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2022-04-19
摘要翻译:
在社会选择、博弈论、政治学和公共选择等许多学科中,理解选举被打成平手的可能性是一个经典的话题。尽管有大量的文献和普遍认为联系是罕见的,但除了I.I.D.下几个简单的位置评分规则之外,人们对大型选举中联系有多罕见知之甚少。对选票的均匀分配,被称为社会选择中的公正文化(IC)。特别是,在Marchant于2001年明确提出在IC下建立k-way联系的可能性作为一个悬而未决的问题后,进展甚微。在一个比I.I.D.更普遍和更现实的模型下,我们给出了一个关于广泛的普遍研究的投票规则的开放问题的渐近回答。模型(特别是IC)--夏的平滑社会选择框架,受斯皮尔曼和滕的平滑复杂性分析的启发。在位置计分规则、基于边序的规则和基于多轮计分的淘汰规则下,我们证明了关于平分的光滑似然性的二分定理,这些规则包括常见的投票规则,如复数规则、Borda规则、veto规则、maximin规则、Copeland规则、排序对规则、Schulze规则、STV规则和Coombs规则作为特例。我们还在Preflib上对合成数据和真实世界秩数据进行了实验,对理论结果进行了补充。我们的主要技术工具是关于泊松多项式变量在多面体中的光滑似然性的改进的二分刻划,这是通过探索多面体的V-表示和矩阵表示之间的相互作用而证明的,可能是独立的兴趣。
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英文标题:
《How Likely Are Large Elections Tied?》
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作者:
Lirong Xia
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最新提交年份:
2021
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分类信息:

一级分类:Computer Science        计算机科学
二级分类:Computer Science and Game Theory        计算机科学与博弈论
分类描述:Covers all theoretical and applied aspects at the intersection of computer science and game theory, including work in mechanism design, learning in games (which may overlap with Learning), foundations of agent modeling in games (which may overlap with Multiagent systems), coordination, specification and formal methods for non-cooperative computational environments. The area also deals with applications of game theory to areas such as electronic commerce.
涵盖计算机科学和博弈论交叉的所有理论和应用方面,包括机制设计的工作,游戏中的学习(可能与学习重叠),游戏中的agent建模的基础(可能与多agent系统重叠),非合作计算环境的协调、规范和形式化方法。该领域还涉及博弈论在电子商务等领域的应用。
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一级分类:Economics        经济学
二级分类:Theoretical Economics        理论经济学
分类描述:Includes theoretical contributions to Contract Theory, Decision Theory, Game Theory, General Equilibrium, Growth, Learning and Evolution, Macroeconomics, Market and Mechanism Design, and Social Choice.
包括对契约理论、决策理论、博弈论、一般均衡、增长、学习与进化、宏观经济学、市场与机制设计、社会选择的理论贡献。
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一级分类:Mathematics        数学
二级分类:Statistics Theory        统计理论
分类描述:Applied, computational and theoretical statistics: e.g. statistical inference, regression, time series, multivariate analysis, data analysis, Markov chain Monte Carlo, design of experiments, case studies
应用统计、计算统计和理论统计:例如统计推断、回归、时间序列、多元分析、数据分析、马尔可夫链蒙特卡罗、实验设计、案例研究
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一级分类:Statistics        统计学
二级分类:Statistics Theory        统计理论
分类描述:stat.TH is an alias for math.ST. Asymptotics, Bayesian Inference, Decision Theory, Estimation, Foundations, Inference, Testing.
Stat.Th是Math.St的别名。渐近,贝叶斯推论,决策理论,估计,基础,推论,检验。
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英文摘要:
  Understanding the likelihood for an election to be tied is a classical topic in many disciplines including social choice, game theory, political science, and public choice. Despite a large body of literature and the common belief that ties are rare, little is known about how rare ties are in large elections except for a few simple positional scoring rules under the i.i.d. uniform distribution over the votes, known as the Impartial Culture (IC) in social choice. In particular, little progress was made after Marchant explicitly posed the likelihood of k-way ties under IC as an open question in 2001.   We give an asymptotic answer to the open question for a wide range of commonly studied voting rules under a model that is much more general and realistic than i.i.d. models (especially IC) -- the smoothed social choice framework by Xia that was inspired by the celebrated smoothed complexity analysis by Spielman and Teng. We prove dichotomy theorems on the smoothed likelihood of ties under positional scoring rules, edge-order-based rules, and some multi-round score-based elimination rules, which include commonly studied voting rules such as plurality, Borda, veto, maximin, Copeland, ranked pairs, Schulze, STV, and Coombs as special cases. We also complement the theoretical results by experiments on synthetic data and real-world rank data on Preflib. Our main technical tool is an improved dichotomous characterization on the smoothed likelihood for a Poisson multinomial variable to be in a polyhedron, which is proved by exploring the interplay between the V-representation and the matrix representation of polyhedra and might be of independent interest.
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2022-4-19 18:58:05
大型选举打成平手的可能性有多大?夏立荣,伦斯勒理工学院,特洛伊,纽约12180,美国,XialiRong@gmail.comabstract,理解选举打成平手的可能性是包括社会选择、博弈论、政治学和公共选择在内的许多学科的经典话题。这个问题不仅作为概率论和统计学中的一个基本问题而重要,而且因为它在许多其他重要问题中扮演着关键的角色,如投票的优柔寡断、策略投票、投票的隐私、投票权、选民投票率等。尽管有大量的文献和人们普遍认为联系是罕见的,但除了I.I.D.下的几个简单的位置评分规则之外,人们对联系在大型选举中有多罕见知之甚少。在社会选择中被称为公正文化(IC)。特别是Marchant在2001年明确提出了IC下K-路联系的似然性作为一个开放问题[38]之后,我们对这个开放问题给出了一个更普遍和更现实的模型,称为平滑的社会选择框架[66],该模型受著名的平滑复杂性分析Spielmanand Teng[59]的启发,为广泛的普遍研究的投票规则提供了一个渐近的答案。在位置计分规则、基于边序的规则和基于多轮计分的淘汰规则下,我们证明了关于平分的光滑似然性的二分定理,这些规则包括常见的投票规则,如复数规则、Borda规则、veto规则、maximin规则、Copeland规则、排序对规则、Schulze规则、STV规则和Coombs规则作为特例。本文还通过对合成数据和真实秩数据的实验,对文献[41]中的理论结果进行了补充。我们的维护工具是通过探索多面体的V-表示和矩阵表示之间的相互作用,改进了泊松多项式变量在多面体中的平滑似然性的刻画,并且可能具有独立的利益。1引言假设两个备选方案(候选人)a和b之间的总统选举即将举行,并且有n个代理人(选民)。每个智能体独立投票给概率为0.5的备选方案,投票数多的备选方案获胜。选举以平局告终的可能性有多大?如果有两个以上的备选方案,代理对备选方案进行排名,并使用基于排名的投票规则来选择获胜者,该怎么办?如果分布不是独立的和同分布的(I.I.D.)在社会选择、博弈论、政治学和公共选择等多个学科中,理解两党选举的可能性是一个重要而经典的话题,不仅因为它是概率论和统计学中的一个基本问题,而且因为它在许多重要问题中发挥着关键作用。例如,在投票的犹豫不决[27]、战略投票[26,56]、投票的隐私[35]等情况下,联系是不可取的。另一方面,在投票权[3]、选民投票率[19,55]等情况下,联系是可取的。虽然两个选择的联系的可能性是众所周知的[3,5],但除了几个简单的规则之外,我们并不知道有三个或更多选择的选举的数学分析是不可靠的。以往的研究主要集中在三个维度上:(1)选举中使用的投票规则;(2)选举结果的不确定性,用平局的票数来衡量;(3)产生选票的统计模型。更多讨论见1.1节。尽管有这些问题,下面的问题基本上仍然悬而未决。在现实模型下,大型选举有多大可能打成平手?具体来说,Marchant[38]提出了在I.I.D.下,超越某些位置计分规则的打成平手的可能性。均匀分配被称为社会选择中的公平文化,在2001年成为一个开放的问题,但此后我们并没有看到任何进展。
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2022-4-19 18:58:11
在社会选择理论中,IC一直是超普适选择,但它也被广泛批评为不切实际[34]。事实上,在IC下,这个问题已经具有很大的挑战性,如下面的例子1所示。考虑在Borda规则下,对于3个备选方案和n个代理,三向联系的概率。Bordais是一种位置评分规则,它根据每个备选方案的等级对其进行评分。在Borda下,eachagent使用替代方案的线性顺序来表示他/她的偏好,排名第i的替代方案获得M-I分。获胜者是总点数最大的备选方案。例1。设A={1,2,3}表示备选方案集。对于A上的每一个线性阶R,letxr表示一个随机变量,该变量表示投票数为R的代理的数目,当它们的投票数是均匀随机产生的(即IC)。例如,X表示1-2-3的倍数。然后,给出了Borda W.R.T.下3向联系的概率。IC可以用下列线性方程组成立的概率来表示,其中(1)备选方案1和2是并列的状态,(2)备选方案2和3是并列的状态,(3)备选方案1和3是并列的状态。2X+2X+X+X=2X+2X+X+X=2X+2X+X+X(2)2X+2X+X+X=2X+2X+X+X=2X+2X+X+X=2X+2X+X+X(3)精确界定并列似然的方法来自两种统计相关性。fiefrst类型由x的各分量之间的相关性组成。也就是说,对于任何线性阶R和W的配对,XRand XWare都是统计相关的。第二类包括方程之间的相互关系,以及更一般的不等式,正如我们将在本文研究的一般问题中看到的那样。例如,虽然在例1中(1)和(2)意味着(3),这很简单,但不清楚(1)和(2)之间存在多大的相关性。现有的渐近工具,如多元中心极限定理和Berry-Esseen型定理[6,61,16,17,54](又称Lyapunov型界)都含有O(n-0.5)或更高的误差界,这些误差界太粗,与本文将要证明的下界不匹配。由于不平等、其他投票规则、其他替代方案的数量、其他K和非I.I.D,这个问题变得更加具有挑战性。投票上的分配。模型。我们在平滑的社会选择框架[66]下讨论了联系的可能性,该框架受著名的平滑复杂性分析[59]的启发。我们认为,该框架比广泛研究的I.I.D.更加普遍和现实。模型,特别是IC。在该框架中,智能体的“地面真相”偏好可以被任意关联并被对手选择,然后添加独立噪声形成其投票。从数学上讲,对手为每个主体j选择一个分布πj,这个分布πj是在所有线性阶上分布的集合π,在这个集合π下研究各种感兴趣事件的概率,例如Condorcet悖论和公理的满足[66]。我们的贡献。本文采用文献[66]中的统计模型,构造并研究了联系的平滑似然。给定一个(不定的)投票规则r,2≤k≤m,n,n个agents,最大敌手的目标是通过选择~π=(π,...,πn)εn来最大化k-路关系的似然性,以ftiemaxπ(r,k,n)表示。形式上,ftiemaxπ(r,k,n),sup~π∈nprpπ~π(r(P)=k)(4)类似地,最小敌手的目标是使k-路关系的似然最小化,其结果如下:ftieminπ(r,k,n),inf~π∈nprpπ~π(r(P)=k)(5)我们把ftiemaxπ(r,k,n)(分别,ftieminπ(r,k,n))称为关系的最大(分别,min)平滑似然。当π由单一分布π组成时,ftiemaxπ(r,k,n)和ftieminπ(r,k,n)相互重合,成为I.I.D下的联系似然。分布π。特别地,当π={πuni},其中πuni是均匀分布时,ftiemaxπ(r,k,n)和ftieminπ(r,k,n)成为Ic下关系的经典分析。
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2022-4-19 18:58:17
正如文献[66]所讨论的,平滑社会选择框架允许主体的基本真值偏好是任意相关的,而噪声是独立的,这是许多文献如行为科学、经济学、统计学和平滑复杂性分析的标准假设。我们的主要技术结果是在大型选举(n→∞)中,对于至少三个备选方案(m≥3)的给定数目,tiess的平滑似然性的渐近刻画。非正式地,我们的主要结果可以概括为以下几个方面。主要结果:平滑的联系的可能性,非正式地放。在对π的温和假设下,对于许多常见的投票规则r,对于任意m≥3,任意2≤k≤m,任意n∈n,gtiemaxπ(r,k,n)(分别为gtieminπ(r~s,k,n))要么为0,exp(-θ(n)),要么为θ(poly-1(n))。更准确地说,我们证明了整数位置计分规则(包括复数,Borda,veto)的定理3,基于边序的规则(包括maximin,Schulze,排序对,copeland,见第11条)的定理4,以及STV和Coombs的定理5。这些定理的形式陈述还刻画了每个(0、指数或多项式)情形的条件以及多项式情形中的渐近紧界。当联系不可取时,例如在投票的不决定性、策略性投票或隐私的情况下,低的最大平滑似然是好消息。当联系是可取的,例如,在投票权和选民投票率的情况下,一个高的最小平滑可能性是好消息。因此,我们的定理完全刻画了在特定情况下好消息的条件。我们的定理的直接应用回答了Marchant[38]关于许多常见的投票规则的公开问题,如下面表1所总结的。表1:在一些常见的投票规则下k-路关系(2≤k≤m)的概率W.R.T.Ic.forcopelandα,Lα是最小正整数S.t。αlα∈Z.int。波斯。得分(科罗。1)STV和Coombs(道具)6)maximin(道具)3)舒尔茨(道具。4)排列成对(道具。5)如果没有n个Votespore包含k路连接θ(n-k-1),否则,如果m≥k+5Dlog Ken^a(log klog k)Copelandα(0≤α≤1)(prop.),则θ(n-k-1)下上(Ω(n-k-1)Ω(n-dlog ke)(n-dlog ke)(n-dlog ke)(n-dlog ke)(n-dlog ke)(n-dlog ke)。2)0如果2-n,2 k,和k≥m-1θ(n-k)如果2 n,2 k,和(1)k=m,或(2)k=m-1和α≥,或(3)k=m-1和k≤lα(Lα+1)θn-lα(Lα+1)如果2 n,2 k,k=m-1,α<和k>lα(Lα+1)θ(1)否则(即如果2-k或k≤m-2),粗略地说,表1揭示了投票规则W.R.T的以下排名。对于每2≤k≤m.{int.pos.scorning,STV,Coombs}≤{maximin,Schulze}≤ranked pairs≤CopelandA紧密相关的问题,它们在IC下的k-路联系的似然性是任意-路联系的似然性,有时称为优柔寡断[38],即对于任意2≤k≤m.选举承认k-路联系。从表1不难看出,这种似然性是由双向联系的概率支配的,对于表中的所有规则,除了分别被命题5和命题2所覆盖的排列对和Copeland之外,它要么是0要么是θ(√n)。据我们所知,这些结果是新的,除了复数和Borda。对这些观测结果所产生的合成数据进行的实验,而对pre-emib数据进行的实验[41]揭示了一种不同的顺序,即在Borda(1.6%)和Copeland(2.6%)下,联系很少,而在由于技术革新而被否决(31.3%)下,联系很常见。本文中关于平顺似然的证明遵循了这种高层次的思想。我们用类似于例1中的线性不等式系统来建立k-路联系的存在性模型。这样,联系的似然性就变成了随机生成的profile的直方图在由线性不等式表示的多面体H中的似然性,该profile是一个泊松多元变量(PMV)。
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2022-4-19 18:58:24
然后,我们证明了PMV在H中的一个二分刻划(定理1),并将定理1(更确切地说,它的推广定理2应用于多个多面体的并)来刻划层的光滑似然。更确切地说,给定n,q∈n和{1,.....,q}上n个分布的向量~π=(π,...,πn),一个(n,q)-PMV用~x~π表示,它表示n个独立随机变量的直方图,它们的分布分别是{π,...,πn}。(pmv在多面体中的定理,非正式地说)。设H表示无多面体,π表示满足一些温和条件的分布集,对于任意n∈n,sup~π∈npr(~x~π∈H)为0,exp(-θ(n)),或θ(poly(n)),而inf~π∈npr(~x~π∈H)为0,exp(-θ(n)),或θ(poly(n)),其界是渐近紧的,该定理的形式陈述也分别刻画了0,指数和多项式情况下的条件。正如在例子1之后评论的那样,我们没有看到通过直接应用现有的渐近工具来证明定理1的方法。我们还认为定理1是一个有用的工具,可以用来研究在[66]中评论的许多社会选择中感兴趣的事件的平滑似然。1.1选举中的相关工作和讨论。例如,正如穆里根和亨特评论的那样,估计联系可能性的重要性已经得到广泛承认:“也许众所周知,公民选举往往不是由一票决定的...对关键投票频率的精确计算有助于我们理解有多少票(如果有的话)可以理性地和工具地投出”[47]。然而,在实践中,联系并不像通常认为的那样罕见,即使在高风险的选举中也是如此,并导致了陷阱和随之而来的选举制度和宪法的修改。例如,在1800年的美国总统选举中,杰伊森和伯尔在ElectoralCollection的选票上打成平手。根据宪法,众议院应该投票,直到候选人赢得多数席位。但在随后的35轮僵持投票中,两位候选人均未获得多数。最终,杰奎森赢得第36次连任,成为总统。这“表明了《宪法》的根本缺陷”。因此,宪法的第十二次修正案被引入,并被修改为“[9]。三种或多种方式的联系。如今,立法者很清楚双向铁杆选举的可能性,并制定了特定的打破铁杆选举的机制来处理这些问题。然而,三个或更多的关系没有得到应有的重视,有时被忽视。例如,2019年《阿拉巴马州法典》第17-12-23条规定:“在所有县或选区的同一首席执行官的最高候选人之间有平局的所有选举中,应由县议会在候选人在场的情况下进行抽签决定”。该代码没有指定当三个或更多的候选人并列时应该采取什么行动。本文中的结果描述了这种情况是多么罕见,以便立法者能够在知情的情况下决定漏洞在实践中是否是一个值得关注的问题,如果是,如何弥补它。平滑分析。关于平滑分析在数学规划、机器学习、数值分析、离散数学、组合优化等方面的应用,有大量的文献,见[59]。平滑分析也被应用于经济学中的各种问题,例如无政府状态的价格[11]和市场均衡[32]。在最近的一篇论文中,Baumeister、Hogrebe和Rothe[4]提出了一个基于Mallows的模型,用于对社会选择的计算方面进行传导平滑分析,并评论说该模型可以用于分析投票悖论和联系,但该论文没有包含技术结果。
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2022-4-19 18:58:29
[66]独立地提出了对非社会选择的悖论和不可能定理进行平滑分析,刻画了Condorcet投票悖论的平滑似然性和无边可能性定理,并提出了一种新的平衡点打破机制。我们只使用了[66]中的概率模型,从主题上来说,我们的论文是在[66]的基础上建立的,因为我们在通常研究的投票规则下建立并研究了联系的似然性,这是[66]中没有研究的。我们认为,本文的主要技术工具(定理1)是将[66]中引理1推广到任意多面体,每n个整数矩阵和最小敌手。更多的讨论可以在注记后定理1中找到。我们相信定理1是分析社会选择中许多其他问题的平滑似然性的有用工具。例如,[66]中的所有结果都可以立即被定理1所加强。下表总结了前人对本文的研究成果,其主要贡献是对似然性的刻画。论文m k投票规则分布[5]2 2多数两组,I.I.D。在每组内[39][10]2 2多数。W.R.T.一个不确定分布[27]任意m∈n2≤k≤m多一致I.I.D.(IC)[28]32≤k≤m Borda一致I.I.D.(IC)[38]任意m∈N,k=m,I.I.D.一致确定得分规则。更精确地说,Beck[5]研究了在多数规则下(在两个备选方案上)与两组代理人的平局概率,这两组代理人的投票是I.I.D。每组内。Margolis[39]和Chamberlain和Rothschild[10]集中讨论了两种选择的多数规则,其中代理人的偏好是I.I.D.根据随机生成的分布。Gillett[27]研究了在多个W.R.T.下的全向联系(即k=m)的概率。IC用于任意数目的替代和代理。Gillett[28]在m=3W.R.T.的情况下,得到了Borda不确定(两个或多个备选方案被绑定)的一个闭式公式。IC.Marchant[38]考虑了一类计分规则,其中每个agent可以从给定的计分向量集(SVS)中选择一个计分向量,并刻画了在一类计分规则下M-路联系的渐近概率为θ(n1-m)W.R.T.他们的身份证明。在所有SV上均匀分布。此结果可以应用于Borda和批准投票,但不能应用于复数。Marchant[38]也注意到Domb[18]在Borda下得到了m=3的等价公式。正如前面所讨论的,我们论文中所使用的平滑社会选择框架是更普遍的。特别地,我们的定理的推论回答了Marchant提出的开放问题[38],并根据IC下的铁似然性揭示了对这些规则的排序,如表1所总结的。以前的工作与铁似然性有关。[33]研究了Agent被分成多个组的情况,在每个组中,Agent的投票由公正匿名文化(IAC)模型产生。平滑的社会选择框架与IAC有直接的可比性。前者更普遍,因为代理人的“基本真相”偏好是任意相关的。后者更一般,因为代理人的“噪音”不是独立的。还有一系列关于美国选举团制度下关系的经验性和混合经验性-理论性工作[24,25]。在这种情况下,研究平局的平滑似然关系是今后的工作。平局选举的概率与单个选民投票的概率密切相关,有时称为投票权,这在投票悖论[19]和合作博弈论中权力指数的定义中发挥着重要作用。
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