Stabile Paarungen. 1 Problemstellung Vorraussetzungen Aufgabe Beispiel... 2

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1 Proseminar Theoretische Informatik Mika Delor Stabile Paarungen Wolfgang Mulzer Inhaltsverzeichnis 1 Problemstellung Vorraussetzungen Aufgabe Beispiel Gale-Shapley-Algorithmus als Text als Pseudocode Analyse des Algorithmus Korrektheit Laufzeit Optimalität Erweiterung 6 1 Problemstellung 1.1 Vorraussetzungen Es gibt zwei Gruppen von Personen. Jede dieser Personen soll mit genau einer Person aus der anderen Gruppe gepaart werden (damit ist die Paarung perfekt). Dabei hat jede Person eine Liste mit allen Personen aus der anderen Gruppe, auf der ein Ranking dieser Personen steht. Wenn eine Person A höher gerankt ist/weiter oben steht, als eine Person B, dann bedeutet das, dass der Besitzer der Liste lieber mit Person A gepaart werden möchte, als mit Person B. 1.2 Aufgabe Wir wollen eine Lösung haben, in der es keinen Fall gibt, bei dem Person A mit Person B und Person C mit Person D gepaart ist, aber Person A Person C höher als Person B gerankt und Person C Person A höher als Person D gerankt hat. In diesem Fall könnten Person A und Person C nämlich ihren derzeitigen Partner verlassen und zusammen kommen, damit würden beide sich verbessern. Wenn wir eine solche Lösung haben, dann stellt diese eine stabile Paarung dar. 1

2 1.3 Beispiel Als Beispiel gehen wir im Folgendem davon aus, dass die eine Gruppe Männer sind und die andere Gruppe Frauen sind. Dabei will jeder Mann und jede Frau einen Partner zum Heiraten finden. Einige Beispiele zum Verdeutlichen des Problems: 1. Anna hat die Liste: Peter, Hans Claudia: Hans, Peter Peter: Anna, Claudia Hans: Claudia, Anna in diesem Fall, ist eindeutig, wer zusammen gehört, Anna kommt mit Peter zusammen und Claudia mit Hans und alle sind glücklich. 2. Anna: Peter, Hans Claudia: Peter, Hans Peter: Anna, Claudia Hans: Anna, Claudia Hier sind sich die Männer sowie Frauen beim Ranking des anderen Geschlechts einig. Auch hier gibt es auch nur eine Möglichkeit für das Matching: (Anna, Peter), (Claudia, Hans) 3. Anna: Peter, Hans Claudia: Hans, Peter Peter: Claudia, Anna Hans: Anna, Claudia Jetzt gibt es zwei Möglichkeiten: (a) (Anna, Peter), (Claudia, Hans) Hier wären die Frauen super glücklich mit dem Ergebnis und die Männer hätten die ihre schlechteste Wahl bekommen. (b) (Anna, Hans), (Claudia, Peter) Hier wären die Männer super glücklich und die Frauen nicht. Beide Möglichkeiten sind stabil, in der zweiten Möglichkeit könnte Anna zum Beispiel nicht zu Peter wechseln, da dieser mit seiner Wahl bereit super glücklich ist und Claudia könnte nicht zu Hans wechseln, da auch dieser mit seiner Partnerin glücklicher ist, als er mit Claudia wäre. 2 Gale-Shapley-Algorithmus 2.1 als Text am Anfang ist jeder unverheiratet alle Männer gehen nun zu der Frau, die am weitesten oben auf ihrer Liste steht und machen ihr einen Antrag für den Anfang verloben sich Mann und Frau solange die Frauen, die Angefragt werden, noch keinen Partner haben, wird das so fortgeführt 2

3 wenn es eine Frau gibt, die bereits einen Partner hat und einen Antrag bekommt, dann guckt sie, ob ihr Verlobter oder ihr neuer Werber höher auf ihrer Liste steht wenn der Verlobte weiter oben steht, dann nimmt sie den Antrag nicht an und der Bewerber muss weiter unten auf seiner Liste sein Glück versuchen wenn der Werber weiter oben auf der Liste der Frau steht, dann löst sie die Verlobung auf und verlobt sich mit dem neuen Bewerber neu, der Ex muss jetzt weiter unten auf seiner Liste weiter nach seinem Glück suchen der Algorithmus endet, sobald niemand mehr ohne Partner dasteht (und alle Verlobten heiraten) 2.2 als Pseudocode alle Männer und alle Frauen sind partnerlos while es gibt einen Mann m, der keinen Partner hat und noch nicht jeder Frau seine Aufwartung gemacht hat do nimm m lass f die Frau auf der Liste von m sein, die am weitesten oben steht und der er noch keine Aufwartung gemacht hat if f partnerlos then (m,f) werden verlobt else if f ist mit m verlobt then if f bevorzugt m gegenüber m then m bleibt partnerlos else if f bevorzugt m gegenüber m then (m,f) werden verlobt m wird partnerlos end if end if end while return Set S von verlobten Paaren 3 Analyse des Algorithmus 3.1 Korrektheit Werden unsere Erwartungen an den Algorithmus erfüllt? I.e. sind die Paarungen stabil und perfekt. Lemma 1. Sobald eine Frau ihren ersten Antrag bekommen hat, bleibt sie verlobt, die Verlobung kann nur durch eine Verlobung durch einen besseren Mann ersetzt werden. Beweis. Durch den Algorithmus gehen die Männer nicht von selbst von der Frau weg, sondern werden immer durch einen neuen Mann ersetzt, der weiter oben auf der Liste der Frau steht, als er selbst. 3

4 Lemma 2. Wenn ein Mann m an einem Punkt im Algorithmus partnerlos ist, dann gibt es mindestens eine Frau, der er noch keinen Antrag gemacht hat. Beweis. Gehen wir davon aus, dass es einen Mann m gibt, der jeder Frau einen Antrag gemacht hat und partnerlos ist, dann muss nach Lemma 1 jede der n Frauen verlobt sein. Wenn n Frauen verlobt sind, müssen auch n Männer verlobt sein, da die Paare eins-zu-eins sind. Da es nur n Männer gibt, und m nicht verlobt ist, ist das ein Widerspruch. Satz 3. Der Algorithmus gibt eine perfekte Paarung zurück. Beweis. Wir gehen davon aus, dass es einen Mann m gibt, der den gesamten Algorithmus durchläuft und keinen Partner hat. Das bedeutet jedoch, dass er jeder Frau einen Antrag gemacht hat, da er sonst den Algorithmus nicht durchläuft. Das widerspricht jedoch Lemma 2, da es keinen Mann gibt, der allen Frauen einen Antrag gemacht hat und partnerlos ist. Satz 4. Der Algorithmus gibt eine stabile Paarung zurück. Beweis. Instabilität bedeutet, dass es eine Möglichkeit gibt, bei der es die Paare (m,f) und (m,f ) Teil der Lösungsmenge sind, obwohl m f gegenüber f und f m gegenüber m bevorzugt. Jetzt gibt es mehrere Möglichkeiten: 1. m hat f keinen Antrag gemacht. In diesem Fall steht f bei m weiter oben in der Liste, was ein Widerspruch dazu wäre, dass m f bevorzugt. 2. m hat f einen Antrag gemacht In diesem Fall wurde er von f zugunsten von m zurückgewiesen, den f gegenüber m bevorzugt. Da m der endgültige Partner von f ist, ist m = m oder f bevorzugt m gegenüber m, beides würde unserer Annahme widersprechen, dass f m bevorzugt. 3.2 Laufzeit Jeder Mann m, kann die Schleife höchstens n mal durchlaufen, wenn es n Frauen gibt, er würde also jeder Frau einen Antrag machen. Da es n Männer gibt, können also n Männer die Schleife jeweils höchstens n mal durchlaufen. Die Laufzeit ist also höchstens O(n 2 ). 3.3 Optimalität Definition 5. Eine Frau f ist ein gültiger Partner von Mann m, wenn es eine stabile Paarung gibt, bei welcher das Paar (m,f) existiert Definition 6. f ist der beste gültige Partner von m, wenn es keine Frau gibt, die m höher als f in seiner Liste stehen hat und ein gültiger Partner ist Satz 7. Durch den Algorithmus erhält jeder Mann den besten gültigen Partner. 4

5 Beispiel 7.1. Ein Problem, bei dem es keine eindeutige Lösung gibt hatten wir bereits: Anna: Peter, Hans Claudia: Hans, Peter Peter: Claudia, Anna Hans: Anna, Claudia Jetzt gibt es zwei Möglichkeiten: 1. (Anna, Peter), (Claudia, Hans) Hier wären die Frauen super glücklich mit dem Ergebnis und die Männer hätten die ihre schlechteste Wahl bekommen. 2. (Anna, Hans), (Claudia, Peter) Hier wären die Männer super glücklich und die Frauen nicht. Beide Möglichkeiten sind stabil, wie wir bereits geklärt haben Wenn wir jedoch den Algorithmus ausführen würden, würden die Männer ihre bessere Wahl bekommen und die Frauen ihre schlechtere. Beweis. Der beste gültige Partner von m wird durch best(m) dargestellt. Wir werden jetzt zeigen, dass jede Ausführung des Algorithmus die Paarungen der Menge {(m, best(m) m M} als Ergebnis hat. Wir machen einen Widerspruchsbeweis: Gehen wir davon aus, dass es eine Ausführung E gibt, der als Ergebnis die Paarungen S hat. In der Paarung S gibt es einen Mann m, der mit einer Frau zusammen ist, die nicht sein bester gültiger Partner ist. Da Männer ihre Liste von oben nach unten abarbeiten, muss er an irgendeinem Punkt von seinem besten gültigen Partner f abgelehnt worden sein. Dazu gibt es zwei Möglichkeiten: 1. m muss einen Antrag gemacht haben und abgelehnt worden sein, da f schon eine bessere Verlobung hatte 2. w hat die Verlobung mit m beendet, da jemand besseres einen Antrag gemacht hat Es gibt in jedem Fall einen Mann m, den f gegenüber m bevorzugt hat. Wenn f ein gültiger Partner von m ist, dann gibt es eine stabile Paarung S bei der m eine andere Partnerin f hat und m mit f zusammen ist. Wir gehen davon aus, dass m der erste Mann ist, der von einer gültigen Partnerin zurückgewiesen wurde. Das heißt, dass m in dieser Ausführung des Algorithmus von noch keiner gültigen Partnerin zurückgewiesen wurde, zu dem Zeitpunkt, als er f seine Aufwartung macht. Da m seine Liste von oben nach unten abarbeitet und er einen Antrag an f gemacht hat, ohne von einem gültigen Partner abgelehnt worden zu sein, heißt das, dass er f über f anordnet. Wir haben auch gesehen, dass f m gegenüber m bevorzugt, da sie m zugunsten von m abgelehnt hat. Wir wissen also, dass es ein S gibt, mit (m f), (m f ) S. Da aber m f gegenüber f und f m gegenüber m bevorzugt, ist das Paar (m,f) eine Instabilität in S. Das widerspricht unserer Annahme. Definition 8. m ist der schlechteste gültige Partner von f, wenn m ein gültiger Partner von f ist und es keinen gültigen Partner von f gibt, den sie auf ihrer Liste weiter unten stehen hat, als m Satz 9. Durch den Algorithmus erhält jede Frau den schlechtesten gültigen Partner. Beweis. Wir zeigen S* (die Paarung, die nach Ausführung des Algorithmus entsteht) ist eine stabile Paarung, bei der jede Frau mit ihrem schlechtesten gültigen Partner zusammen ist. Wir gehen davon 5

6 aus, dass es ein Paar (m,f) in S* gibt, sodass m nicht der schlechteste gültige Partner von f ist. Dann gibt es eine Stabile Paarung S, bei der f mit einem Mann m gepaart ist, den sie weniger mag, als m. In S ist m mit einer Frau f gepaart. Wir wissen, dass f der beste gültige Partner von m ist, also bevorzugt dieser f gegenüber f. Gleichzeitig wissen wir auch, dass f m gegenüber m bevorzugt. Also ist (m,f) eine Instabilität in S, also ist S instabil und unsere ursprüngliche Annahme, dass es einen schlechteren gültigen Partner für f gibt als m, widersprochen. 4 Erweiterung Die Gruppen müssen nicht unbedingt aus Personen bestehen, die nur mit einer Person aus der anderen Gruppe gepaart werden können. So kann eine Gruppe aus Krankenhäusern bestehen, die jeweils mehrere Praktikanten einstellen wollen und die andere Gruppe aus genau diesen Praktikanten. Dabei muss es nicht genauso viele Praktikanten, wie Praktikantenstellen geben, der Algorithmus funktioniert trotzdem. Er muss natürlich darauf angepasst werden, dass nun mehrere Männer eine eine Frau heiraten können und dann müssen die Männer durch Praktikanten und die Frauen durch Krankenhäuser ersetzt werden. Das ist übrigens das Problem, wofür der Algorithmus ursprünglich entwickelt wurde, um Medizinstudenten, die ein Praktikum machen wollen, auf die Praktikantenstellen in den Krankenhäusern aufzuteilen. 6

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