r sea exactamente 1/ n . Seleccione el disco más pequeño de esos, D 2 . Nuevamente, hay dos casos:

Si C 1 es uno de los países que ofertan D 2 , entonces simplemente le damos D 2 (que es ligeramente más pequeño que el D 1 original ) y el sector de conexión. C 1 acordó que el valor es 1/ n y los otros países acordaron que es como máximo 1/ n , por lo que podemos proceder recursivamente en el paso 1.

De lo contrario, C 1 acepta que el valor total de D 2 más el sector de conexión es menor que 1/ n . Todos los no ganadores también deben aceptar esto, ya que D 2 es menor que D 1 . Por lo tanto, C 1 y todos los demás países que aceptan esto son eliminados del conjunto de ganadores.

7. De entre los ganadores restantes, elija un nuevo declarante C 2 . Deje que agregue otro sector que conecte D 2 con su territorio actual y deje que los demás países recorten ese sector como en el paso 5.

Nótese que ahora D 2 está conectado a dos territorios diferentes – C 1 y C 2 . Esto es un problema porque hace que el territorio restante esté desconectado. Para resolver esto, se le permite a C 2 tomar otro sector, esta vez de longitud menor a 1 para que no dañe la conectividad. [2] Ese tercer sector es nuevamente recortado por todos los países como en el paso 5. A cambio, se le exige a C 2 que renuncie a una parte del sector que conecta D 2 con C 1 , cuyo valor es igual al valor del tercer sector que recibió.

La asignación de candidatos de C 2 ahora contiene las siguientes partes: D 2 , un único sector de longitud 1 que conecta D 2 con C 2 y dos sectores cortos que no llegan al borde de D . El valor de esta construcción para C 2 es 1/ n , su valor para los no ganadores es menor que 1/ n y su valor para los ganadores restantes es como máximo 1/ n .

Este proceso continúa con los ganadores restantes, hasta que solo quede un único ganador.

Territorio finitamente conectado

Si el territorio D está k -conectado con un k finito , entonces la división puede proceder por inducción en k .

Cuando k  = 1, D es simplemente conexo y se puede dividir por el protocolo de la sección anterior.

En caso contrario ( k  > 1), marque el límite exterior de D por B 1 y sus límites internos por B 2 , ..., B k .

Encuentre una línea L que conecte el límite exterior B 1 con el límite interior B k , de modo que todos los países valoren L como 0. Esto es posible mediante el siguiente argumento de conteo. Existe una infinidad incontable de líneas disjuntas por pares que conectan B 1 y B k y están contenidas en D . Pero la medida de D es finita, por lo que el número de líneas con una medida positiva debe ser finito.

El conjunto D  \  L es ( k  − 1)-conexo. Se divide recursivamente y luego se asigna L arbitrariamente a cualquier país adyacente a él. Esto no afecta la equidad de la asignación, ya que el valor de L es 0 para todos los países.

Véase también

Referencias

  1. ^ ab Hill, TP (1983). "Determinación de una frontera justa". The American Mathematical Monthly . 90 (7): 438–442. doi :10.2307/2975720. JSTOR  2975720.
  2. ^ ab Beck, A. (1987). "Construyendo una frontera justa". The American Mathematical Monthly . 94 (2): 157–162. doi :10.2307/2322417. JSTOR  2322417.