Development of new scenario decomposition techniques for linear and nonlinear stochastic programming

Une approche classique pour traiter les problèmes d’optimisation avec incertitude à deux- et multi-étapes est d’utiliser l’analyse par scénario. Pour ce faire, l’incertitude de certaines données du problème est modélisée par vecteurs aléatoires avec des supports finis spécifiques aux étapes. Chacune de ces réalisations représente un scénario. En utilisant des scénarios, il est possible d’étudier des versions plus simples (sous-problèmes) du problème original. Comme technique de décomposition par scénario, l’algorithme de recouvrement progressif est une des méthodes les plus populaires pour résoudre les problèmes de programmation stochastique multi-étapes. Malgré la décomposition complète par scénario, l’efficacité de la méthode du recouvrement progressif est très sensible à certains aspects pratiques, tels que le choix du paramètre de pénalisation et la manipulation du terme quadratique dans la fonction objectif du lagrangien augmenté. Pour le choix du paramètre de pénalisation, nous examinons quelques-unes des méthodes populaires, et nous proposons une nouvelle stratégie adaptive qui vise à mieux suivre le processus de l’algorithme. Des expériences numériques sur des exemples de problèmes stochastiques linéaires multi-étapes suggèrent que la plupart des techniques existantes peuvent présenter une convergence prématurée à une solution sous-optimale ou converger vers la solution optimale, mais avec un taux très lent. En revanche, la nouvelle stratégie paraît robuste et efficace. Elle a convergé vers l’optimalité dans toutes nos expériences et a été la plus rapide dans la plupart des cas. Pour la question de la manipulation du terme quadratique, nous faisons une revue des techniques existantes et nous proposons l’idée de remplacer le terme quadratique par un terme linéaire. Bien que qu’il nous reste encore à tester notre méthode, nous avons l’intuition qu’elle réduira certaines difficultés numériques et théoriques de la méthode de recouvrement progressif.

Investment Under Demand Uncertainty: the Newsboy Problem Revisited.

In this article we study the effect of uncertainty on an entrepreneur who must choose the capacity of his business before knowing the demand for his product. The unit profit of operation is known with certainty but there is no flexibility in our one-period framework. We show how the introduction of global uncertainty reduces the investment of the risk neutral entrepreneur and, even more, that the risk averse one. We also show how marginal increases in risk reduce the optimal capacity of both the risk neutral and the risk averse entrepreneur, without any restriction on the concave utility function and with limited restrictions on the definition of a mean preserving spread. These general results are explained by the fact that the newsboy has a piecewise-linear, and concave, monetary payoff witha kink endogenously determined at the level of optimal capacity. Our results are compared with those in the two literatures on price uncertainty and demand uncertainty, and particularly, with the recent contributions of Eeckhoudt, Gollier and Schlesinger (1991, 1995).

Relative Uncertainty and Additively Representable Set Rankings

This paper proposes a definition of relative uncertainty aversion for decision models under complete uncertainty. It is shown that, for a large class of decision rules characterized by a set of plausible axioms, the new criterion yields a complete ranking of those rules with respect to the relative degree of uncertainty aversion they represent. In addition, we address a combinatorial question that arises in this context, and we examine conditions for the additive representability of our rules.

Investment Under Demand Uncertainty: the Newsboy Problem Revisited.

In this article we study the effect of uncertainty on an entrepreneur who must choose the capacity of his business before knowing the demand for his product. The unit profit of operation is known with certainty but there is no flexibility in our one-period framework. We show how the introduction of global uncertainty reduces the investment of the risk neutral entrepreneur and, even more, that the risk averse one. We also show how marginal increases in risk reduce the optimal capacity of both the risk neutral and the risk averse entrepreneur, without any restriction on the concave utility function and with limited restrictions on the definition of a mean preserving spread. These general results are explained by the fact that the newsboy has a piecewise-linear, and concave, monetary payoff witha kink endogenously determined at the level of optimal capacity. Our results are compared with those in the two literatures on price uncertainty and demand uncertainty, and particularly, with the recent contributions of Eeckhoudt, Gollier and Schlesinger (1991, 1995).

The Efficient Use of Multiple Sources of a Nonrenewable Resource under Supply Cost Uncertainty

Uncertainties as to future supply costs of nonrenewable natural resources, such as oil and gas, raise the issue of the choice of supply sources. In a perfectly deterministic world, an efficient use of multiple sources of supply requires that any given market exhausts the supply it can draw from a low cost source before moving on to a higher cost one; supply sources should be exploited in strict sequence of increasing marginal cost, with a high cost source being left untouched as long as a less costly source is available. We find that this may not be the efficient thing to do in a stochastic world. We show that there exist conditions under which it can be efficient to use a risky supply source in order to conserve a cheaper non risky source. The benefit of doing this comes from the fact that it leaves open the possibility of using it instead of the risky source in the event the latter’s future cost conditions suddenly deteriorate. There are also conditions under which it will be efficient to use a more costly non risky source while a less costly risky source is still available. The reason is that this conserves the less costly risky source in order to use it in the event of a possible future drop in its cost.

Revealed Preference and Choice under Uncertainty

We employ the theory of rational choice to examine whether observable choices from feasible sets of prospects can be generated by the optimization of some underlying decision criterion under uncertainty. Rather than focusing on a specific theory of choice, our objective is to formulate a general approach that is designed to cover the various decision criteria that have been proposed in the literature. We use a mild dominance property to define a class of suitable choice criteria. In addition to rationalizability per se, we characterize transitive and Suzumura consistent rationalizability in the presence of dominance.

Caractérisation de la composante toxicocinétique du facteur d’ajustement pour la variabilité interindividuelle utilisé en analyse du risque toxicologique

Un facteur d’incertitude de 10 est utilisé par défaut lors de l’élaboration des valeurs toxicologiques de référence en santé environnementale, afin de tenir compte de la variabilité interindividuelle dans la population. La composante toxicocinétique de cette variabilité correspond à racine de 10, soit 3,16. Sa validité a auparavant été étudiée sur la base de données pharmaceutiques colligées auprès de diverses populations (adultes, enfants, aînés). Ainsi, il est possible de comparer la valeur de 3,16 au Facteur d’ajustement pour la cinétique humaine (FACH), qui constitue le rapport entre un centile élevé (ex. : 95e) de la distribution de la dose interne dans des sous-groupes présumés sensibles et sa médiane chez l’adulte, ou encore à l’intérieur d’une population générale. Toutefois, les données expérimentales humaines sur les polluants environnementaux sont rares. De plus, ces substances ont généralement des propriétés sensiblement différentes de celles des médicaments. Il est donc difficile de valider, pour les polluants, les estimations faites à partir des données sur les médicaments. Pour résoudre ce problème, la modélisation toxicocinétique à base physiologique (TCBP) a été utilisée pour simuler la variabilité interindividuelle des doses internes lors de l’exposition aux polluants. Cependant, les études réalisées à ce jour n’ont que peu permis d’évaluer l’impact des conditions d’exposition (c.-à-d. voie, durée, intensité), des propriétés physico/biochimiques des polluants, et des caractéristiques de la population exposée sur la valeur du FACH et donc la validité de la valeur par défaut de 3,16. Les travaux de la présente thèse visent à combler ces lacunes. À l’aide de simulations de Monte-Carlo, un modèle TCBP a d’abord été utilisé pour simuler la variabilité interindividuelle des doses internes (c.-à-d. chez les adultes, ainés, enfants, femmes enceintes) de contaminants de l’eau lors d’une exposition par voie orale, respiratoire, ou cutanée. Dans un deuxième temps, un tel modèle a été utilisé pour simuler cette variabilité lors de l’inhalation de contaminants à intensité et durée variables. Ensuite, un algorithme toxicocinétique à l’équilibre probabiliste a été utilisé pour estimer la variabilité interindividuelle des doses internes lors d’expositions chroniques à des contaminants hypothétiques aux propriétés physico/biochimiques variables. Ainsi, les propriétés de volatilité, de fraction métabolisée, de voie métabolique empruntée ainsi que de biodisponibilité orale ont fait l’objet d’analyses spécifiques. Finalement, l’impact du référent considéré et des caractéristiques démographiques sur la valeur du FACH lors de l’inhalation chronique a été évalué, en ayant recours également à un algorithme toxicocinétique à l’équilibre. Les distributions de doses internes générées dans les divers scénarios élaborés ont permis de calculer dans chaque cas le FACH selon l’approche décrite plus haut. Cette étude a mis en lumière les divers déterminants de la sensibilité toxicocinétique selon le sous-groupe et la mesure de dose interne considérée. Elle a permis de caractériser les déterminants du FACH et donc les cas où ce dernier dépasse la valeur par défaut de 3,16 (jusqu’à 28,3), observés presqu’uniquement chez les nouveau-nés et en fonction de la substance mère. Cette thèse contribue à améliorer les connaissances dans le domaine de l’analyse du risque toxicologique en caractérisant le FACH selon diverses considérations.

Contracting for innovation under knightian uncertainty

At any given point in time, the collection of assets existing in the economy is observable. Each asset is a function of a set of contingencies. The union taken over all assets of these contingencies is what we call the set of publicly known states. An innovation is a set of states that are not publicly known along with an asset (in a broad sense) that pays contingent on those states. The creator of an innovation is an entrepreneur. He is represented by a probability measure on the set of new states. All other agents perceive the innovation as ambiguous: each of them is represented by a set of probabilities on the new states. The agents in the economy are classified with respect to their attitude towards this Ambiguity: the financiers are (locally) Ambiguity-seeking while the consumers are Ambiguity-averse. An entrepreneur and a financier come together when the former seeks funds to implement his project and the latter seeks new profit opportunities. The resulting contracting problem does not fall within the standard theory due to the presence of Ambiguity (on the financier’s side) and to the heterogeneity in the parties’ beliefs. We prove existence and monotonicity (i.e., truthful revelation) of an optimal contract. We characterize such a contract under the additional assumption that the financiers are globally Ambiguity-seeking. Finally, we re-formulate our results in an insurance framework and extend the classical result of Arrow [4] and the more recent one of Ghossoub. In the case of an Ambiguity-averse insurer, we also show that an optimal contract has the form of a generalized deductible.