Unidirectional quantum walks: Evolution and exit times

In this paper we focus our attention on a particle that follows a unidirectional quantum walk, an alternative version of the currently widespread discrete-time quantum walk on a line. Here the walker at each time step can either remain in place or move in a fixed direction, e.g., rightward or upward. While both formulations are essentially equivalent, the present approach leads us to consider discrete Fourier transforms, which eventually results in obtaining explicit expressions for the wave functions in terms of finite sums and allows the use of efficient algorithms based on the fast Fourier transform. The wave functions here obtained govern the probability of finding the particle at any given location but determine as well the exit-time probability of the walker from a fixed interval, which is also analyzed.

Front Speed of Language Replacement

We use two coupled equations to analyze the space-time dynamics of two interacting languages. Firstly, we introduce a cohabitation model, which is more appropriate for human populations than classical (non-cohabitation) models. Secondly, using numerical simulations we nd the front speed of a new language spreading into a region where another language was previously used. Thirdly, for a special case we derive an analytical formula that makes it possible to check the validity of our numerical simulations. Finally, as an example, we nd that the observed front speed for the spread of the English language into Wales in the period 1961-1981 is consistent with the model predictions. We also nd that the e¤ects of linguistic parameters are much more important than those of parameters related to population dispersal and reproduction. If the initial population densities of both languages are similar, they have no e¤ect on the front speed. We outline the potential of the new model to analyze relationships between language replacement and genetic replacement

Mechanistic population Models in Biology: Model Derivation and Application

In general, models of ecological systems can be broadly categorized as ’top-down’ or ’bottom-up’ models, based on the hierarchical level that the model processes are formulated on. The structure of a top-down, also known as phenomenological, population model can be interpreted in terms of population characteristics, but it typically lacks an interpretation on a more basic level. In contrast, bottom-up, also known as mechanistic, population models are derived from assumptions and processes on a more basic level, which allows interpretation of the model parameters in terms of individual behavior. Both approaches, phenomenological and mechanistic modelling, can have their advantages and disadvantages in different situations. However, mechanistically derived models might be better at capturing the properties of the system at hand, and thus give more accurate predictions. In particular, when models are used for evolutionary studies, mechanistic models are more appropriate, since natural selection takes place on the individual level, and in mechanistic models the direct connection between model parameters and individual properties has already been established. The purpose of this thesis is twofold. Firstly, a systematical way to derive mechanistic discrete-time population models is presented. The derivation is based on combining explicitly modelled, continuous processes on the individual level within a reproductive period with a discrete-time maturation process between reproductive periods. Secondly, as an example of how evolutionary studies can be carried out in mechanistic models, the evolution of the timing of reproduction is investigated. Thus, these two lines of research, derivation of mechanistic population models and evolutionary studies, are complementary to each other.

Method of numerical correction of errors occasioned by delay of records during the monitoring of environmental variables of interest for animal production

Thermal and air conditions inside animal facilities change during the day due to the influence of the external environment. For statistical and geostatistical analyses to be representative, a large number of points spatially distributed in the facility area must be monitored. This work suggests that the time variation of environmental variables of interest for animal production, monitored within animal facility, can be modeled accurately from discrete-time records. The aim of this study was to develop a numerical method to correct the temporal variations of these environmental variables, transforming the data so that such observations are independent of the time spent during the measurement. The proposed method approached values recorded with time delays to those expected at the exact moment of interest, if the data were measured simultaneously at the moment at all points distributed spatially. The correction model for numerical environmental variables was validated for environmental air temperature parameter, and the values corrected by the method did not differ by Tukey's test at 5% significance of real values recorded by data loggers.

The knapsack problem approach in solving partial hedging problems of options

En option är ett finansiellt kontrakt som ger dess innehavare en rättighet (men medför ingen skyldighet) att sälja eller köpa någonting (till exempel en aktie) till eller från säljaren av optionen till ett visst pris vid en bestämd tidpunkt i framtiden. Den som säljer optionen binder sig till att gå med på denna framtida transaktion ifall optionsinnehavaren längre fram bestämmer sig för att inlösa optionen. Säljaren av optionen åtar sig alltså en risk av att den framtida transaktion som optionsinnehavaren kan tvinga honom att göra visar sig vara ofördelaktig för honom. Frågan om hur säljaren kan skydda sig mot denna risk leder till intressanta optimeringsproblem, där målet är att hitta en optimal skyddsstrategi under vissa givna villkor. Sådana optimeringsproblem har studerats mycket inom finansiell matematik. Avhandlingen "The knapsack problem approach in solving partial hedging problems of options" inför en ytterligare synpunkt till denna diskussion: I en relativt enkel (ändlig och komplett) marknadsmodell kan nämligen vissa partiella skyddsproblem beskrivas som så kallade kappsäcksproblem. De sistnämnda är välkända inom en gren av matematik som heter operationsanalys. I avhandlingen visas hur skyddsproblem som tidigare lösts på andra sätt kan alternativt lösas med hjälp av metoder som utvecklats för kappsäcksproblem. Förfarandet tillämpas även på helt nya skyddsproblem i samband med så kallade amerikanska optioner.

Pulse response based control for positive definite systems

Pulse Response Based Control (PRBC) is a recently developed minimum time control method for flexible structures. The flexible behavior of the structure is represented through a set of discrete time sequences, which are the responses of the structure due to rectangular force pulses. The rectangular force pulses are given by the actuators that control the structure. The set of pulse responses, desired outputs, and force bounds form a numerical optimization problem. The solution of the optimization problem is a minimum time piecewise constant control sequence for driving the system to a desired final state. The method was developed for driving positive semi-definite systems. In case the system is positive definite, some final states of the system may not be reachable. Necessary conditions for reachability of the final states are derived for systems with a finite number of degrees of freedom. Numerical results are presented that confirm the derived analytical conditions. Numerical simulations of maneuvers of distributed parameter systems have shown a relationship between the error in the estimated minimum control time and sampling interval

Sampling Interval and estimated Betas : Implications for the Presence of Transitory Components in Stock Prices

We provide a theoretical framework to explain the empirical finding that the estimated betas are sensitive to the sampling interval even when using continuously compounded returns. We suppose that stock prices have both permanent and transitory components. The permanent component is a standard geometric Brownian motion while the transitory component is a stationary Ornstein-Uhlenbeck process. The discrete time representation of the beta depends on the sampling interval and two components labelled \"permanent and transitory betas\". We show that if no transitory component is present in stock prices, then no sampling interval effect occurs. However, the presence of a transitory component implies that the beta is an increasing (decreasing) function of the sampling interval for more (less) risky assets. In our framework, assets are labelled risky if their \"permanent beta\" is greater than their \"transitory beta\" and vice versa for less risky assets. Simulations show that our theoretical results provide good approximations for the means and standard deviations of estimated betas in small samples. Our results can be perceived as indirect evidence for the presence of a transitory component in stock prices, as proposed by Fama and French (1988) and Poterba and Summers (1988).

Dynamique de recombinaison dans les puits quantiques InGaN/GaN

Nous étudions la recombinaison radiative des porteurs de charges photogénérés dans les puits quantiques InGaN/GaN étroits (2 nm). Nous caractérisons le comportement de la photoluminescence face aux différentes conditions expérimentales telles la température, l'énergie et la puissance de l'excitation et la tension électrique appliquée. Ces mesures montrent que l'émission provient d'états localisés. De plus, les champs électriques, présents nativement dans ces matériaux, n'ont pas une influence dominante sur la recombinaison des porteurs. Nous avons montré que le spectre d'émission se modifie significativement et subitement lorsque la puissance de l'excitation passe sous un certain seuil. L'émission possède donc deux ``phases'' dont nous avons déterminé le diagramme. La phase adoptée dépend à la fois de la puissance, de la température et de la tension électrique appliquée. Nous proposons que la phase à basse puissance soit associée à un état électriquement chargé dans le matériau. Ensuite, nous avons caractérisé la dynamique temporelle de notre échantillon. Le taux de répétition de l'excitation a une influence importante sur la dynamique mesurée. Nous concluons qu'elle ne suit pas une exponentielle étirée comme on le pensait précédemment. Elle est exponentielle à court temps et suit une loi de puissance à grand temps. Ces deux régimes sont lié à un seul et même mécanisme de recombinaison. Nous avons développé un modèle de recombinaison à trois niveaux afin d'expliquer le comportement temporel de la luminescence. Ce modèle suppose l'existence de centres de localisation où les porteurs peuvent se piéger, indépendamment ou non. L'électron peut donc se trouver sur un même centre que le trou ou sur n'importe quel autre centre. En supposant le transfert des porteurs entre centres par saut tunnel on détermine, en fonction de la distribution spatiale des centres, la dynamique de recombinaison. Ce modèle indique que la recombinaison dans les puits InGaN/GaN minces est liée à des agglomérats de centre de localisation.

Essais en microéconomie appliquée

La thèse comporte trois essais en microéconomie appliquée. En utilisant des modèles d’apprentissage (learning) et d’externalité de réseau, elle étudie le comportement des agents économiques dans différentes situations. Le premier essai de la thèse se penche sur la question de l’utilisation des ressources naturelles en situation d’incertitude et d’apprentissage (learning). Plusieurs auteurs ont abordé le sujet, mais ici, nous étudions un modèle d’apprentissage dans lequel les agents qui consomment la ressource ne formulent pas les mêmes croyances a priori. Le deuxième essai aborde le problème générique auquel fait face, par exemple, un fonds de recherche désirant choisir les meilleurs parmi plusieurs chercheurs de différentes générations et de différentes expériences. Le troisième essai étudie un modèle particulier d’organisation d’entreprise dénommé le marketing multiniveau (multi-level marketing). Le premier chapitre est intitulé "Renewable Resource Consumption in a Learning Environment with Heterogeneous beliefs". Nous y avons utilisé un modèle d’apprentissage avec croyances hétérogènes pour étudier l’exploitation d’une ressource naturelle en situation d’incertitude. Il faut distinguer ici deux types d’apprentissage : le adaptive learning et le learning proprement dit. Ces deux termes ont été empruntés à Koulovatianos et al (2009). Nous avons montré que, en comparaison avec le adaptive learning, le learning a un impact négatif sur la consommation totale par tous les exploitants de la ressource. Mais individuellement certains exploitants peuvent consommer plus la ressource en learning qu’en adaptive learning. En effet, en learning, les consommateurs font face à deux types d’incitations à ne pas consommer la ressource (et donc à investir) : l’incitation propre qui a toujours un effet négatif sur la consommation de la ressource et l’incitation hétérogène dont l’effet peut être positif ou négatif. L’effet global du learning sur la consommation individuelle dépend donc du signe et de l’ampleur de l’incitation hétérogène. Par ailleurs, en utilisant les variations absolues et relatives de la consommation suite à un changement des croyances, il ressort que les exploitants ont tendance à converger vers une décision commune. Le second chapitre est intitulé "A Perpetual Search for Talent across Overlapping Generations". Avec un modèle dynamique à générations imbriquées, nous avons étudié iv comment un Fonds de recherche devra procéder pour sélectionner les meilleurs chercheurs à financer. Les chercheurs n’ont pas la même "ancienneté" dans l’activité de recherche. Pour une décision optimale, le Fonds de recherche doit se baser à la fois sur l’ancienneté et les travaux passés des chercheurs ayant soumis une demande de subvention de recherche. Il doit être plus favorable aux jeunes chercheurs quant aux exigences à satisfaire pour être financé. Ce travail est également une contribution à l’analyse des Bandit Problems. Ici, au lieu de tenter de calculer un indice, nous proposons de classer et d’éliminer progressivement les chercheurs en les comparant deux à deux. Le troisième chapitre est intitulé "Paradox about the Multi-Level Marketing (MLM)". Depuis quelques décennies, on rencontre de plus en plus une forme particulière d’entreprises dans lesquelles le produit est commercialisé par le biais de distributeurs. Chaque distributeur peut vendre le produit et/ou recruter d’autres distributeurs pour l’entreprise. Il réalise des profits sur ses propres ventes et reçoit aussi des commissions sur la vente des distributeurs qu’il aura recrutés. Il s’agit du marketing multi-niveau (multi-level marketing, MLM). La structure de ces types d’entreprise est souvent qualifiée par certaines critiques de système pyramidal, d’escroquerie et donc insoutenable. Mais les promoteurs des marketing multi-niveau rejettent ces allégations en avançant que le but des MLMs est de vendre et non de recruter. Les gains et les règles de jeu sont tels que les distributeurs ont plus incitation à vendre le produit qu’à recruter. Toutefois, si cette argumentation des promoteurs de MLMs est valide, un paradoxe apparaît. Pourquoi un distributeur qui désire vraiment vendre le produit et réaliser un gain recruterait-il d’autres individus qui viendront opérer sur le même marché que lui? Comment comprendre le fait qu’un agent puisse recruter des personnes qui pourraient devenir ses concurrents, alors qu’il est déjà établi que tout entrepreneur évite et même combat la concurrence. C’est à ce type de question que s’intéresse ce chapitre. Pour expliquer ce paradoxe, nous avons utilisé la structure intrinsèque des organisations MLM. En réalité, pour être capable de bien vendre, le distributeur devra recruter. Les commissions perçues avec le recrutement donnent un pouvoir de vente en ce sens qu’elles permettent au recruteur d’être capable de proposer un prix compétitif pour le produit qu’il désire vendre. Par ailleurs, les MLMs ont une structure semblable à celle des multi-sided markets au sens de Rochet et Tirole (2003, 2006) et Weyl (2010). Le recrutement a un effet externe sur la vente et la vente a un effet externe sur le recrutement, et tout cela est géré par le promoteur de l’organisation. Ainsi, si le promoteur ne tient pas compte de ces externalités dans la fixation des différentes commissions, les agents peuvent se tourner plus ou moins vers le recrutement.

Problèmes de premier passage et de commande optimale pour des chaînes de Markov à temps discret.

Nous considérons des processus de diffusion, définis par des équations différentielles stochastiques, et puis nous nous intéressons à des problèmes de premier passage pour les chaînes de Markov en temps discret correspon- dant à ces processus de diffusion. Comme il est connu dans la littérature, ces chaînes convergent en loi vers la solution des équations différentielles stochas- tiques considérées. Notre contribution consiste à trouver des formules expli- cites pour la probabilité de premier passage et la durée de la partie pour ces chaînes de Markov à temps discret. Nous montrons aussi que les résultats ob- tenus convergent selon la métrique euclidienne (i.e topologie euclidienne) vers les quantités correspondantes pour les processus de diffusion. En dernier lieu, nous étudions un problème de commande optimale pour des chaînes de Markov en temps discret. L’objectif est de trouver la valeur qui mi- nimise l’espérance mathématique d’une certaine fonction de coût. Contraire- ment au cas continu, il n’existe pas de formule explicite pour cette valeur op- timale dans le cas discret. Ainsi, nous avons étudié dans cette thèse quelques cas particuliers pour lesquels nous avons trouvé cette valeur optimale.

Optimisation des horaires des agents et du routage des appels dans les centres d’appels

Nous étudions la gestion de centres d'appels multi-compétences, ayant plusieurs types d'appels et groupes d'agents. Un centre d'appels est un système de files d'attente très complexe, où il faut généralement utiliser un simulateur pour évaluer ses performances. Tout d'abord, nous développons un simulateur de centres d'appels basé sur la simulation d'une chaîne de Markov en temps continu (CMTC), qui est plus rapide que la simulation conventionnelle par événements discrets. À l'aide d'une méthode d'uniformisation de la CMTC, le simulateur simule la chaîne de Markov en temps discret imbriquée de la CMTC. Nous proposons des stratégies pour utiliser efficacement ce simulateur dans l'optimisation de l'affectation des agents. En particulier, nous étudions l'utilisation des variables aléatoires communes. Deuxièmement, nous optimisons les horaires des agents sur plusieurs périodes en proposant un algorithme basé sur des coupes de sous-gradients et la simulation. Ce problème est généralement trop grand pour être optimisé par la programmation en nombres entiers. Alors, nous relaxons l'intégralité des variables et nous proposons des méthodes pour arrondir les solutions. Nous présentons une recherche locale pour améliorer la solution finale. Ensuite, nous étudions l'optimisation du routage des appels aux agents. Nous proposons une nouvelle politique de routage basé sur des poids, les temps d'attente des appels, et les temps d'inoccupation des agents ou le nombre d'agents libres. Nous développons un algorithme génétique modifié pour optimiser les paramètres de routage. Au lieu d'effectuer des mutations ou des croisements, cet algorithme optimise les paramètres des lois de probabilité qui génèrent la population de solutions. Par la suite, nous développons un algorithme d'affectation des agents basé sur l'agrégation, la théorie des files d'attente et la probabilité de délai. Cet algorithme heuristique est rapide, car il n'emploie pas la simulation. La contrainte sur le niveau de service est convertie en une contrainte sur la probabilité de délai. Par après, nous proposons une variante d'un modèle de CMTC basé sur le temps d'attente du client à la tête de la file. Et finalement, nous présentons une extension d'un algorithme de coupe pour l'optimisation stochastique avec recours de l'affectation des agents dans un centre d'appels multi-compétences.

Modélisation du carnet d'ordres limites et prévision de séries temporelles

Le contenu de cette thèse est divisé de la façon suivante. Après un premier chapitre d’introduction, le Chapitre 2 est consacré à introduire aussi simplement que possible certaines des théories qui seront utilisées dans les deux premiers articles. Dans un premier temps, nous discuterons des points importants pour la construction de l’intégrale stochastique par rapport aux semimartingales avec paramètre spatial. Ensuite, nous décrirons les principaux résultats de la théorie de l’évaluation en monde neutre au risque et, finalement, nous donnerons une brève description d’une méthode d’optimisation connue sous le nom de dualité. Les Chapitres 3 et 4 traitent de la modélisation de l’illiquidité et font l’objet de deux articles. Le premier propose un modèle en temps continu pour la structure et le comportement du carnet d’ordres limites. Le comportement du portefeuille d’un investisseur utilisant des ordres de marché est déduit et des conditions permettant d’éliminer les possibilités d’arbitrages sont données. Grâce à la formule d’Itô généralisée il est aussi possible d’écrire la valeur du portefeuille comme une équation différentielle stochastique. Un exemple complet de modèle de marché est présenté de même qu’une méthode de calibrage. Dans le deuxième article, écrit en collaboration avec Bruno Rémillard, nous proposons un modèle similaire mais cette fois-ci en temps discret. La question de tarification des produits dérivés est étudiée et des solutions pour le prix des options européennes de vente et d’achat sont données sous forme explicite. Des conditions spécifiques à ce modèle qui permettent d’éliminer l’arbitrage sont aussi données. Grâce à la méthode duale, nous montrons qu’il est aussi possible d’écrire le prix des options européennes comme un problème d’optimisation d’une espérance sur en ensemble de mesures de probabilité. Le Chapitre 5 contient le troisième article de la thèse et porte sur un sujet différent. Dans cet article, aussi écrit en collaboration avec Bruno Rémillard, nous proposons une méthode de prévision des séries temporelles basée sur les copules multivariées. Afin de mieux comprendre le gain en performance que donne cette méthode, nous étudions à l’aide d’expériences numériques l’effet de la force et la structure de dépendance sur les prévisions. Puisque les copules permettent d’isoler la structure de dépendance et les distributions marginales, nous étudions l’impact de différentes distributions marginales sur la performance des prévisions. Finalement, nous étudions aussi l’effet des erreurs d’estimation sur la performance des prévisions. Dans tous les cas, nous comparons la performance des prévisions en utilisant des prévisions provenant d’une série bivariée et d’une série univariée, ce qui permet d’illustrer l’avantage de cette méthode. Dans un intérêt plus pratique, nous présentons une application complète sur des données financières.

Modélisation mathématique de la propagation de la malaria.

Un modèle mathématique de la propagation de la malaria en temps discret est élaboré en vue de déterminer l'influence qu'un déplacement des populations des zones rurales vers les zones urbaines aurait sur la persistance ou la diminution de l'incidence de la malaria. Ce modèle, sous la forme d'un système de quatorze équations aux différences finies, est ensuite comparé à un modèle analogue mais en temps continu, qui prend la forme d'équations différentielles ordinaires. Une étude comparative avec la littérature récente permet de déterminer les forces et les faiblesses de notre modèle.

A Study on the Kerridge's Inaccuracy Measure and Related Conceptss

Department of Statistics, Cochin University of Sciene ans Technology

Invariant density for a class of initial distributions under quadratic mapping

For the discrete-time quadratic map xt+1=4xt(1-xt) the evolution equation for a class of non-uniform initial densities is obtained. It is shown that in the t to infinity limit all of them approach the invariant density for the map.