We study the problem of allocating items to agents with submodular valuations with the goal of maximizing the weighted Nash social welfare (NSW). The best-known results for unweighted and weighted objectives are the $(4+ε)$ approximation given by Garg, Husic, Li, Végh, and Vondrák~[STOC 2023] and the $(233+ε)$ approximation given by Feng, Hu, Li, and Zhang~[STOC 2025], respectively. In this work, we present a $(3.56+ε)$-approximation algorithm for weighted NSW maximization with submodular valuations, simultaneously improving the previous approximation ratios of both the weighted and unweighted NSW problems. Our algorithm solves the configuration LP of Feng, Hu, Li, and Zhang~[STOC 2025] via a stronger separation oracle that loses an $e/(e-1)$ factor only on small items, and then rounds the solution via a new bipartite multigraph construction. Some key technical ingredients of our analysis include a greedy proxy function, additive within each configuration, that preserves the LP value while lower-bounding the rounded solution, together with refined concentration bounds and a series of mathematical programs analyzed partly by computer assistance. On the hardness side, we prove that the configuration LP for weighted NSW with submodular valuations has an integrality gap of at least $(2^{\ln 2}-ε) \approx 1.617 - ε$, which is larger than the current best-known $e/(e-1)-ε\approx 1.582-ε$ hardness~[SODA 2020]. For additive valuations, we show an integrality gap of $(e^{1/e}-ε)$, which proves the tightness of the approximation ratio in~[ICALP 2024] for algorithms based on the configuration LP. For unweighted NSW with additive valuations, we show an integrality gap of $(2^{1/4}-ε) \approx 1.189-ε$, again larger than the current best-known $\sqrt{8/7} \approx 1.069$-hardness~[Math. Oper. Res. 2024].


翻译:我们研究在具有子模估值的智能体之间分配物品以最大化加权纳什社会福利(NSW)的问题。对于未加权和加权目标,目前已知的最佳结果分别为Garg、Husic、Li、Végh和Vondrák~[STOC 2023]提出的$(4+ε)$近似算法,以及Feng、Hu、Li和Zhang~[STOC 2025]提出的$(233+ε)$近似算法。在本工作中,我们提出了一种针对具有子模估值的加权NSW最大化问题的$(3.56+ε)$近似算法,同时改进了加权和未加权NSW问题的先前近似比。我们的算法通过一个更强的分离预言机求解Feng、Hu、Li和Zhang~[STOC 2025]的配置线性规划,该预言机仅在小物品上损失$e/(e-1)$因子,随后通过一种新的二分多重图构造对解进行舍入。我们分析中的关键技术要素包括一种贪心代理函数,它在每个配置内具有可加性,既能保持线性规划值,又能对舍入解给出下界,同时结合了精细的集中界以及部分通过计算机辅助分析的一系列数学规划。在硬度方面,我们证明了具有子模估值的加权NSW配置线性规划的整数性间隙至少为$(2^{\ln 2}-ε) \approx 1.617 - ε$,这大于当前已知的$e/(e-1)-ε\approx 1.582-ε$硬度下界~[SODA 2020]。对于可加估值,我们展示了$(e^{1/e}-ε)$的整数性间隙,这证明了基于配置线性规划的算法在~[ICALP 2024]中近似比的紧性。对于具有可加估值的未加权NSW,我们展示了$(2^{1/4}-ε) \approx 1.189-ε$的整数性间隙,同样大于当前已知的$\sqrt{8/7} \approx 1.069$硬度下界~[Math. Oper. Res. 2024]。

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