Введение

Математическая задача, связанная с оптимальной теорией остановки. Проблема секретаря демонстрирует сценарий, иллюстрирующий оптимальную теорию остановки, которая широко изучается в областях прикладной вероятности, статистики и теории принятия решений. Она также известна как проблема выбора супруга, проблема приданого султана, проблема привередливого жениха, игра «гугол» и проблема наилучшего выбора. Её решение также известно как правило 37%. Основная формулировка задачи следующая: представьте администратора, желающего нанять лучшего секретаря из числа соискателей на должность. Собеседования с соискателями проводятся по одному в случайном порядке. Решение о каждом конкретном соискателе должно быть принято сразу после собеседования. Отклоненный соискатель не может быть возвращен. В ходе собеседования администратор получает достаточно информации, чтобы оценить соискателя среди всех прошедших собеседование до этого момента, но не знает о качестве ещё не просмотренных соискателей. Задача состоит в определении оптимальной стратегии (правила остановки) для максимизации вероятности выбора лучшего соискателя. Если решение можно отложить до конца, то её можно решить с помощью простого алгоритма выбора максимума, заключающегося в отслеживании текущего максимума (и того, кто его достиг) и выборе общего максимума в конце. Сложность заключается в том, что решение должно быть принято немедленно. Наиболее короткое строгое доказательство на данный момент предоставляет алгоритм шансов. Он показывает, что оптимальная вероятность выигрыша всегда не меньше (где e — основание натурального логарифма), и что это справедливо в гораздо более общем случае. Правило оптимальной остановки предписывает всегда отклонять первых соискателей, прошедших собеседование, а затем останавливаться на первом соискателе, который лучше всех прошедших собеседование до этого момента (или продолжать до последнего соискателя, если это никогда не происходит). Иногда эта стратегия называется правилом остановки, поскольку вероятность выбора лучшего соискателя с использованием этой стратегии уже составляет около для умеренных значений 1. Одна из причин, по которой проблема секретаря привлекает так много внимания, заключается в том, что оптимальная стратегия для этой задачи (правило остановки) проста и выбирает единственного лучшего кандидата примерно в 37% случаев, независимо от того, 100 или 100 миллионов соискателей.

Альтернативное решение

Эта проблема и несколько модификаций могут быть решены (включая доказательство оптимальности) достаточно просто с помощью алгоритма шансов, который также имеет и другие применения. Модификации задачи о секретарше, решаемые этим алгоритмом, включают случайное появление кандидатов, более общие предположения о том, какие кандидаты могут представлять интерес для принимающего решение, групповые собеседования с кандидатами, а также некоторые модели для случайного числа кандидатов.

Ограничения

Решение проблемы секретаря имеет смысл только в том случае, если оправдано предположение, что кандидаты не осведомлены о применяемой стратегии принятия решений, поскольку у ранних кандидатов вообще нет шансов и они могут не явиться в противном случае. Важным недостатком при применении решения классической задачи о секретаре является то, что число кандидатов должно быть известно заранее, что встречается редко. Один из способов преодолеть эту проблему – предположить, что число кандидатов является случайной величиной с известным распределением (Presman и Sonin, 1972). Однако для этой модели оптимальное решение, как правило, значительно сложнее. Более того, оптимальная вероятность успеха теперь не приближается к 1/e, а обычно ниже. Это можно объяснить тем, что за незнание числа кандидатов приходится платить. Однако в этой модели цена высока. В зависимости от выбора распределения, оптимальная вероятность выигрыша может стремиться к нулю. Поиск способов справиться с этой новой проблемой привёл к созданию новой модели, породившей так называемый закон 1/e наилучшего выбора.

Решение

Для , если Боб играет оптимальную стратегию остановки по относительному рангу, то вероятность выигрыша Боба равна 1/2. Удивительно, но у Алисы нет стратегии минимакса, что тесно связано с парадоксом Т. Ковера и парадоксом двух конвертов. В частности, Боб может использовать следующую стратегию: сгенерировать случайное число. Если , то выбрать , иначе выбрать . Теперь Боб может выиграть с вероятностью строго больше 1/2. Предположим, числа Алисы различны, тогда при условии , Боб выигрывает с вероятностью 1/2, а при условии , Боб выигрывает с вероятностью 1. Следует отметить, что случайное число можно выбирать из любого распределения, если только его вероятность ненулевая. Однако для любого , Алиса может построить взаимозаменяемую последовательность, такую что вероятность выигрыша Боба не превышает . Но для , ответ утвердительный: Алиса может выбирать случайные числа (являющиеся зависимыми случайными величинами) таким образом, что Боб не сможет играть лучше, чем с использованием классической стратегии остановки, основанной на относительных рангах.

Эвристическая производительность

В остальной части статьи вновь рассматривается задача о секретарше для известного числа кандидатов. Авторы вывели ожидаемые вероятности успеха для нескольких психологически правдоподобных эвристик, которые могут быть применены в этой задаче. Рассмотренные эвристики следующие:
Правило отсечения (CR): не принимать первых y кандидатов; после этого выбирать первого встретившегося кандидата (то есть кандидата с относительным рангом 1). Это правило включает в себя в качестве частного случая оптимальную стратегию для классической задачи о секретарше, при которой y = r.
Правило подсчета кандидатов (CCR): выбирать y-го встретившегося кандидата. Следует отметить, что это правило не обязательно предполагает пропуск каких-либо кандидатов; оно учитывает только количество просмотренных кандидатов, а не позицию принимающего решение в последовательности кандидатов. Правило последовательного отбора после отказа (SNCR): выбирать первого встретившегося кандидата после просмотра y кандидатов, которым было отказано (то есть кандидатов с относительным рангом > 1). Каждая эвристика имеет единственный параметр y. На рисунке (справа) показаны ожидаемые вероятности успеха для каждой эвристики в зависимости от y для задач с n = 80.

Другие изменения

Существует несколько вариантов задачи о секретарше, которые также имеют простые и изящные решения.

Выберите второго по успеваемости, используя одну попытку

Один из вариантов заключается в замене стремления выбрать лучшее на стремление выбрать второй лучший вариант. Роберт Дж. Вандербей называет это "проблемой постдока", утверждая, что "лучшие" поступят в Гарвард. Для этой задачи вероятность успеха при четном количестве кандидатов равна точно [формула]. Эта вероятность стремится к 1/4 при увеличении n до бесконечности, что иллюстрирует тот факт, что выбрать лучшего проще, чем второй лучший.

Выберите верхние k, используя k попыток

Рассмотрим задачу выбора k лучших секретарей из n кандидатов, используя k попыток. В общем случае, оптимальный метод принятия решения заключается в наблюдении за кандидатами без выбора кого-либо из них, а затем в выборе каждого кандидата, который лучше, чем все ранее просмотренные, до тех пор, пока не закончатся кандидаты или попытки. Если величина k остается постоянной при стремлении n к бесконечности, то вероятность успеха стремится к 1/e. Если k = n/2, то вероятность успеха равна 1/2.

Выберите лучшее, используя несколько попыток

В этом варианте игроку предоставляется выбор, и он выигрывает, если хотя бы один из выборов является наилучшим. Оптимальная стратегия для этой задачи относится к классу стратегий, определяемых набором пороговых чисел, где, в частности, представьте, что у вас есть письма о приеме, пронумерованные от 1 до n. У вас будет n сотрудников по приему, каждый из которых держит одно письмо. Вы продолжаете проводить собеседования с кандидатами и ранжировать их на диаграмме, которую может видеть каждый сотрудник. Теперь сотрудник отправит письмо о приеме первому кандидату, который превосходит всех кандидатов от 1 до k (неотправленные письма о приеме по умолчанию передаются последним кандидатам, как и в стандартной задаче о секретарше). При n, стремящемся к бесконечности, каждый k стремится к n, умноженному на некоторое рациональное число.

Вероятность выигрыша

Когда , вероятность выигрыша стремится к . В более общем случае, для положительных целых чисел , вероятность выигрыша стремится к , где вычисляется до , а общий алгоритм был предложен . Например, .

Экспериментальные исследования

Экспериментальные психологи и экономисты изучали процесс принятия решений реальными людьми в ситуациях, подобных "проблеме секретаря". В значительной степени, эти исследования показали, что люди, как правило, прекращают поиск слишком рано. Это может быть объяснено, как минимум частично, стоимостью оценки кандидатов. В реальных ситуациях это может свидетельствовать о том, что люди недостаточно тщательно ищут, когда сталкиваются с задачами, в которых варианты решения представляются последовательно. Например, выбирая заправку на шоссе, люди могут останавливаться, не проверив достаточное количество вариантов. Если это так, то они, вероятно, будут платить больше за топливо, чем если бы потратили больше времени на поиск. То же самое может относиться и к поиску авиабилетов в интернете. Экспериментальные исследования подобных проблем, таких как "проблема секретаря", иногда называют поведенческими исследованиями операций.

Нейронные корреляты

Хотя существует значительный объем исследований в области нейробиологии, посвященных интеграции информации или представлению убеждений в задачах принятия решений, использующих как животных, так и людей, относительно мало известно о том, как принимается решение о прекращении сбора информации. Исследователи изучили нейронные механизмы решения задачи секретаря у здоровых добровольцев с использованием функциональной МРТ. Для количественной оценки выгоды продолжения поиска по сравнению с выбором текущего варианта была использована марковская модель принятия решений (MDP). Выбор варианта или отказ от него активировали париетальную и дорсолатеральную префронтальную кору, а также вентральную стриатуму, переднюю инсулу и переднюю поясную кору. Таким образом, области мозга, ранее связанные с интеграцией данных и представлением вознаграждения, кодируют пересечение пороговых значений, которые запускают принятие решения.

История

Проблема секретарей была, по-видимому, введена в 1949 году Мерриллом М. Фладом, который назвал её проблемой невесты в лекции, прочитанной им в том же году. Он упоминал о ней несколько раз в 1950-х годах, например, на конференции в Пердью 9 мая 1958 года, и со временем она стала широко известна в устной традиции, хотя в то время ничего не было опубликовано. В 1958 году он отправил письмо Леонарду Гиллману с копиями дюжине друзей, включая Сэмюэля Карлина и Дж. Роббинса, изложив в нём доказательство оптимальной стратегии, с приложением от Р. Палермо, который доказал, что все стратегии уступают стратегии вида "отклонить первые p кандидатов безусловно, а затем принять следующего кандидата, который окажется лучше". Первая публикация, по-видимому, состоялась благодаря Мартину Гарднеру в журнале Scientific American в феврале 1960 года. Он узнал об этой проблеме от Джона Х. Фокса-младшего и Л. Джеральда Марни, которые независимо друг от друга сформулировали аналогичную задачу в 1958 году; они назвали её «игрой в гугол». Фокс и Марни не знали оптимального решения; Гарднер обратился за советом к Лео Мозеру, который (совместно с Дж. Р. Пундером) предоставил верный анализ для публикации в журнале. Вскоре после этого несколько математиков написали Гарднеру, чтобы рассказать ему об эквивалентной проблеме, о которой они слышали по слухам, и все эти сведения, скорее всего, восходят к первоначальной работе Флуда. Закон оптимального выбора 1/e принадлежит Ф. Томасу Брюссу. Фергюсон приводит обширную библиографию и отмечает, что аналогичную (но отличную) проблему рассматривал Артур Кейли в 1875 году, а ещё раньше – Иоганн Кеплер, который в течение 1611–1613 годов, после смерти своей первой жены, два года изучал 11 кандидатур в жёны.

Комбинаторное обобщение

Проблема секретаря может быть обобщена на случай, когда существует несколько различных вакансий. Снова, кандидаты поступают в случайном порядке. Когда появляется кандидат, она предоставляет набор неотрицательных чисел. Каждое число указывает на её квалификацию для одной из вакансий. Администратор должен решить, принимать кандидата или нет, и в случае принятия – навсегда назначить её на одну из вакансий. Цель состоит в том, чтобы найти такое назначение, при котором сумма квалификаций будет максимально возможной. Эта задача эквивалентна поиску максимального взвешенного паросочетания в двудольном графе с весами на ребрах, где вершины одной доли поступают в онлайн-режиме в случайном порядке. Таким образом, это частный случай задачи онлайн-паросочетания в двудольном графе. Обобщение классического алгоритма для задачи секретаря позволяет получить назначение, в котором ожидаемая сумма квалификаций лишь на определенный фактор меньше, чем в оптимальном (оффлайн) назначении.