| Περίληψη: | Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής μελετώνται υπολογιστικά ζητήματα που προκύπτουν από τη θεωρία της κοινωνικής επιλογής. Ένα από τα κύρια θέματα της θεωρίας αυτής είναι οι εκλογές. Τα προβλήματα που σχετίζονται με τις εκλογές ανήκουν στη θεωρία ψηφοφοριών όπου βασικό πρόβλημα είναι η εύρεση του νικητή των εκλογών όταν έχουμε ως δεδομένες τις προτιμήσεις των ψηφοφόρων. Στη βιβλιογραφία υπάρχουν αρκετοί κανόνες ψηφοφορίας βάσει των οποίων γίνεται ο υπολογισμός της κατάταξης μιας ψηφοφορίας και της ανάδειξης του νικητή. Η θεωρία των ψηφοφοριών αποτελεί ένα σημαντικό κλάδο της θεωρίας της κοινωνικής επιλογής με άμεσες εφαρμογές στην κοινωνία, καθώς οι κανόνες αυτοί εφαρμόζονται στην πράξη σε βουλευτικές, δημοτικές ή τοπικές εκλογές, καθώς επίσης και σε αρκετές επιτροπές σχετικές με την λήψη συλλογικών αποφάσεων. Στη συγκεκριμένη διατριβή μελετούμε πρώτα τους κανόνες ψηφοφορίας που πρότειναν ο Dodgson και ο Young, οι οποίοι είναι σχεδιασμένοι έτσι ώστε να εντοπίζουν τον υποψήφιο που είναι διαισθητικά πιο κοντά στο να είναι ο νικητής σύμφωνα με το κριτήριο του Condorcet. Σύμφωνα με το κριτήριο αυτό, νικητής θα πρέπει να είναι ο υποψήφιος που έχει την προτίμηση της πλειοψηφίας έναντι των άλλων υποψήφιων. Ωστόσο κάτι τέτοιο δεν μπορεί να υπολογιστεί πάντα, καθώς οι προτιμήσεις της πλειοψηφίας μπορεί να είναι κυκλικές. Για παράδειγμα σε μια εκλογή με 3 υποψηφίους, ο υποψήφιος a να προτιμάται σε σχέση με τον b, ο b να προτιμάται σε σχέση με τον c, αλλά ο c να προτιμάται σε σχέση με τον a. Στην περίπτωση αυτή δεν μπορεί να καθοριστεί ο νικητής των εκλογών σύμφωνα με το κριτήριο του Condorcet. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούμε τους κανόνες ψηφοφορίας που προτάθηκαν από τους Dodgson και Young, οι οποίοι παρέχουν μια διαφορετική έννοια εγγύτητας ενός υποψήφιου στο να αναδειχθεί νικητής κατά Condorcet. Οι συγκεκριμένοι κανόνες αποτελούν ένα σημαντικό κομμάτι της βιβλιογραφίας της θεωρίας της Κοινωνικής Επιλογής διότι διαισθητικά παρουσιάζουν υψηλή εγγύτητα με τον κανόνα του Condorcet. Πιο συγκεκριμένα και σύμφωνα με τον κανόνα του Dodgson ισχύουν τα εξής: δεδομένου ενός συνόλου προτιμήσεων των ψηφοφόρων, ο βαθμός ενός υποψηφίου ορίζεται ως ο ελάχιστος αριθμός των ανταλλαγών που πρέπει να γίνουν μεταξύ γειτονικών υποψηφίων στην κατάταξη των ψηφοφόρων έτσι ώστε ο συγκεκριμένος υποψήφιος να αναδειχθεί νικητής κατά Condorcet. Ο υποψήφιος που έχει τον ελάχιστο βαθμό Dodgson είναι νικητής κατά Dodgson. Αντίστοιχα, σύμφωνα με τον κανόνα του Young ο βαθμός ενός υποψηφίου είναι το μέγεθος του μεγαλύτερου υποσυνόλου ψηφοφόρων έτσι ώστε, αν ληφθούν υπόψη μόνο αυτά τα ψηφοδέλτια, ο συγκεκριμένος υποψήφιος να γίνεται νικητής κατά Condorcet. Ο υποψήφιος με το μέγιστο βαθμό Young είναι νικητής κατά Young.
Δυστυχώς, ο υπολογισμός του βαθμού ενός δεδομένου υποψηφίου είναι δύσκολος είτε με τον κανόνα του Dodgson είτε με τον κανόνα του Young. Για αυτό το λόγο τα υπολογιστικά ζητήματα που προκύπτουν και μελετώνται στην παρούσα διατριβή αφορούν στην προσέγγιση των δυο αυτών κανόνων ψηφοφορίας. Πιο συγκεκριμένα παρουσιάζονται δύο αλγόριθμοι που προσεγγίζουν το βαθμό ενός υποψηφίου σύμφωνα με τον κανόνα του Dodgson: ένας άπληστος αλγόριθμος και ένας αλγόριθμος βασισμένος σε γραμμικό πρόγραμμα. Οι δυο αυτοί αλγόριθμοι έχουν λόγο προσέγγισης H_{m-1}, όπου m είναι ο αριθμός των υποψηφίων και H_{m-1} είναι ο (m-1)-ος αρμονικός αριθμός. Επίσης, αποδεικνύεται ότι δεν υπάρχει αλγόριθμος πολυωνυμικού χρόνου που να προσεγγίζει το βαθμό Dodgson κατά λογαριθμικό παράγοντα, εκτός εάν υπάρχουν για τα προβλήματα της κλάσης NP αλγόριθμοι ψευδο-πολυωνυμικού χρόνου. Παρότι διαισθητικά υπερέχει ο άπληστος αλγόριθμος, στη συγκεκριμένη διατριβή υποστηρίζουμε ότι ο αλγόριθμος που είναι βασισμένος σε γραμμικό πρόγραμμα έχει πλεονέκτημα από την οπτική της θεωρίας της κοινωνικής επιλογής. Επιπλέον, αποδεικνύεται ότι ο υπολογισμός κάθε λογικής προσέγγισης της κατάταξης που παράγεται από τον κανόνα Dodgson είναι ένα υπολογιστικά δύσκολο πρόβλημα, γεγονός που εξηγεί, από την πλευρά της θεωρίας της πολυπλοκότητας, το ότι έχουν παρατηρηθεί μεγάλες διαφορές κατά τη σύγκριση εκλογών Dodgson με απλούστερους κανόνες ψηφοφορίας που εμπεριέχονται στη βιβλιογραφία της θεωρίας της κοινωνικής επιλογής. Τέλος, αποδεικνύεται ότι το πρόβλημα υπολογισμού του βαθμού ενός υποψηφίου σύμφωνα με τον κανόνα του Young είναι επίσης υπολογιστικά δύσκολο. Αυτό οδηγεί σε ένα αποτέλεσμα μη προσεγγισιμότητας για την κατάταξη υποψηφίων σε μια εκλογή σύμφωνα με τον κανόνα του Young.
Αν και ο κανόνας του Dodgson είναι ένας από τους πιο καλά μελετημένους κανόνες ψηφοφορίας, παρουσιάζει σοβαρές ελλείψεις, τόσο από υπολογιστικής άποψης --- είναι υπολογιστικά δύσκολο ακόμη και να προσεγγιστεί ο βαθμός Dodgson ενός υποψηφίου --- όσο και από την πλευρά της κοινωνικής επιλογής, καθώς αποτυγχάνει σε βασικές επιθυμητές ιδιότητές της, όπως είναι η μονοτονία και η ομοιογένεια. Ωστόσο, αυτό δεν αποκλείει την ύπαρξη προσεγγιστικών αλγορίθμων για τον κανόνα του Dodgson που είναι μονότονοι ή ομοιογενείς, οπότε τίθεται το ερώτημα ύπαρξης τέτοιων αλγόριθμων. Στη διατριβή αυτή δίνονται οριστικές απαντήσεις στα ερωτήματα αυτά. Παρουσιάζεται ένας μονότονος αλγόριθμος εκθετικού χρόνου που πετυχαίνει λόγο προσέγγισης του βαθμού Dodgson ίσο με 2 και το αποτέλεσμα συμπληρώνεται με ένα αυστηρό αντίστοιχο κάτω φράγμα. Παρουσιάζεται επίσης ένας μονότονος προσεγγιστικός αλγόριθμος πολυωνυμικού χρόνου με λόγο O(logm) (όπου m είναι ο αριθμός των υποψηφίων): και στην περίπτωση αυτή το αποτέλεσμα είναι βέλτιστο, λόγω ύπαρξης αντίστοιχου κάτω φράγματος. Επιπλέον, αποδεικνύεται ότι μια μικρή παραλλαγή σε ένα γνωστό κανόνα ψηφοφορίας δίνει ένα μονότονο, ομοιογενή, O(m logm)-προσεγγιστικό αλγόριθμο πολυωνυμικού χρόνου, με τον καλύτερο δυνατό λόγο προσέγγισης, ακόμη και αν αυτό που μας ενδιαφέρει είναι μόνο η ομοιογένεια. Τέλος, μελετώνται διάφορες πρόσθετες ιδιότητες κοινωνικής επιλογής, για τις οποίες δεν υπάρχει αλγόριθμος με λόγο προσέγγισης που να εξαρτάται μόνο από το m . Αυτά τα αποτελέσματα της προσεγγισιμότητας του κανόνα αυτού αποτελούν σημαντική προσφορά της διατριβής καθώς μπορούν να θεωρηθούν ως κανόνες που υπολογίζονται σε πολυωνυμικό χρόνο και πληρούν μάλιστα επιθυμητές κοινωνικές ιδιότητες, ενώ ταυτόχρονα διέπονται και από την φιλοσοφία του κανόνα που θέσπισε ο Dodgson.
Ένα άλλο σημαντικό υπολογιστικό πρόβλημα με το οποίο ασχολείται η παρούσα διατριβή είναι αυτό της δωροδοκίας των εκλογών. Στο πρόβλημα της δωροδοκίας μπορεί κάποιος με δεδομένο ένα χρηματικό προϋπολογισμό να αλλάξει τις προτιμήσεις των ψηφοφόρων ώστε να αναδειχθεί νικητής των εκλογών ο υποψήφιος της αρεσκείας του. Στη συγκεκριμένη διατριβή μελετώνται κανόνες ψηφοφορίας που βασίζονται στη βαθμολόγηση των υποψηφίων. Πιο συγκεκριμένα μελετάται η τάξη των κανόνων ψηφοφορίας όπου κάθε ψηφοφόρος εκχωρεί κ βαθμούς στον υποψήφιο που προτιμά ως πρώτο, λ βαθμούς στον υποψήφιο που προτιμά ως δεύτερο και 0 βαθμούς σε όλους τους υπόλοιπους υποψηφίους. Αποδεικνύεται ότι για αυτήν την τάξη των κανόνων βαθμολόγησης η δωροδοκία είναι ένα υπολογιστικά δύσκολο πρόβλημα. Στους κανόνες που βασίζονται στην βαθμολόγηση των υποψηφίων περιλαμβάνονται αυτοί της πλειοψηφίας και της 2-έγκρισης όπου μια βέλτιστη στρατηγική δωροδοκίας μπορεί εύκολα να υπολογιστεί, καθώς επίσης και ο κανόνας της 3-έγκρισης όπου η δωροδοκία είναι ένα υπολογιστικά δύσκολο πρόβλημα. Λαμβάνοντας υπόψιν την πολυπλοκότητα αυτών των κανόνων εξάγεται το συμπέρασμα ότι οι κανόνες που μελετήθηκαν είναι εκ των πιο απλών που δεν είναι ευάλωτοι στη δωροδοκία.
|
|---|
