The existence of allocations that are fair and efficient, simultaneously, is a central inquiry in fair division literature. A prominent result in discrete fair division shows that the complementary desiderata of fairness and efficiency can be achieved together when allocating indivisible items with nonnegative values; specifically, for indivisible goods and among agents with additive valuations, there always exists an allocation that is both envy-free up to one item (EF1) and Pareto efficient (PO). While a recent breakthrough extends the EF1 and PO guarantee to indivisible chores (items with negative values), the question remains open for indivisible mixed manna, i.e., for indivisible items whose values can be positive, negative, or zero. The current work makes notable progress in resolving this central question. For indivisible mixed manna and additive valuations, we establish the existence of allocations that are PO and introspectively envy-free up to one item (IEF1). In an IEF1 allocation, each agent can eliminate its envy towards all the other agents by either adding an item or removing an item from its own bundle. The notion of IEF1 coincides with EF1 for indivisible chores, and hence, our result generalizes the aforementioned existence guarantee for chores. Our techniques can be adopted to obtain an alternative proof for the existence of EF1 and PO allocations of indivisible goods. Hence, along with the result for mixed manna, we provide a unified approach for establishing the EF1 and PO guarantee for indivisible goods and indivisible chores. We also utilize our result for indivisible items to develop a distinct proof of the noted EF and PO guarantee for divisible mixed manna. Our work highlights an interesting application of the Knaster-Kuratowski-Mazurkiewicz (KKM) Theorem in discrete fair division and develops multiple, novel structural insights and algorithmic ideas.


翻译:公平与效率同时存在的分配方案是公平分配文献中的核心议题。离散公平分配领域的一个重要结果表明,在分配具有非负价值的不可分割物品时,公平性与效率性这两个互补目标可以同时实现;具体而言,对于不可分割物品且代理人具有加性估值的情形,总存在一种分配既是“至多一件物品无嫉妒”(EF1)又是帕累托有效(PO)的。尽管近期一项突破性研究将EF1与PO的保证扩展到不可分割负值物品(即负价值物品),但对于不可分割混合物品(即价值可为正、负或零的不可分割物品),该问题仍然悬而未决。本研究在这一核心问题上取得了显著进展。针对不可分割混合物品与加性估值,我们证明了存在同时满足PO与“内省性至多一件物品无嫉妒”(IEF1)的分配方案。在IEF1分配中,每个代理人可通过向自身物品束添加一件物品或移除一件物品,消除对所有其他代理人的嫉妒。IEF1的概念对于不可分割负值物品与EF1等价,因此我们的结果推广了前述负值物品的存在性保证。我们的技术可被采用,为不可分割物品的EF1与PO分配存在性提供另一种证明。因此,结合混合物品的结果,我们为不可分割物品与不可分割负值物品的EF1与PO保证建立了统一方法。我们还利用不可分割物品的结果,为可分割混合物品的已知EF与PO保证提出了一个独特的证明。本研究凸显了Knaster-Kuratowski-Mazurkiewicz(KKM)定理在离散公平分配中的有趣应用,并发展了多种新颖的结构性见解与算法思想。

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