Det är nästan omöjligt för människor att rita opartiska kartor, även när de försöker.

En ny matematisk metod som utvecklats av Cornell-forskare kan injicera rättvisa i den svåra processen med politisk omdirigering – och bevisar att det krävs mer än goda avsikter för att skapa ett rättvist och representativt distrikt.

Tvåstegsmetoden, beskrivs i tidningen, "Fairmandering:A Column Generation Heuristic for Fairness Optimized Political Districting, " skapar först miljarder potentiella valkartor för varje stat, och identifierar sedan algoritmiskt en rad möjligheter som uppfyller de önskade kriterierna för rättvisa.

"Fairmandering" vann INFORMS Undergraduate Operations Research Prize, tilldelas den bästa grundutbildningen, vid årsmötet 8-11 november INFORMER, det ledande mötet för experter inom operationsforskning och analys. Första författare är Wes Gurnee '20, nu mjukvaruingenjör på Google.

Det amerikanska kongressdistriktssystemet ger politikerna befogenhet att manipulera distriktsgränser för att påverka valresultaten. Distrikt kan dras av det parti som har makten för att inkludera ett stort antal människor i sitt parti, en process som kallas gerrymandering, påverka valresultatet och bestämma politisk kontroll på lokal och nationell nivå.

Det är en brådskande fråga - särskilt när stater förbereder sig för den decenniella omdistricteringen nästa år, baserat på resultaten från 2020 års folkräkning.

"Framsteg inom datavetenskap har hjälpt partierna att bli bättre och bättre på att utforma distrikt för att behålla politisk kontroll, " sa medförfattaren David Shmoys, Laibe/Acheson professor i företagsledning och ledarskapsstudier vid School of Operations Research and Information Engineering. "Vi ville erbjuda ett helt annat perspektiv som går till kärnan av vad det innebär att göra ett rättvist distrikt, och att lägga algoritmiska verktyg i beslutsfattares händer som tillåter dem att göra rätt sak."

I forskningen, den största studien någonsin av lagliga kongressdistriktskartor, Gurnee och Shmoys försökte skapa valkartor med rättvisa utfall – de som exakt återspeglar en stats politiska lutningar, skapa tillräckligt med konkurrenskraftiga lopp för att säkerställa ansvarsskyldighet och behandla varje part symmetriskt.

Tidigare forskning har försökt använda beräkningsmetoder för att rita opartiska distrikt. Men dessa ansträngningar har ignorerat politiska och demografiska faktorer, förutsatt att så kallade "kompakta" distrikt – de konstruerade i regelbundna former baserat på plats – skulle vara rättvisa.

Men även då, forskarna fann, den demografiska och politiska sammansättningen av distriktet är sannolikt inte representativ för hela statens politiska inriktning.

"Historiskt sett, det har funnits denna uppfattning att en karta ritad slumpmässigt, utan politisk partiskhet eller partisk information, är till sin natur rättvis, ", sa Gurnee. "Även om det är sant att dessa kartor är blinda för partisk partiskhet, de är inte fria från partisk partiskhet."

Istället för att göra rimligt formade distrikt till målet, forskarna byggde i form som en faktor i sin modell, som snabbt kan generera miljarder möjliga valkartor för varje stat.

"Du behöver en tillräckligt rik uppsättning sätt att lägga pusslet så att du har en mångfald av möjliga resultat, "Shmoys sa, "men du behöver också att den är tillräckligt uttrycksfull för att ge dig det utbud av rättvisa resultat du vill ha."

När de väl har skapat kartorna, forskarna använde verktygen för heltalsprogrammering – ett ramverk för matematisk modellering där de senaste framstegen gjorde det möjligt för dem att lösa ett mycket storskaligt problem – för att utvärdera kartorna för rättvisa.

Även om forskarna valde en balanserad representation av politisk tillhörighet som deras definition av rättvisa i studien, andra demografiska faktorer kan övervägas. Modellen kan även gälla statliga och lokala representativa kartor, förutom kongressdistrikt.

Gurnee har startat en organisation som heter Fairmandering för att främja forskningens principer.

"Det är inte den geografiska formen av distriktet som är viktigt - det är verkligen att tänka på mer holistiska principer för vad det innebär att göra en rättvis distriktsförvaltning, " Sa Shmoys. "Vi hoppas att detta verkligen kommer att påverka konversationen som kommer att äga rum stat för stat under det kommande och ett halvt året, både på kongressnivå och statlig lagstiftande nivå."