In kidney exchange programmes (KEP) patients may swap their incompatible donors leading to cycles of kidney transplants. Nowadays, countries try to merge their national patient-donor pools leading to international KEPs (IKEPs). As shown in the literature, long-term stability of an IKEP can be achieved through a credit-based system. In each round, every country is prescribed a "fair" initial allocation of kidney transplants. The initial allocation, which we obtain by using solution concepts from cooperative game theory, is adjusted by incorporating credits from the previous round, yielding the target allocation. The goal is to find, in each round, an optimal solution that closely approximates this target allocation. There is a known polynomial-time algorithm for finding an optimal solution that lexicographically minimizes the country deviations from the target allocation if only $2$-cycles (matchings) are permitted. In practice, kidney swaps along longer cycles may be performed. However, the problem of computing optimal solutions for maximum cycle length $\ell$ is NP-hard for every $\ell\geq 3$. This situation changes back to polynomial time once we allow unbounded cycle length. However, in contrast to the case where $\ell=2$, we show that for $\ell=\infty$, lexicographical minimization is only polynomial-time solvable under additional conditions (assuming P $\neq$ NP). Nevertheless, the fact that the optimal solutions themselves can be computed in polynomial time if $\ell=\infty$ still enables us to perform a large scale experimental study for showing how stability and total social welfare are affected when we set $\ell=\infty$ instead of $\ell=2$.


翻译:在肾脏交换计划(KEP)中,患者可以交换其不相容的供体,从而形成肾脏移植的循环链。当前,各国正尝试整合其国家层面的患者-供体池,从而形成国际肾脏交换计划(IKEP)。现有研究表明,基于信用积分制的系统能够实现IKEP的长期稳定性。在每一轮交换中,每个国家会被分配一个“公平”的肾脏移植初始配额。该初始配额通过合作博弈论中的解概念获得,并会结合上一轮的信用积分进行调整,最终形成目标配额。每轮的核心目标是寻找一个能紧密逼近该目标配额的最优解。已知存在多项式时间算法,在仅允许$2$-循环(匹配)的情况下,能够通过字典序最小化各国与目标配额的偏差来求得最优解。在实际操作中,肾脏交换可能通过更长的循环链进行。然而,对于最大循环长度$\ell$,当$\ell\geq 3$时,计算最优解的问题是NP难的。若允许无界循环长度,该问题重新变为多项式时间可解。但与$\ell=2$的情况不同,我们证明当$\ell=\infty$时,字典序最小化仅在附加条件下是多项式时间可解的(假设P $\neq$ NP)。尽管如此,当$\ell=\infty$时最优解本身可在多项式时间内计算的事实,仍使我们能够开展大规模实验研究,以揭示将$\ell$设为$\infty$而非$2$时,系统稳定性与社会总福利将如何变化。

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