问题

关于波达规则 孔多塞悖论和阿罗不可能定理?

回答
好,咱们来聊聊这几个投票和决策理论里的核心概念,波达规则、孔多塞悖论,还有那个大名鼎鼎的阿罗不可能定理。这几个玩意儿,说起来不复杂,但要是往深里挖,能让人脑袋瓜子嗡嗡的。我尽量讲得明白些,也尽量让它听起来就像是咱平时聊天一样,没那么多死板的术语。

波达规则(Borda Count):排名高低怎么定?

咱们先说波达规则。这东西啊,就像是给候选人打分排队,但不是简单地看谁的票数多,而是看你在多大程度上“喜欢”这个候选人。

想象一下,有三个人竞选班长:小明、小红和小刚。有十个同学投票。

传统的“多数决”(Plurality voting)就是看谁得的“第一名”票数最多。比如,如果小明得了5票第一名,小红3票,小刚2票,那小明就当选了。这最简单直接。

但波达规则玩的是一套不一样的路数。它不是只看第一名,而是给你的每个选择都打分。怎么打分呢?投票者需要对所有候选人进行排序。假设有三个候选人,投票者就要排出第一、第二、第三。

波达规则的计分方式是:
最后一个(第三名)得 0分。
倒数第二个(第二名)得 1分。
第一名 得 2分。

(也有其他计分方式,比如得票数总和减去排名靠后的候选人票数总和,但核心思想都是看相对排名。)

咱们用这个例子来算一下:

投票结果示例:

| 投票者 | 第一名 | 第二名 | 第三名 |
| : | : | : | : |
| 1 | 小明 | 小红 | 小刚 |
| 2 | 小明 | 小红 | 小刚 |
| 3 | 小红 | 小明 | 小刚 |
| 4 | 小红 | 小刚 | 小明 |
| 5 | 小刚 | 小明 | 小红 |
| 6 | 小明 | 小红 | 小刚 |
| 7 | 小红 | 小明 | 小刚 |
| 8 | 小刚 | 小红 | 小明 |
| 9 | 小明 | 小红 | 小刚 |
| 10 | 小红 | 小明 | 小刚 |

计算得分:

小明:
第一名:6次 (得 6 2 = 12 分)
第二名:3次 (得 3 1 = 3 分)
第三名:1次 (得 1 0 = 0 分)
总分:12 + 3 + 0 = 15分

小红:
第一名:4次 (得 4 2 = 8 分)
第二名:5次 (得 5 1 = 5 分)
第三名:1次 (得 1 0 = 0 分)
总分:8 + 5 + 0 = 13分

小刚:
第一名:0次 (得 0 2 = 0 分)
第二名:2次 (得 2 1 = 2 分)
第三名:8次 (得 8 0 = 0 分)
总分:0 + 2 + 0 = 2分

在这种情况下,小明以15分胜出,成为了班长。

波达规则的特点:

综合性强: 它考虑了投票者的全部偏好,而不仅仅是第一选择。这使得它能更好地反映多数人的整体意愿,避免了“毒丸选票”(undesirable candidate gets a lot of secondplace votes and thereby wins)的情况。
潜在缺点: 虽然好,但也不是完美的。它容易受到策略性投票的影响。比如,一个大家都比较讨厌但票数稍多的候选人,其他投票者可能会故意把他们排到后面,以免他们“挤占”了自己真正支持的候选人的位置。此外,计算相对来说也比简单多数决复杂一些。

孔多塞悖论(Condorcet Paradox):多数人的选择,却不是一致的选择?

说完波达规则,咱们聊聊一个更让人纠结的现象——孔多塞悖论。这个悖论揭示了一个挺反常识的真相:即使每个个体都有明确的偏好,但集体的选择结果可能出现循环,导致无法确定一个明确的赢家。

这个悖论是以法国数学家马奎斯·德·孔多塞(Marquis de Condorcet)命名的,他提出的“孔多塞标准”就是希望找到一个候选人,他能击败其他所有候选人(也就是赢得一对一的比较)。

咱们还是用三个人来举例:还是小明、小红、小刚。这次投票不打分,只看一对一的比较。

投票结果示例:

10个投票者,其中:
4人 的偏好是:小明 > 小红 > 小刚 (小明第一,小红第二,小刚第三)
3人 的偏好是:小红 > 小刚 > 小明
3人 的偏好是:小刚 > 小明 > 小红

现在,咱们来做一对一的比较:

1. 小明 vs. 小红:
支持小明的:4人 (偏好 小明 > 小红)
支持小红的:3人 (偏好 小红 > 小明) + 3人 (偏好 小红 > 小刚 > 小明) = 6人
结果:小红 击败 小明 (6票对4票)

2. 小红 vs. 小刚:
支持小红的:4人 (偏好 小红 > 小刚) + 3人 (偏好 小红 > 小刚 > 小明) = 7人
支持小刚的:3人 (偏好 小刚 > 小明 > 小红)
结果:小红 击败 小刚 (7票对3票)

3. 小刚 vs. 小明:
支持小刚的:3人 (偏好 小刚 > 小明) + 3人 (偏好 小刚 > 小明 > 小红) = 6人
支持小明的:4人 (偏好 小明 > 小红 > 小刚)
结果:小刚 击败 小明 (6票对4票)

看出问题来了吗?

小红击败了小明。
小红击败了小刚。

按照这个逻辑,小红似乎应该是赢家,因为她能“击败”所有人。这似乎符合孔多塞标准。

但是! 如果投票者的偏好稍有不同,我们可能会看到循环:

另一种投票偏好示例:

10个投票者,其中:
4人 的偏好是:小明 > 小红 > 小刚
3人 的偏好是:小红 > 小刚 > 小明
3人 的偏好是:小刚 > 小明 > 小红

一对一比较(结果变化):

1. 小明 vs. 小红:
支持小明的:4人 (偏好 小明 > 小红) + 3人 (偏好 小刚 > 小明 > 小红) = 7人
支持小红的:3人 (偏好 小红 > 小刚 > 小明)
结果:小明 击败 小红 (7票对3票)

2. 小红 vs. 小刚:
支持小红的:4人 (偏好 小明 > 小红 > 小刚) + 3人 (偏好 小红 > 小刚 > 小明) = 7人
支持小刚的:3人 (偏好 小刚 > 小明 > 小红)
结果:小红 击败 小刚 (7票对3票)

3. 小刚 vs. 小明:
支持小刚的:3人 (偏好 小刚 > 小明 > 小红) + 3人 (偏好 小红 > 小刚 > 小明) = 6人
支持小明的:4人 (偏好 小明 > 小红 > 小刚)
结果:小刚 击败 小明 (6票对4票)

现在我们看到一个循环了!

小明击败了小红。
小红击败了小刚。
小刚击败了小明!

这就像是一个“石头剪刀布”的游戏,每个选项都能“赢”过另一个,但没有一个能赢过所有的。在这种情况下,我们根本无法根据大多数人的偏好,选出一个明确的、不受挑战的赢家。这就是孔多塞悖论。

孔多塞悖论的启示:

个体理性的集合不必然导致集体理性: 每个投票者都清楚自己要什么,但把大家的意愿加在一起,结果就变得混沌不清了。
多数决的局限性: 简单多数决很容易受到少数几票的影响,而像孔多塞标准这样的“更公平”的规则,在某些情况下也可能失效。
现实投票系统的困境: 这也是为什么现实中的投票系统(比如我们用的选举制度)总是要面对如何处理这种潜在的不确定性,比如设置决胜规则(平局时怎么办?)、或者使用能避免这种循环的计票方法。

阿罗不可能定理(Arrow's Impossibility Theorem):天下真没有完美的投票规则吗?

最后,咱们来聊聊这个听起来就有点“绝望”的定理——阿罗不可能定理。这可是经济学诺贝尔奖得主肯尼斯·阿罗(Kenneth Arrow)提出的,简直是社会选择理论里的“圣经”。

简单来说,阿罗不可能定理告诉我们:在至少有三个以上备选项的情况下,任何一种旨在将个人偏好转化为社会偏好的投票规则,只要它试图满足几个看似非常合理的要求,就必然会违反其中至少一个。换句话说,不存在一个能够同时满足所有理想条件的投票规则。

这就像是在说:“你想让投票规则又公平、又听话、又稳定、又不受干扰……行,没问题,但你总得舍弃一点点什么。”

阿罗定理里提到的几个“看起来非常合理”的条件,通常包括(具体表述可能略有出入,但核心意思差不多):

1. 普遍性(Unrestricted Domain): 规则应该能够处理所有可能的个人偏好排序。也就是说,投票者可以以任何他们想要的顺序来排列候选人,规则都能给出结果。
2. 非强迫性(Nondictatorship): 不应该存在一个“独裁者”,他们的偏好直接决定了整个社会的偏好,而忽略了其他所有人的意见。
3. 帕累托最优(Pareto Optimality): 如果所有人都认为选项A比选项B好,那么社会的偏好也应该反映出A比B好。这叫做“帕累托一致性”或“匿名性”的体现,是公平性的基本要求。
4. 独立于无关选项(Independence of Irrelevant Alternatives IIA): 社会对两个选项A和B的偏好,只应该取决于投票者对A和B各自的偏好,而不应该受到其他无关选项(比如选项C)的存在或不存在的影响。
5. 集体理性(Collective Rationality): 社会的偏好排序也应该具有传递性,就像个体偏好的传递性一样。也就是说,如果社会认为A>B,B>C,那么社会也应该认为A>C。(这就和孔多塞悖论联系上了,一些规则可能会破坏这个条件)。

阿罗用了非常严谨的数学方法证明,只要你希望你的投票系统能够处理至少三个选项,并且满足前面提到的几个看起来非常基本、也非常公平的要求(尤其是普遍性、非强迫性、帕累托最优和独立性),那么你必然会在“集体理性”这个点上出问题。换句话说,你选出的社会偏好,可能会出现像孔多塞悖论那样的循环,或者无法提供一个明确的、普遍适用的排名。

阿罗不可能定理的冲击波:

没有完美的投票系统: 这是最直接的结论。无论你设计多么精巧的投票规则,都无法达到人们心中“最理想”的那个完美状态。你总得在公平性、效率、稳定性等方面做出权衡。
揭示了集体决策的内在困境: 它让我们明白,将无数独立的个人意愿汇聚成一个统一的集体意愿,是一个非常困难,甚至在某些维度上是不可能完成的任务。
对民主实践的警示: 它提醒我们,任何民主制度的设计,都必须认识到其固有的局限性。理解这些局限性,才能更好地改进和完善我们的决策过程,而不是奢望找到那个“万能药”。
为特定投票规则辩护(或攻击): 比如,波达规则虽然看起来不错,但它在“独立于无关选项”这一点上是有问题的。如果新增或删减一个候选人,可能会影响原有的排序结果。而孔多塞标准在“集体理性”上可能失效(如孔多塞悖论所示)。阿罗定理就提供了一个框架,让我们能分析和评价不同投票规则的优缺点。

总结一下这三兄弟的关系:

波达规则 是一种具体的投票方法,它试图通过打分来综合考虑每个人的所有偏好,比简单的多数决更全面,但也有它的缺陷(比如容易被策略性操作)。
孔多塞悖论 则揭示了另一种投票规则(基于一对一比较)可能出现的“集体理性失效”问题,即可能出现循环,无法产生明确赢家。
阿罗不可能定理 是一个更宏观的“理论上的判决书”,它证明了任何试图公平地将个人偏好转化为集体偏好的方法,都无法同时满足所有我们认为“应该”具备的公平条件。这就像是给所有投票规则设下了一个“不可逾越的雷区”。

所以,下次你看到投票结果,或者听到关于选举制度的讨论,不妨想想这几个概念。它们背后隐藏着关于集体决策的深刻洞察,也解释了为什么我们总是要在各种不完美中寻找最能接受的方案。这就像是在一个永远无法完美画出的图上,尽力画出一条相对好看的曲线。

网友意见

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其实我没太懂题主的问题在哪里……感觉上题主的困惑主要来自于逻辑学而非经济学……

注意到:

阿罗不可能定理说的是,不存在一种规则同时满足A、B、C、D四种性质,用数理逻辑的方式写出来就是最左边那个。

题主所举的证明说的是,若一种规则同时满足A、B、C,则必定不满足D,用数理逻辑的方式写出来就是右数第二个。

而博达计数法或是孔多塞悖论说,若的是一种规则同时满足A、B、D,则必定不满足C,用数理逻辑的方式写出来就是最右边那个。

然而这些都是等价命题(真值相同),所以无所谓。

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