Backward stochastic differential equations and applications : optimal switching, stochastic games, partial differential equations and mean-field

par Tingshu Mu

Thèse de doctorat en Mathématiques

Sous la direction de Saïd Hamadène.

Soutenue le 15-10-2020

à Le Mans , dans le cadre de École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes) , en partenariat avec Laboratoire manceau de mathématiques (laboratoire) et de Laboratoire Manceau de Mathématiques / LMM (laboratoire) .

Le président du jury était Anis Matoussi.

Le jury était composé de Saïd Hamadène, Anis Matoussi, Boualem Djehiche, Marie-Amélie Morlais.

Les rapporteurs étaient Philippe Briand, Jean-François Chassagneux.

  • Titre traduit

    Équations différentielles stochastiques rétrogrades et applications : switching optimal, jeux stochastiques, EDP et mean-field


  • Résumé

    Cette thèse est relative aux Equations Différentielles Stochastique Rétrogrades (EDSRs) réfléchies avec deux obstacles et leurs applications aux jeux de switching de somme nulle, aux systèmes d’équations aux dérivées partielles, aux problèmes de mean-field. Il y a deux parties dans cette thèse. La première partie porte sur le switching optimal stochastique et est composée de deux travaux. Dans le premier travail, nous montrons l’existence de la solution d’un système d’EDSR réfléchies à obstacles bilatéraux interconnectés dans le cadre probabiliste général. Ce problème est lié à un jeu de switching de somme nulle. Ensuite nous abordons la question de l’unicité de la solution. Et enfin nous appliquons les résultats obtenus pour montrer que le système d’EDP associé à une unique solution au sens viscosité, sans la condition de monotonie habituelle. Dans le second travail, nous considérons aussi un système d’EDSRs réfléchies à obstacles bilatéraux interconnectés dans le cadre markovien. La différence avec le premier travail réside dans le fait que le switching ne s’opère pas de la même manière. Cette fois-ci quand le switching est opéré, le système est mis dans l’état suivant importe peu lequel des joueurs décide de switcher. Cette différence est fondamentale et complique singulièrement le problème de l’existence de la solution du système. Néanmoins, dans le cadre markovien nous montrons cette existence et donnons un résultat d’unicité en utilisant principalement la méthode de Perron. Ensuite, le lien avec un jeu de switching spécifique est établi dans deux cadres. Dans la seconde partie nous étudions les EDSR réfléchies unidimensionnelles à deux obstacles de type mean-field. Par la méthode du point fixe, nous montrons l’existence et l’unicité de la solution dans deux cadres, en fonction de l’intégrabilité des données.


  • Résumé

    This thesis is related to Doubly Reflected Backward Stochastic Differential Equations (DRBSDEs) with two obstacles and their applications in zero-sum stochastic switching games, systems of partial differential equations, mean-field problems.There are two parts in this thesis. The first part deals with optimal stochastic switching and is composed of two works. In the first work we prove the existence of the solution of a system of DRBSDEs with bilateral interconnected obstacles in a probabilistic framework. This problem is related to a zero-sum switching game. Then we tackle the problem of the uniqueness of the solution. Finally, we apply the obtained results and prove that, without the usual monotonicity condition, the associated PDE system has a unique solution in viscosity sense. In the second work, we also consider a system of DRBSDEs with bilateral interconnected obstacles in the markovian framework. The difference between this work and the first one lies in the fact that switching does not work in the same way. In this second framework, when switching is operated, the system is put in the following state regardless of which player decides to switch. This difference is fundamental and largely complicates the problem of the existence of the solution of the system. Nevertheless, in the Markovian framework we show this existence and give a uniqueness result by the Perron’s method. Later on, two particular switching games are analyzed.In the second part we study a one-dimensional Reflected BSDE with two obstacles of mean-field type. By the fixed point method, we show the existence and uniqueness of the solution in connection with the integrality of the data.


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