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 commande optimale stochastique généralisés

Cette thèse est divisée en deux grands chapitres, dont le premier porte sur des problèmes de commande optimale en dimension un et le deuxième sur des problèmes en dimension deux ou plus. Notons bien que, dans cette thèse, nous avons supposé que le facteur temps n'intervient pas. Dans le premier chapitre, nous calculons, au début, l'équation de programmation dynamique pour la valeur minimale F de l'espérance mathématique de la fonction de coût considérée. Ensuite, nous utilisons le théorème de Whittle qui est applicable seulement si une condition entre le bruit blanc v et les termes b et q associés à la commande est satisfaite. Sinon, nous procédons autrement. En effet, un changement de variable transforme notre équation en une équation de Riccati en G= F', mais sans conditions initiales. Dans certains cas, à partir de la symétrie des paramètres infinitésimaux et de q, nous pouvons en déduire le point x' où G(x')=0. Si ce n'est pas le cas, nous nous limitons à des bonnes approximations. Cette même démarche est toujours possible si nous sommes dans des situations particulières, par exemple, lorsque nous avons une seule barrière. Dans le deuxième chapitre, nous traitons les problèmes en dimension deux ou plus. Puisque la condition de Whittle est difficile à satisfaire dans ce cas, nous essayons de généraliser les résultats du premier chapitre. Nous utilisons alors dans quelques exemples la méthode des similitudes, qui permet de transformer le problème en dimension un. Ensuite, nous proposons une nouvelle méthode de résolution. Cette dernière linéarise l'équation de programmation dynamique qui est une équation aux dérivées partielles non linéaire. Il reste à la fin à trouver les conditions initiales pour la nouvelle fonction et aussi à vérifier que les n expressions obtenues pour F sont équivalentes.

Controlling the transport of an ion: classical and quantum mechanical solutions

The accurate transport of an ion over macroscopic distances represents a challenging control problem due to the different length and time scales that enter and the experimental limitations on the controls that need to be accounted for. Here, we investigate the performance of different control techniques for ion transport in state-of-the-art segmented miniaturized ion traps. We employ numerical optimization of classical trajectories and quantum wavepacket propagation as well as analytical solutions derived from invariant based inverse engineering and geometric optimal control. The applicability of each of the control methods depends on the length and time scales of the transport. Our comprehensive set of tools allows us make a number of observations. We find that accurate shuttling can be performed with operation times below the trap oscillation period. The maximum speed is limited by the maximum acceleration that can be exerted on the ion. When using controls obtained from classical dynamics for wavepacket propagation, wavepacket squeezing is the only quantum effect that comes into play for a large range of trapping parameters. We show that this can be corrected by a compensating force derived from invariant based inverse engineering, without a significant increase in the operation time.

Optimizing Robust Quantum Gates in Open Quantum Systems

We are currently at the cusp of a revolution in quantum technology that relies not just on the passive use of quantum effects, but on their active control. At the forefront of this revolution is the implementation of a quantum computer. Encoding information in quantum states as “qubits” allows to use entanglement and quantum superposition to perform calculations that are infeasible on classical computers. The fundamental challenge in the realization of quantum computers is to avoid decoherence – the loss of quantum properties – due to unwanted interaction with the environment. This thesis addresses the problem of implementing entangling two-qubit quantum gates that are robust with respect to both decoherence and classical noise. It covers three aspects: the use of efficient numerical tools for the simulation and optimal control of open and closed quantum systems, the role of advanced optimization functionals in facilitating robustness, and the application of these techniques to two of the leading implementations of quantum computation, trapped atoms and superconducting circuits. After a review of the theoretical and numerical foundations, the central part of the thesis starts with the idea of using ensemble optimization to achieve robustness with respect to both classical fluctuations in the system parameters, and decoherence. For the example of a controlled phasegate implemented with trapped Rydberg atoms, this approach is demonstrated to yield a gate that is at least one order of magnitude more robust than the best known analytic scheme. Moreover this robustness is maintained even for gate durations significantly shorter than those obtained in the analytic scheme. Superconducting circuits are a particularly promising architecture for the implementation of a quantum computer. Their flexibility is demonstrated by performing optimizations for both diagonal and non-diagonal quantum gates. In order to achieve robustness with respect to decoherence, it is essential to implement quantum gates in the shortest possible amount of time. This may be facilitated by using an optimization functional that targets an arbitrary perfect entangler, based on a geometric theory of two-qubit gates. For the example of superconducting qubits, it is shown that this approach leads to significantly shorter gate durations, higher fidelities, and faster convergence than the optimization towards specific two-qubit gates. Performing optimization in Liouville space in order to properly take into account decoherence poses significant numerical challenges, as the dimension scales quadratically compared to Hilbert space. However, it can be shown that for a unitary target, the optimization only requires propagation of at most three states, instead of a full basis of Liouville space. Both for the example of trapped Rydberg atoms, and for superconducting qubits, the successful optimization of quantum gates is demonstrated, at a significantly reduced numerical cost than was previously thought possible. Together, the results of this thesis point towards a comprehensive framework for the optimization of robust quantum gates, paving the way for the future realization of quantum computers.

Análisis de sensibilidad para un modelo de medición de percepción de marca basado en simulación computacional por agentes

Se presenta el análisis de sensibilidad de un modelo de percepción de marca y ajuste de la inversión en marketing desarrollado en el Laboratorio de Simulación de la Universidad del Rosario. Este trabajo de grado consta de una introducción al tema de análisis de sensibilidad y su complementario el análisis de incertidumbre. Se pasa a mostrar ambos análisis usando un ejemplo simple de aplicación del modelo mediante la aplicación exhaustiva y rigurosa de los pasos descritos en la primera parte. Luego se hace una discusión de la problemática de medición de magnitudes que prueba ser el factor más complejo de la aplicación del modelo en el contexto práctico y finalmente se dan conclusiones sobre los resultados de los análisis.

Ecuaciones diferenciales estocásticas con condición final y soluciones de viscosidad de EDPS semilineales de segundo orden

El objetivo de este documento es recopilar algunos resultados clasicos sobre existencia y unicidad ´ de soluciones de ecuaciones diferenciales estocasticas (EDEs) con condici ´ on final (en ingl ´ es´ Backward stochastic differential equations) con particular enfasis en el caso de coeficientes mon ´ otonos, y su cone- ´ xion con soluciones de viscosidad de sistemas de ecuaciones diferenciales parciales (EDPs) parab ´ olicas ´ y el´ıpticas semilineales de segundo orden.

Robust Control of Systems Subjected to Uncertain Disturbances and Actuator Dynamics

Esta tesis está enfocada al diseño y validación de controladores robustos que pueden reducir de una manera efectiva las vibraciones structurales producidas por perturbaciones externas tales como terremotos, fuertes vientos o cargas pesadas. Los controladores están diseñados basados en teorías de control tradicionalamente usadas en esta area: Teoría de estabilidad de Lyapunov, control en modo deslizante y control clipped-optimal, una técnica reciente mente introducida : Control Backstepping y una que no había sido usada antes: Quantitative Feedback Theory. La principal contribución al usar las anteriores técnicas, es la solución de problemas de control estructural abiertos tales como dinámicas de actuador, perturbaciones desconocidas, parametros inciertos y acoplamientos dinámicos. Se utilizan estructuras típicas para validar numéricamente los controladores propuestos. Especificamente las estructuras son un edificio de base aislada, una plataforma estructural puente-camión y un puente de 2 tramos, cuya configuración de control es tal que uno o mas problemas abiertos están presentes. Se utilizan tres prototipos experimentales para implementar los controladores robustos propuestos, con el fin de validar experimentalmente su efectividad y viabilidad. El principal resultado obtenido con la presente tesis es el diseño e implementación de controladores estructurales robustos que resultan efectivos para resolver problemas abiertos en control estructural tales como dinámicas de actuador, parámetros inciertos, acoplamientos dinámicos, limitación de medidas y perturbaciones desconocidas.

Integrable Hamiltonian systems defined on the Lie groups SO(3) and SU(2): an application to the attitude control of a spacecraft

This paper considers left-invariant control systems defined on the Lie groups SU(2) and SO(3). Such systems have a number of applications in both classical and quantum control problems. The purpose of this paper is two-fold. Firstly, the optimal control problem for a system varying on these Lie Groups, with cost that is quadratic in control is lifted to their Hamiltonian vector fields through the Maximum principle of optimal control and explicitly solved. Secondly, the control systems are integrated down to the level of the group to give the solutions for the optimal paths corresponding to the optimal controls. In addition it is shown here that integrating these equations on the Lie algebra su(2) gives simpler solutions than when these are integrated on the Lie algebra so(3).

Simplified parameter adaptive control

A simple parameter adaptive controller design methodology is introduced in which steady-state servo tracking properties provide the major control objective. This is achieved without cancellation of process zeros and hence the underlying design can be applied to non-minimum phase systems. As with other self-tuning algorithms, the design (user specified) polynomials of the proposed algorithm define the performance capabilities of the resulting controller. However, with the appropriate definition of these polynomials, the synthesis technique can be shown to admit different adaptive control strategies, e.g. self-tuning PID and self-tuning pole-placement controllers. The algorithm can therefore be thought of as an embodiment of other self-tuning design techniques. The performances of some of the resulting controllers are illustrated using simulation examples and the on-line application to an experimental apparatus.

Weighted input predictive controller

A discrete-time algorithm is presented which is based on a predictive control scheme in the form of dynamic matrix control. A set of control inputs are calculated and made available at each time instant, the actual input applied being a weighted summation of the inputs within the set. The algorithm is directly applicable in a self-tuning format and is therefore suitable for slowly time-varying systems in a noisy environment.

Novel developments in process optimisation using predictive control

In industrial practice, constrained steady state optimisation and predictive control are separate, albeit closely related functions within the control hierarchy. This paper presents a method which integrates predictive control with on-line optimisation with economic objectives. A receding horizon optimal control problem is formulated using linear state space models. This optimal control problem is very similar to the one presented in many predictive control formulations, but the main difference is that it includes in its formulation a general steady state objective depending on the magnitudes of manipulated and measured output variables. This steady state objective may include the standard quadratic regulatory objective, together with economic objectives which are often linear. Assuming that the system settles to a steady state operating point under receding horizon control, conditions are given for the satisfaction of the necessary optimality conditions of the steady-state optimisation problem. The method is based on adaptive linear state space models, which are obtained by using on-line identification techniques. The use of model adaptation is justified from a theoretical standpoint and its beneficial effects are shown in simulations. The method is tested with simulations of an industrial distillation column and a system of chemical reactors.

Characterising North Atlantic weather patterns for climate-optimal aircraft routing

Daily weather patterns over the North Atlantic are classified into relevant types: typical weather patterns that may characterize the range of climate impacts from aviation in this region, for both summer and winter. The motivation is to provide a set of weather types to facilitate an investigation of climate-optimal aircraft routing of trans-Atlantic flights (minimizing the climate impact on a flight-by-flight basis). Using the New York to London route as an example, the time-optimal route times are shown to vary by over 60 min, to take advantage of strong tailwinds or avoid headwinds, and for eastbound routes latitude correlates well with the latitude of the jet stream. The weather patterns are classified by their similarity to the North Atlantic Oscillation and East Atlantic teleconnection patterns. For winter, five types are defined; in summer, when there is less variation in jet latitude, only three types are defined. The types can be characterized by the jet strength and position, and therefore the location of the time-optimal routes varies by type. Simple proxies for the climate impact of carbon dioxide, ozone, water vapour and contrails are defined, which depend on parameters such as the route time, latitude and season, the time spent flying in the stratosphere, and the distance over which the air is supersaturated with respect to ice. These proxies are then shown to vary between weather types and between eastbound and westbound routes.

Optimal growth strategies when mortality and production rates are size-dependent

Pontryagin's maximum principle from optimal control theory is used to find the optimal allocation of energy between growth and reproduction when lifespan may be finite and the trade-off between growth and reproduction is linear. Analyses of the optimal allocation problem to date have generally yielded bang-bang solutions, i.e. determinate growth: life-histories in which growth is followed by reproduction, with no intermediate phase of simultaneous reproduction and growth. Here we show that an intermediate strategy (indeterminate growth) can be selected for if the rates of production and mortality either both increase or both decrease with increasing body size, this arises as a singular solution to the problem. Our conclusion is that indeterminate growth is optimal in more cases than was previously realized. The relevance of our results to natural situations is discussed.

Regularization of Descriptor Systems by Derivative and Proportional State Feedback

For linear multivariable time-invariant continuous or discrete-time singular systems it is customary to use a proportional feedback control in order to achieve a desired closed loop behaviour. Derivative feedback is rarely considered. This paper examines how derivative feedback in descriptor systems can be used to alter the structure of the system pencil under various controllability conditions. It is shown that derivative and proportional feedback controls can be constructed such that the closed loop system has a given form and is also regular and has index at most 1. This property ensures the solvability of the resulting system of dynamic-algebraic equations. The construction procedures used to establish the theory are based only on orthogonal matrix decompositions and can therefore be implemented in a numerically stable way. The problem of pole placement with derivative feedback alone and in combination with proportional state feedback is also investigated. A computational algorithm for improving the “conditioning” of the regularized closed loop system is derived.

Latching control of a point absorber

In this paper the authors investigate the use of optimal control techniques for improving the efficiency of the power conversion system in a point absorber wave power device. A simple mathematical model of the system is developed and an optimal control strategy for power generation is determined. They describe an algorithm for solving the problem numerically, provided the incident wave force is given. The results show that the performance of the device is significantly improved with the handwidth of the response being widened by the control strategy.