八个人,每个人心里都有一份固定的偏好名单。把名单一个字都不改,只换一组人先发出邀请,最后竟能得到两套不同的配对,而且两套都“稳定”。

月下老人翻婚书、系红绳,故事把姻缘交给一种预先安排好的秩序。《定婚店》一类传说里的这个意象,换到数学中,就变成了一个可以明确检验的问题:如果没有谁预先指定答案,人们按各自的偏好行动,能不能找到不会被另一对人共同推翻的安排?[3]

两组各四个人根据桌边的偏好卡片完成一对一分配
一对一匹配的概念插画。稳定只讨论规定的偏好与规则,不表示每个人都获得第一选择。

稳定,要排除的是一对阻挡者

设甲、乙已经配好,丙、丁也已经配好。如果甲更喜欢丁,丁也更喜欢甲,两人就都愿意离开当前搭档,改为选择彼此。这一对没有配在一起、却相互更愿意换到一起的人,叫作阻挡对。

只要还存在阻挡对,安排就不稳定;一对也找不出来,才满足稳定性。单方面更喜欢别人不够,双方都愿意换,才会形成阻挡。

这个目标不要求人人拿到第一名,也不把所有人的满意程度加成一个总分。先把“稳定”说清楚,才知道算法究竟要解决什么。

把八个人的名单摆上桌

一组叫东、南、西、北,另一组叫春、夏、秋、冬。每行从左到右,表示第1到第4选择,没有并列,每个人也都列出另一组的全部成员。

人物从最喜欢到最不喜欢
东夏、春、秋、冬
南春、夏、冬、秋
西春、秋、冬、夏
北冬、春、秋、夏
春北、东、西、南
夏西、北、南、东
秋北、南、东、西
冬南、东、北、西

这里已经藏着一个小麻烦:东最喜欢夏,夏最喜欢西,西最喜欢春;春又最喜欢北,北最喜欢冬,冬最喜欢南,南最喜欢春。秋的第一选择也是北。没有任何两个人互为第一选择,所有人同时如愿从一开始就办不到。

先提议,再暂留,被拒后继续

1962年,Gale与Shapley发表《大学录取与婚姻的稳定性》,给出后来常称为延迟接受的办法。[1]

  1. 按名单提议:尚未被暂留的人,向还没尝试过的最高顺位对象发出邀请。
  2. 只暂留当前最喜欢的:接收者比较新邀请与已经暂留的人,留下最偏好的一个,其余拒绝。
  3. 被拒后往下找:被拒者继续找名单上的下一位。所有人都配好后结束。

关键在“暂留”。先答应,并不锁死后面的选择;如果收到更喜欢的邀请,可以更新暂留对象。反过来,提议者不会反复找同一个已经拒绝自己的人。

东、南、西、北先提议

第一轮,东找夏,南与西都找春,北找冬。春比较南与西,留下排名更靠前的西,拒绝南。接下来就出现一串连锁反应。

轮次新发生的邀请与选择这一轮被拒的人
第1轮夏暂留东,春在南与西之间暂留西,冬暂留北南
第2轮南转向第2选择夏;夏更喜欢南,换掉东东
第3轮东转向第2选择春;春更喜欢东,换掉西西
第4轮西转向第2选择秋;秋暂留西无

最后是东—春、南—夏、西—秋、北—冬。东、南、西都拿到自己的第2选择,北拿到第1选择。这一轮共发生7次提议。

春、夏、秋、冬先提议

名单不变,重新开始。春找北,夏找西,秋也找北,冬找南。北更喜欢春,拒绝秋。

第二轮,秋找第2选择南;南已经暂留冬,又把冬排在秋前面,所以仍拒绝秋。第三轮,秋找到东,才被暂留。

最后变为东—秋、南—冬、西—夏、北—春。这次有6次提议,结局与前一次不同。

两套结局,为什么都不会被撬开

把每个人的结果与其名单名次放在一起,差别会比“看起来谁开心”清楚得多。

人物东南西北提议春夏秋冬提议
东春,第2名秋,第3名
南夏,第2名冬,第3名
西秋,第2名夏,第4名
北冬,第1名春,第2名
春东,第2名北,第1名
夏南,第3名西,第1名
秋西,第4名东,第3名
冬北,第3名南,第1名

第一套里,东当然想找自己的第1选择夏,可夏把现任南排在东前面,因此不会与东组成阻挡对。第二套里,情况也一样:东更想找夏,夏却更喜欢现任西。

按完整名单检查所有没有配在一起的组合,两套都不存在阻挡对。在这份四对人的例子里,枚举24种完整匹配,恰好只有这两种稳定结果。

算法也解释了为什么能稳定。若一个提议者最后仍更喜欢另一位接收者,他在轮到当前搭档以前必然已向那人提议,并遭到拒绝。接收者往后只会换成更喜欢的人,因此最终不会又愿意回头与他共同离开现任。

一路往下找,最后却拿到稳定范围里的最好

提议者被拒以后,名次只能往后走;接收者更新暂留对象,名次却只会向前走。看过程,好像等待更占便宜,定理给出的比较却很有意思。

在经典的一对一、人数相同、偏好完整且严格的模型中,提议方每个人得到的,是他在所有稳定匹配中能得到的最好对象;接收方每个人得到的,则是自己在所有稳定匹配中相对最差的对象。

这不表示提议者一定拿到全体第1选择。东在第一套里仍只拿到春,但在这份名单允许的稳定结果中,春已经比另一套的秋更好。

背后还有一个重要性质:在这套算法运行时拒绝过某位提议者的接收者,不可能与他出现在任何稳定匹配里。因此,继续往下找,没有丢掉一个原本能够得到的稳定对象。

每人至多向另一组的n个人各提议一次,总提议次数不超过n²,过程会结束。在这里改变结果的,是哪一组负责提议;固定提议方与严格名单后,调换该组内部的处理先后,不会改变提议方最优的稳定结果。

红线之外,还有市场设计

这套思想可以进入住院医师与医院、学生与学校等分配问题。2012年,Shapley与Roth因稳定分配理论及市场设计实践的相关贡献获得诺贝尔经济学奖。1962年论文的另一位作者Gale已于2008年去世。[2]

真实分配会多出名额、不完整名单、并列偏好、夫妻共同申请等条件,规则需要据此设计,不能把四对人的定理直接照搬到所有市场。

现实关系里的心意也会变化,人们会沟通、退出,或重新认识自己的偏好。数学里的“稳定”,负责的是排除给定名单中的共同改配动机;生活里想要怎样的关系,还包含这份名单没有替人决定的内容。