Essays on Corruption and Enforcement

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Development of a Real-Time Hierarchical 3D Path Planning Algorithm for Unmanned Aerial Vehicles

Unmanned aerial vehicles (UAVs) frequently operate in partially or entirely unknown environments. As the vehicle traverses the environment and detects new obstacles, rapid path replanning is essential to avoid collisions. This thesis presents a new algorithm called Hierarchical D* Lite (HD*), which combines the incremental algorithm D* Lite with a novel hierarchical path planning approach to replan paths sufficiently fast for real-time operation. Unlike current hierarchical planning algorithms, HD* does not require map corrections before planning a new path. Directional cost scale factors, path smoothing, and Catmull-Rom splines are used to ensure the resulting paths are feasible. HD* sacrifices optimality for real-time performance. Its computation time and path quality are dependent on the map size, obstacle density, sensor range, and any restrictions on planning time. For the most complex scenarios tested, HD* found paths within 10% of optimal in under 35 milliseconds.

Solvency considerations in the gamma-omega surplus model

Ce mémoire de maîtrise traite de la théorie de la ruine, et plus spécialement des modèles actuariels avec surplus dans lesquels sont versés des dividendes. Nous étudions en détail un modèle appelé modèle gamma-omega, qui permet de jouer sur les moments de paiement de dividendes ainsi que sur une ruine non-standard de la compagnie. Plusieurs extensions de la littérature sont faites, motivées par des considérations liées à la solvabilité. La première consiste à adapter des résultats d’un article de 2011 à un nouveau modèle modifié grâce à l’ajout d’une contrainte de solvabilité. La seconde, plus conséquente, consiste à démontrer l’optimalité d’une stratégie de barrière pour le paiement des dividendes dans le modèle gamma-omega. La troisième concerne l’adaptation d’un théorème de 2003 sur l’optimalité des barrières en cas de contrainte de solvabilité, qui n’était pas démontré dans le cas des dividendes périodiques. Nous donnons aussi les résultats analogues à l’article de 2011 en cas de barrière sous la contrainte de solvabilité. Enfin, la dernière concerne deux différentes approches à adopter en cas de passage sous le seuil de ruine. Une liquidation forcée du surplus est mise en place dans un premier cas, en parallèle d’une liquidation à la première opportunité en cas de mauvaises prévisions de dividendes. Un processus d’injection de capital est expérimenté dans le deuxième cas. Nous étudions l’impact de ces solutions sur le montant des dividendes espérés. Des illustrations numériques sont proposées pour chaque section, lorsque cela s’avère pertinent.

A Component Based Heuristic Search Method with AdaptivePerturbations for Hospital Personnel Scheduling

Nurse rostering is a complex scheduling problem that affects hospital personnel on a daily basis all over the world. This paper presents a new component-based approach with adaptive perturbations, for a nurse scheduling problem arising at a major UK hospital. The main idea behind this technique is to decompose a schedule into its components (i.e. the allocated shift pattern of each nurse), and then mimic a natural evolutionary process on these components to iteratively deliver better schedules. The worthiness of all components in the schedule has to be continuously demonstrated in order for them to remain there. This demonstration employs a dynamic evaluation function which evaluates how well each component contributes towards the final objective. Two perturbation steps are then applied: the first perturbation eliminates a number of components that are deemed not worthy to stay in the current schedule; the second perturbation may also throw out, with a low level of probability, some worthy components. The eliminated components are replenished with new ones using a set of constructive heuristics using local optimality criteria. Computational results using 52 data instances demonstrate the applicability of the proposed approach in solving real-world problems.

Optimal static and sequential design : a critical review

The aim of this thesis is to review and augment the theory and methods of optimal experimental design. In Chapter I the scene is set by considering the possible aims of an experimenter prior to an experiment, the statistical methods one might use to achieve those aims and how experimental design might aid this procedure. It is indicated that, given a criterion for design, a priori optimal design will only be possible in certain instances and, otherwise, some form of sequential procedure would seem to be indicated. In Chapter 2 an exact experimental design problem is formulated mathematically and is compared with its continuous analogue. Motivation is provided for the solution of this continuous problem, and the remainder of the chapter concerns this problem. A necessary and sufficient condition for optimality of a design measure is given. Problems which might arise in testing this condition are discussed, in particular with respect to possible non-differentiability of the criterion function at the design being tested. Several examples are given of optimal designs which may be found analytically and which illustrate the points discussed earlier in the chapter. In Chapter 3 numerical methods of solution of the continuous optimal design problem are reviewed. A new algorithm is presented with illustrations of how it should be used in practice. It is shown that, for reasonably large sample size, continuously optimal designs may be approximated to well by an exact design. In situations where this is not satisfactory algorithms for improvement of this design are reviewed. Chapter 4 consists of a discussion of sequentially designed experiments, with regard to both the philosophies underlying, and the application of the methods of, statistical inference. In Chapter 5 we criticise constructively previous suggestions for fully sequential design procedures. Alternative suggestions are made along with conjectures as to how these might improve performance. Chapter 6 presents a simulation study, the aim of which is to investigate the conjectures of Chapter 5. The results of this study provide empirical support for these conjectures. In Chapter 7 examples are analysed. These suggest aids to sequential experimentation by means of reduction of the dimension of the design space and the possibility of experimenting semi-sequentially. Further examples are considered which stress the importance of the use of prior information in situations of this type. Finally we consider the design of experiments when semi-sequential experimentation is mandatory because of the necessity of taking batches of observations at the same time. In Chapter 8 we look at some of the assumptions which have been made and indicate what may go wrong where these assumptions no longer hold.

An Optimal Order Interior Penalty Discontinuous Galerkin Discretization of the Compressible Navier-Stokes Equations

In this article we propose a new symmetric version of the interior penalty discontinuous Galerkin finite element method for the numerical approximation of the compressible Navier-Stokes equations. Here, particular emphasis is devoted to the construction of an optimal numerical method for the evaluation of certain target functionals of practical interest, such as the lift and drag coefficients of a body immersed in a viscous fluid. With this in mind, the key ingredients in the construction of the method include: (i) An adjoint consistent imposition of the boundary conditions; (ii) An adjoint consistent reformulation of the underlying target functional of practical interest; (iii) Design of appropriate interior-penalty stabilization terms. Numerical experiments presented within this article clearly indicate the optimality of the proposed method when the error is measured in terms of both the L_2-norm, as well as for certain target functionals. Computational comparisons with other discontinuous Galerkin schemes proposed in the literature, including the second scheme of Bassi & Rebay, cf. [11], the standard SIPG method outlined in [25], and an NIPG variant of the new scheme will be undertaken.

Aplicación de SPEA2 al cálculo de esquemas de dosificación para el tratamiento quimioterapéutico del cáncer

En este trabajo se aborda la aplicación de SPEA2, un método para optimización multiobjetivo, al cálculo de un esquema de dosificación para el tratamiento quimioterapéutico de una masa tumoral; entiéndase por esquema de dosificación la especificación del o de los agentes cito-tóxicos, sus dosis y tiempos en que deben administrarse. El problema de optimización aquí resuelto es uno multiobjetivo, pues el esquema de dosificación a calcularse debe minimizar no solo el tamaño del tumor, sino también la toxicidad remanente al término del tratamiento, su costo, etc. El SPEA2 es un algoritmo genético que aplica el criterio de Pareto; por lo tanto, lo que calcula es una aproximación a la frontera de Pareto, soluciones de entre las cuales el usuario puede escoger la “mejor”. En el proceso de esta investigación se construyó SoT-Q, una herramienta de software que consiste de dos módulos principales: un optimizador para calcular los esquemas de dosificación óptimos, y un simulador para aplicar dichos esquemas a un paciente (simulado) con masa tumoral; el funcionamiento del simulador se basa en un modelo fármaco-dinámico que representa el tumor. El programa SoT-Q podría en el futuro -una vez extensamente probado y depurado- asistir a médicos oncólogos en la toma de decisiones respecto a tratamientos quimioterapéuticos; o podría servir también como ayuda pedagógica en el entrenamiento de nuevos profesionales de la salud. Los resultados obtenidos fueron muy buenos; en todos los casos de prueba utilizados se logró reducir de manera significativa tanto el tamaño del tumor como la toxicidad remanente al término del tratamiento; en algunos casos la reducción fue de tres órdenes de magnitud.

Fractional variational problems depending on indefinite integrals and with delay

The aim of this paper is to exhibit a necessary and sufficient condition of optimality for functionals depending on fractional integrals and derivatives, on indefinite integrals and on presence of time delay. We exemplify with one example, where we nd analytically the minimizer.

Higher-order variational problems of Herglotz type

We obtain a generalized Euler–Lagrange differential equation and transversality optimality conditions for Herglotz-type higher-order variational problems. Illustrative examples of the new results are given.

Allocating reforestation areas for sediment flow minimization: an integer programming formulation and a heuristic solution method

Policy and decision makers dealing with environmental conservation and land use planning often require identifying potential sites for contributing to minimize sediment flow reaching riverbeds. This is the case of reforestation initiatives, which can have sediment flow minimization among their objectives. This paper proposes an Integer Programming (IP) formulation and a Heuristic solution method for selecting a predefined number of locations to be reforested in order to minimize sediment load at a given outlet in a watershed. Although the core structure of both methods can be applied for different sorts of flow, the formulations are targeted to minimization of sediment delivery. The proposed approaches make use of a Single Flow Direction (SFD) raster map covering the watershed in order to construct a tree structure so that the outlet cell corresponds to the root node in the tree. The results obtained with both approaches are in agreement with expert assessments of erosion levels, slopes and distances to the riverbeds, which in turn allows concluding that this approach is suitable for minimizing sediment flow. Since the results obtained with the IP formulation are the same as the ones obtained with the Heuristic approach, an optimality proof is included in the present work. Taking into consideration that the heuristic requires much less computation time, this solution method is more suitable to be applied in large sized problems.

Essays on Market Frictions and Securitization

This dissertation provides a novel theory of securitization based on intermediaries minimizing the moral hazard that insiders can misuse assets held on-balance sheet. The model predicts how intermediaries finance different assets. Under deposit funding, the moral hazard is greatest for low-risk assets that yield sizable returns in bad states of nature; under securitization, it is greatest for high-risk assets that require high guarantees and large reserves. Intermediaries thus securitize low-risk assets. In an extension, I identify a novel channel through which government bailouts exacerbate the moral hazard and reduce total investment irrespective of the funding mode. This adverse effect is stronger under deposit funding, implying that intermediaries finance more risky assets off-balance sheet. The dissertation discusses the implications of different forms of guarantees. With explicit guarantees, banks securitize assets with either low information-intensity or low risk. By contrast, with implicit guarantees, banks only securitize assets with high information-intensity and low risk. Two extensions to the benchmark static and dynamic models are discussed. First, an extension to the static model studies the optimality of tranching versus securitization with guarantees. Tranching eliminates agency costs but worsens adverse selection, while securitization with guarantees does the opposite. When the quality of underlying assets in a certain security market is sufficiently heterogeneous, and when the highest quality assets are perceived to be sufficiently safe, securitization with guarantees dominates tranching. Second, in an extension to the dynamic setting, the moral hazard of misusing assets held on-balance sheet naturally gives rise to the moral hazard of weak ex-post monitoring in securitization. The use of guarantees reduces the dependence of banks' ex-post payoffs on monitoring efforts, thereby weakening monitoring incentives. The incentive to monitor under securitization with implicit guarantees is the weakest among all funding modes, as implicit guarantees allow banks to renege on their monitoring promises without being declared bankrupt and punished.

La perception du temps et sa modulation par la température chez les guêpes parasitoïdes

Les modèles d'optimalité postulent que les animaux en quête de ressources utilisent le taux de gain de valeur adaptative pour optimiser plusieurs comportements tels que la répartition du temps lors de l’exploitation d‘un agrégat et l'investissement en progénitures. Bien que la durée de plusieurs comportements doit être régulée, peu d’évidences de la perception du temps sont actuellement disponibles pour les insectes et aucune pour les guêpes parasitoïdes, et ce malgré leur importance en tant que modèles écologiques. De plus, puisque les guêpes parasitoïdes sont poïkilothermes, cette capacité pourrait être affectée par la température. Nous avons supposé que les guêpes parasitoïdes auraient la capacité de percevoir le temps, à la fois de façon prospective (mesure du temps écoulé) et rétrospective (durée d'un événement passé), afin d'optimiser les décisions liées à l'exploitation d’agrégats d’hôtes et à la reproduction. Nous avons également émis l'hypothèse que la température aurait une incidence sur la perception du temps des guêpes parasitoïdes. Pour la mesure prospective du temps, nous avons utilisé la capacité d’apprentissage associatif de Microplitis croceipes (Hymenoptera: Braconidae). Les guêpes ont été entraînées à associer une odeur à la durée d'un intervalle entre des hôtes. Après leur entraînement, elles ont été testées dans un tunnel de vol avec un choix d’odeurs. Les guêpes ont choisi majoritairement l'odeur associée à l'intervalle de temps auquel elles étaient testées. Nous avons également investigué le rôle de la dépense énergétique sur la mesure du temps. Suite à une restriction de mouvement des guêpes pendant l'intervalle de temps entre les hôtes, elles choisissaient aléatoirement dans le tunnel de vol. L'absence de dépense énergétique les aurait rendues incapables de mesurer le temps. La dépense d'énergie est donc un substitut essentiel pour mesurer le temps. Pour la mesure rétrospective du temps, nous avons utilisé le processus d'évaluation de l'hôte de Trichogramma euproctidis (Hymenoptera: Trichogrammatidae). Certains trichogrammes utilisent la durée du transit initial sur l'œuf hôte afin d’en évaluer la taille et d’ajuster le nombre d’œufs à y pondre. Nous avons augmenté artificiellement la durée de transit initiale de T. euproctidis en suspendant l'œuf hôte pour le faire paraître plus gros qu'un œuf de taille similaire. Une augmentation de la durée de transit initiale a augmenté la taille de la ponte. Ceci démontre la capacité de T. euproctidis de mesurer la durée du transit initial, et donc d’une mesure du temps rétrospective. Pour déterminer si la température modifie la mesure du temps dans les espèces poïkilothermes, nous avons utilisé le comportement d’exploitation d’agrégats d’hôtes de T. euproctidis. Les modèles d’optimalités prédisent que les guêpes devraient rester plus longtemps et quitter à un faible taux de gain de valeur adaptative suite à un déplacement de longue durée plutôt que pour un déplacement de courte durée. Nous avons testé l'impact d'un déplacement de 24 h à différentes températures sur l'exploitation d’agrégats d’hôtes. Un déplacement à température chaude augmente le temps de résidence dans l’agrégat et diminue le taux de gain de valeur adaptative au moment de quitter ; ces comportements sont associés à un trajet de longue durée. L'inverse a été observé lors d’un déplacement à une température froide. Les températures chaude et froide ont modulé la mesure du temps en accélérant ou ralentissant l'horloge biologique, faisant paraître le déplacement respectivement plus long ou plus court qu’il ne l’était réellement. Ces résultats démontrent clairement que les guêpes parasitoïdes ont la capacité de mesurer le temps, autant rétrospectivement que prospectivement. Des preuves directes de leur capacité sont maintenant disponibles pour au moins deux espèces de guêpes parasitoïdes, une composante essentielle des modèles d'optimalité. Le rôle de la dépense énergétique dans la mesure du temps a aussi été démontré. Nos résultats fournissent également la preuve de l'impact de la température sur la perception du temps chez les insectes. L'utilisation de la dépense énergétique en tant que proxy pour mesurer le temps pourrait expliquer une partie de sa thermosensibilité, puisque les guêpes parasitoïdes sont poïkilothermes. Cette mesure du temps sensible à la température pourrait affecter des stratégies de lutte biologique. Sur le terrain, au début de la journée, la température de l'air sera similaire à la température de l'air autour des plantes infestées par des parasites, alors qu'elle sera plus chaude pendant la journée. En lutte biologique augmentative, les guêpes parasitoïdes libérées resteraient plus longtemps dans les agrégats d’hôtes que celles relâchées en début de journée.

Essays on optimal fiscal and monetary policies

Cette thèse se compose de trois articles sur les politiques budgétaires et monétaires optimales. Dans le premier article, J'étudie la détermination conjointe de la politique budgétaire et monétaire optimale dans un cadre néo-keynésien avec les marchés du travail frictionnels, de la monnaie et avec distortion des taux d'imposition du revenu du travail. Dans le premier article, je trouve que lorsque le pouvoir de négociation des travailleurs est faible, la politique Ramsey-optimale appelle à un taux optimal d'inflation annuel significativement plus élevé, au-delà de 9.5%, qui est aussi très volatile, au-delà de 7.4%. Le gouvernement Ramsey utilise l'inflation pour induire des fluctuations efficaces dans les marchés du travail, malgré le fait que l'évolution des prix est coûteuse et malgré la présence de la fiscalité du travail variant dans le temps. Les résultats quantitatifs montrent clairement que le planificateur s'appuie plus fortement sur l'inflation, pas sur l'impôts, pour lisser les distorsions dans l'économie au cours du cycle économique. En effet, il ya un compromis tout à fait clair entre le taux optimal de l'inflation et sa volatilité et le taux d'impôt sur le revenu optimal et sa variabilité. Le plus faible est le degré de rigidité des prix, le plus élevé sont le taux d'inflation optimal et la volatilité de l'inflation et le plus faible sont le taux d'impôt optimal sur le revenu et la volatilité de l'impôt sur le revenu. Pour dix fois plus petit degré de rigidité des prix, le taux d'inflation optimal et sa volatilité augmentent remarquablement, plus de 58% et 10%, respectivement, et le taux d'impôt optimal sur le revenu et sa volatilité déclinent de façon spectaculaire. Ces résultats sont d'une grande importance étant donné que dans les modèles frictionnels du marché du travail sans politique budgétaire et monnaie, ou dans les Nouveaux cadres keynésien même avec un riche éventail de rigidités réelles et nominales et un minuscule degré de rigidité des prix, la stabilité des prix semble être l'objectif central de la politique monétaire optimale. En l'absence de politique budgétaire et la demande de monnaie, le taux d'inflation optimal tombe très proche de zéro, avec une volatilité environ 97 pour cent moins, compatible avec la littérature. Dans le deuxième article, je montre comment les résultats quantitatifs impliquent que le pouvoir de négociation des travailleurs et les coûts de l'aide sociale de règles monétaires sont liées négativement. Autrement dit, le plus faible est le pouvoir de négociation des travailleurs, le plus grand sont les coûts sociaux des règles de politique monétaire. Toutefois, dans un contraste saisissant par rapport à la littérature, les règles qui régissent à la production et à l'étroitesse du marché du travail entraînent des coûts de bien-être considérablement plus faible que la règle de ciblage de l'inflation. C'est en particulier le cas pour la règle qui répond à l'étroitesse du marché du travail. Les coûts de l'aide sociale aussi baisse remarquablement en augmentant la taille du coefficient de production dans les règles monétaires. Mes résultats indiquent qu'en augmentant le pouvoir de négociation du travailleur au niveau Hosios ou plus, les coûts de l'aide sociale des trois règles monétaires diminuent significativement et la réponse à la production ou à la étroitesse du marché du travail n'entraîne plus une baisse des coûts de bien-être moindre que la règle de ciblage de l'inflation, qui est en ligne avec la littérature existante. Dans le troisième article, je montre d'abord que la règle Friedman dans un modèle monétaire avec une contrainte de type cash-in-advance pour les entreprises n’est pas optimale lorsque le gouvernement pour financer ses dépenses a accès à des taxes à distorsion sur la consommation. Je soutiens donc que, la règle Friedman en présence de ces taxes à distorsion est optimale si nous supposons un modèle avec travaie raw-efficace où seule le travaie raw est soumis à la contrainte de type cash-in-advance et la fonction d'utilité est homothétique dans deux types de main-d'oeuvre et séparable dans la consommation. Lorsque la fonction de production présente des rendements constants à l'échelle, contrairement au modèle des produits de trésorerie de crédit que les prix de ces deux produits sont les mêmes, la règle Friedman est optimal même lorsque les taux de salaire sont différents. Si la fonction de production des rendements d'échelle croissant ou decroissant, pour avoir l'optimalité de la règle Friedman, les taux de salaire doivent être égales.

Equilibrium Assignments in Competitive and Cooperative Traffic Flow Routing

Part 18: Optimization in Collaborative Networks

The role of forest certification for the conservation of biodiversity and sustainability of cork oak woodlands

Doutoramento em Engenharia Florestal e dos Recursos Naturais - Instituto Superior de Agronomia - UL