We study the question of existence and fast computation of fair and efficient allocations of indivisible resources among agents with additive valuations. As such allocations may not exist for arbitrary instances, we ask if they exist for \textit{typical} or \textit{random} instances, meaning when the utility values of agents for the resources are drawn from certain distributions. If such allocations exist with high probability for typical instances, and furthermore if they can be computed efficiently, this would imply that we could quickly resolve a real world resource allocation scenario in a fair and efficient manner with high probability. This implication has made this setting popular and well studied in fair resource allocation. In this paper, we extend the previously studied formal models of this problem to non-identical items. We assume that every item is associated with a distribution $\mathcal{U}_j$, and every agent's utility value for the item is drawn independently from $\mathcal{U}_j$. We show that envy-free fair and maximum social welfare efficient allocations exist with high probability in the asymptotic setting, meaning when the number of agents $n$ and items $m$ are large. Further we show that when $m=O(n\log n),$ then by only sampling $O(\log m)$ or $O((\log m)^2)$ utility values per item instead of all the $n,$ we can compute these allocations in $\tilde{O}(m)$ time. Finally, we simulate our algorithms on randomly generated instances and show that even for small instances, we suffer small multiplicative losses in the fairness and efficiency guarantees even for small sized instances, and converge to fully optimal guarantees quickly.


翻译:我们研究在具有可加性估值的智能体之间,公平且高效地分配不可分割资源的存在性与快速计算问题。由于此类分配在任意实例中可能不存在,我们探讨其是否存在于典型或随机实例中,即当智能体对资源的效用值从特定分布中抽取时。若此类分配在典型实例中以高概率存在,且能高效计算,则意味着我们能够以高概率快速解决现实世界中的资源分配问题,实现公平与效率。这一推论使得该设定在公平资源分配领域广受关注并得到深入研究。本文将此问题先前研究的正式模型扩展至非相同物品的情形。我们假设每件物品关联一个分布$\mathcal{U}_j$,且每位智能体对该物品的效用值独立地从$\mathcal{U}_j$中抽取。我们证明,在渐近设定下(即当智能体数量$n$与物品数量$m$较大时),无嫉妒公平且社会福祉最大化的高效分配以高概率存在。进一步,我们证明当$m=O(n\log n)$时,通过仅对每件物品抽样$O(\log m)$或$O((\log m)^2)$个效用值(而非全部$n$个),即可在$\tilde{O}(m)$时间内计算出这些分配。最后,我们在随机生成的实例上模拟所提算法,结果表明即使对于小规模实例,公平性与效率保证仅遭受微小乘性损失,且能快速收敛至完全最优保证。

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