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 $(4+\epsilon)$ approximation given by Garg, Husic, Li, V\'egh, and Vondr\'ak~[STOC 2023] and the $(233+\epsilon)$ approximation given by Feng, Hu, Li, and Zhang~[STOC 2025], respectively. In this work, we present a $(3.56+\epsilon)$-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 $(2^{\ln 2}-\epsilon) \approx 1.617 - \epsilon$, which is larger than the current best-known $e/(e-1)-\epsilon \approx 1.582-\epsilon$ hardness~[SODA 2020]. For additive valuations, we show an integrality gap of $(e^{1/e}-\epsilon)$, 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 $(2^{1/4}-\epsilon) \approx 1.189-\epsilon$, again larger than the current best-known $\sqrt{8/7} \approx 1.069$-hardness for the problem~[Math. Oper. Res. 2024].


翻译:我们研究在具有次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。对于非加权和加权目标,目前最著名的结果分别是Garg、Husic、Li、Végh和Vondrák [STOC 2023] 给出的 $(4+\epsilon)$ 近似算法,以及Feng、Hu、Li和Zhang [STOC 2025] 给出的 $(233+\epsilon)$ 近似算法。在本工作中,我们提出了一种针对具有次模估值的加权NSW最大化的 $(3.56+\epsilon)$ 近似算法,同时改进了加权和非加权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(LP),该预言机仅在小物品上损失 $e/(e-1)$ 因子,然后通过一种新的二分多重图构造对解进行舍入。我们分析中的一些关键技术要素包括一个贪婪代理函数,它在每个配置内具有可加性,能够在保持LP值的同时为舍入解提供下界,并结合了精细的集中界以及一系列部分通过计算机辅助分析的数学规划。在硬度方面,我们证明了具有次模估值的加权NSW配置LP的整数性间隙至少为 $(2^{\ln 2}-\epsilon) \approx 1.617 - \epsilon$,这大于当前已知的 $e/(e-1)-\epsilon \approx 1.582-\epsilon$ 硬度结果 [SODA 2020]。对于可加估值,我们展示了 $(e^{1/e}-\epsilon)$ 的整数性间隙,这证明了基于配置LP的算法在 [ICALP 2024] 中近似比的紧性。对于具有可加估值的非加权NSW,我们展示了 $(2^{1/4}-\epsilon) \approx 1.189-\epsilon$ 的整数性间隙,同样大于该问题当前已知的 $\sqrt{8/7} \approx 1.069$ 硬度结果 [Math. Oper. Res. 2024]。

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