Sensitivity analysis for optimal control problems. Stochastic optimal control with a probability constraint

par Laurent Pfeiffer

Thèse de doctorat en Mathématiques appliquées

Sous la direction de Frédéric Bonnans.

Soutenue en 2013

à Palaiseau, Ecole polytechnique .

  • Titre traduit

    Analyse de sensibilité pour des problèmes de commande optimale. Commande optimale stochastique sous contrainte en probabilité


  • Résumé

    Cette thèse est divisée en deux parties. Dans la première partie, nous étudions des problèmes de contrôle optimal déterministes avec contraintes et nous nous intéressons à des questions d'analyse de sensibilité. Le point de vue que nous adoptons est celui de l'optimisation abstraite; les conditions d'optimalité nécessaires et suffisantes du second ordre jouent alors un rôle crucial et sont également étudiées en tant que telles. Dans cette thèse, nous nous intéressons à des solutions fortes. De façon générale, nous employons ce terme générique pour désigner des contrôles localement optimaux pour la norme L1. En renforçant la notion d'optimalité locale utilisée, nous nous attendons à obtenir des résultats plus forts. Deux outils sont utilisés de façon essentielle : une technique de relaxation, qui consiste à utiliser plusieurs contrôles simultanément, ainsi qu'un principe de décomposition, qui est un développement de Taylor au second ordre particulier du lagrangien. Les chapitres 2 et 3 portent sur les conditions d'optimalité nécessaires et suffisantes du second ordre pour des solutions fortes de problèmes avec contraintes pures, mixtes et sur l'état final. Dans le chapitre 4, nous réalisons une analyse de sensibilité pour des problèmes relaxés avec des contraintes sur l'état final. Dans le chapitre 5, nous réalisons une analyse de sensibilité pour un problème de production d'énergie nucléaire. Dans la deuxième partie, nous étudions des problèmes de contrôle optimal stochastique sous contrainte en probabilité. Nous étudions une approche par programmation dynamique, dans laquelle le niveau de probabilité est vu comme une variable d'état supplémentaire. Dans ce cadre, nous montrons que la sensibilité de la fonction valeur par rapport au niveau de probabilité est constante le long des trajectoires optimales. Cette analyse nous permet de développer des méthodes numériques pour des problèmes en temps continu. Ces résultats sont présentés dans le chapitre 6, dans lequel nous étudions également une application à la gestion actif-passif.


  • Résumé

    This thesis is divided into two parts. In the first part, we study constrained deterministic optimal control problems and sensitivity analysis issues, from the point of view of abstract optimization. Second-order necessary and sufficient optimality conditions, which play an important role in sensitivity analysis, are also investigated. In this thesis, we are interested in strong solutions. We use this generic term for locally optimal controls for the L1-norm, roughly speaking. We use two essential tools: a relaxation technique, which consists in using simultaneously several controls, and a decomposition principle, which is a particular second-order Taylor expansion of the Lagrangian. Chapters 2 and 3 deal with second-order necessary and sufficient optimality conditions for strong solutions of problems with pure, mixed, and final-state constraints. In Chapter 4, we perform a sensitivity analysis for strong solutions of relaxed problems with final-state constraints. In Chapter 5, we perform a sensitivity analysis for a problem of nuclear energy production. In the second part of the thesis, we study stochastic optimal control problems with a probability constraint. We study an approach by dynamic programming, in which the level of probability is a supplementary state variable. In this framework, we show that the sensitivity of the value function with respect to the probability level is constant along optimal trajectories. We use this analysis to design numerical schemes for continuous-time problems. These results are presented in Chapter 6, in which we also study an application to asset-liability management.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (219 p.)
  • Annexes : Bibliographie : 106 réf.

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