Stratégies des décarbonisation : une perspective de théorie des jeux

Decarbonization strategies : a game theory perspective

• Auteur / Autrice : Bouchra Mroué
• Direction : Samson Lasaulce, Irinel Constantin Morarescu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, Traitement du signal et des images, Génie informatique
• Date : Soutenance le 04/04/2024
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche en automatique (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Béreau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Samson Lasaulce, Irinel Constantin Morarescu, Philippe Ciblat, Patrick Maillé, Olivier Beaude
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Ciblat, Patrick Maillé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Jeux de stratégie (mathématiques)

Prise de décision -- Modèles mathématiques

Aspect économique

Changements climatiques

Equilibre de Nash

Théorie des jeux

Mots clés libres

Théorie des jeux

Équilibre de Nash

Modèles de changement climatique

Jeu statique

Jeu potentiel

Systèmes interconnectés

Game theory

Nash equilibrium

Climate change models

Static game

Potential game

Interconnected systems

Résumé

Cette thèse étudie l’impact socio-économique du changement climatique à l’aide de la théorie des jeux et a pour but de déterminer des stratégies de réduction d’émission au niveau des gouvernements. La thèse commence par une introduction informelle, offrant des perspectives sur la modélisation des problèmes liés au changement climatique à l’aide de la théorie des jeux et de l’optimisation, les deux piliers méthodologiques de la thèse. Le Chapitre 2 propose un traitement formel, présentant des préliminaires essentiels pour les chapitres suivants. Les définitions de la théorie des graphes et les concepts clés de la théorie des jeux, cruciaux pour la thèse, sont présentés dans ce chapitre fondamental. Le Chapitre 3 présente la motivation du sujet de recherche abordé dans cette thèse et résume les contributions proposées. Il examine de manière critique les limites des stratégies actuelles de réduction des émissions, principalement motivées par des considérations économiques à court terme, empêchant les efforts mondiaux. Ensuite, nous présentons une synthèse approfondie sur les modèles de changement climatique et les cadres théoriques utilisés pour leur analyse. Les modèles climatiques, inspirés des projections du GIEC, font l’objet d’une analyse afin de mettre en lumière les circonstances qui influencent le comportement des nations en matière de réduction des émissions. Dans le Chapitre 4, nous formulons un jeu statique sous forme stratégique, nous permettant d’étudier le processus de prise de décision et de mettre en évidence un comportement écologiquement responsable. Pour atteindre cet objectif, nous effectuons une analyse complète des équilibres de Nash du jeu. Nous fournissons des conditions sous lesquelles l’équilibre est unique et analysons numériquement l’impact de différents choix de modélisation. Le chapitre se termine par une brève discussion résumant les messages clés de cette partie. L’étude se poursuit dans le Chapitre 5, où le problème du changement climatique est présenté sous la forme d’un jeu d’imitation. Dans cette configuration, les joueurs minimisent une fonction d’utilité comprenant des avantages socio-économiques, des dommages liés au changement climatique globale et un terme d’imitation capturant l’influence des autres joueurs. L’analyse de l’équilibre de Nash révèle une variété de comportements des joueurs face à la prise de conscience du changement climatique et à l’influence mutuelle. Des paramètres clés, tels que le poids de l’imitation, sont analysés numériquement, soulignant l’importance de la coordination et de la coopération dans l’atténuation du changement climatique. Cette thèse étudie l’interaction complexe entre les considérations climatiques et la théorie des jeux, offrant une compréhension nuancée des stratégies mondiales de réduction des émissions. Les perspectives fournies contribuent au domaine de la recherche de solutions durables pour faire face au réchauffement climatique.

This thesis delves into the study of climate change by the tools of game theory, investigating strategies for global emissions reduction. The journey begins with an informal introduction, providing insights into the modeling of climate change problems using game theory and optimization—the twin pillars of the thesis. Chapter 2 provides a formal treatment, presenting preliminaries which are instrumental for the subsequent chapters. Graph theory definitions and key concepts in game theory, pivotal to the thesis, are revisited in this foundational chapter. Chapter 3 outlines the motivation for the research subject addressed in this thesis and summarizes the proposed contributions. It critically examines the limitations of the current emission reduction strategies, primarily driven by short-term economic considerations, blocking global efforts. Next, we present a thorough survey of the climate change models and the theoretical frameworks employed for their analysis. Climate models, inspired by IPCC projections, are examined to unravel the circumstances influencing nations’ behavior in emissions reduction. In Chapter 4, we formulate a static game model in the strategic form, allowing us to study the decision-making process and exhibit environmentally conscious behavior. To reach this goal, we conduct a complete analysis of the Nash equilibria of the game. We provide conditions under which the equilibrium is unique and numerically analyze the impact of different modeling choices. The Chapter ends with a brief discussion summarizing the takeaway messages of this part. The study continues in Chapter 5, where the climate change problem is cast as an imitation game. In this setup, the players are minimizing a utility function including socio-economic benefits, global climate change damage, and an imitation term capturing the influence of the other players. The Nash equilibrium analysis unveils a variety of players’ behaviors under climate change awareness and mutual influence. Key parameters, such as the weight of imitation, are numerically analyzed, emphasizing the importance of coordination and cooperation in mitigating climate change. This thesis explores the complex interplay between climate considerations and game theory, providing a nuanced understanding of global emissions reduction strategies. The provided insights contribute to the broad subject of finding sustainable solutions for addressing the urgent issue of global warming.