Assignment mechanisms for many-to-one matching markets with preferences revolve around the key concept of stability. Using school choice as our matching market application, we introduce the problem of jointly allocating a school capacity expansion and finding the best stable allocation for the students in the expanded market. We analyze theoretically the problem, focusing on the trade-off behind the multiplicity of student-optimal assignments, the incentive properties, and the problem's complexity. Due to the impossibility of efficiently solving the problem with classical methods, we generalize existent mathematical programming formulations of stability constraints to our setting, most of which result in integer quadratically-constrained programs. In addition, we propose a novel mixed-integer linear programming formulation that is exponentially-large on the problem size. We show that its stability constraints can be separated in linear time, leading to an effective cutting-plane method. We evaluate the performance of our approaches in a detailed computational study, and we find that our cutting-plane method outperforms mixed-integer programming solvers applied to the formulations obtained by extending existing approaches. We also propose two heuristics that are effective for large instances of the problem. Finally, we use the Chilean school choice system data to demonstrate the impact of capacity planning under stability conditions. Our results show that each additional school seat can benefit multiple students. Moreover, our methodology can prioritize the assignment of previously unassigned students or improve the assignment of several students through improvement chains. These insights empower the decision-maker in tuning the matching algorithm to provide a fair application-oriented solution.


翻译:与偏好相匹配的多种市场的分配机制围绕稳定的关键概念。我们利用学校选择作为我们的匹配市场应用,提出了共同分配学校能力扩大和在扩大市场中为学生找到最稳定分配的问题。我们从理论上分析了这一问题,侧重于学生最佳分配多样性背后的权衡问题、奖励性质和问题的复杂性。由于无法以传统方法有效解决问题,我们把现有稳定制约的数学配置公式概括到我们所处的环境,其中多数导致彻底的四分法式程序。此外,我们提出了一个新的混合整数线性编程配方,在问题规模上非常大。我们表明,其稳定性制约可以在线性时间中分离,导致有效的切割计划方法。我们在详细的计算研究中评估了我们的方法的绩效。我们发现,由于我们的切割式方法,与通过扩展现有方法来应用的混合精准性编程编程方案解决方案相形形色色色。我们还提议了两种粗略的编程式编程设计方法,对于问题的规模是巨大的。我们展示了它的稳定性限制,我们以前通过学校的多层次分配方法展示了我们学生的优势。最后,我们利用了我们的安全分配方法来展示了我们学生们的优势。

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