Branching diffusion representation of semi-linear elliptic PDEs and estimation using Monte Carlo method

We study semi-linear elliptic PDEs with polynomial non-linearity and provide a probabilistic representation of their solution using branching diffusion processes. When the non-linearity involves the unknown function but not its derivatives, we extend previous results in the literature by showing that our probabilistic representation provides a solution to the PDE without assuming its existence. In the general case, we derive a new representation of the solution by using marked branching diffusion processes and automatic differentiation formulas to account for the non-linear gradient term. In both cases, we develop new theoretical tools to provide explicit sufficient conditions under which our probabilistic representations hold. As an application, we consider several examples including multi-dimensional semi-linear elliptic PDEs and estimate their solution by using the Monte Carlo method

Some Results on Skorokhod Embedding and Robust Hedging with Local Time

In this paper, we provide some results on Skorokhod embedding with local time and its applications to the robust hedging problem in finance. First we investigate the robust hedging of options depending on the local time by using the recently introduced stochastic control approach, in order to identify the optimal hedging strategies, as well as the market models that realize the extremal no-arbitrage prices. As a by-product, the optimality of Vallois' Skorokhod embeddings is recovered. In addition, under appropriate conditions, we derive a new solution to the two-marginal Skorokhod embedding as a generalization of the Vallois solution. It turns out from our analysis that one needs to relax the monotonicity assumption on the embedding functions in order to embed a larger class of marginal distributions. Finally, in a full-marginal setting where the stopping times given by Vallois are well-ordered, we construct a remarkable Markov martingale which provides a new example of fake Brownian motion

On the link between infinite horizon control and quasi-stationary distributions

International audienceWe study infinite horizon control of continuous-time non-linear branching processes with almost sure extinction for general (positive or negative) discount. Our main goal is to study the link between infinite horizon control of these processes and an optimization problem involving their quasi-stationary distributions and the corresponding extinction rates. More precisely, we obtain an equivalent of the value function when the discount parameter is close to the threshold where the value function becomes infinite , and we characterize the optimal Markov control in this limit. To achieve this, we present a new proof of the dynamic programming principle based upon a pseudo-Markov property for controlled jump processes. We also prove the convergence to a unique quasi-stationary distribution of non-linear branching processes controlled by a Markov control conditioned on non-extinction

Branching diffusion representation of semi-linear elliptic PDEs and estimation using Monte Carlo method

We study semi-linear elliptic PDEs with polynomial non-linearity in bounded domains and provide a probabilistic representation of their solution using branching diffusion processes. When the non-linearity involves the unknown function but not its derivatives, we extend previous results in the literature by showing that our probabilistic representation provides a solution to the PDE without assuming its existence. In the general case, we derive a new representation of the solution by using marked branching diffusion processes and automatic differentiation formulas to account for the non-linear gradient term. We consider several examples and estimate their solution by using the Monte Carlo method

Semaine d'Etude Mathématiques et Entreprises 2 : Analyse multivariées pour la production d'aluminium

Ce rapport présente l'étude statistique, menée au cours de la deuxième Semaine d'Étude Maths-Entreprises, d'un problème industriel rencontré par Rio Tinto Alcan. Productrice d'aluminium par électrolyse, cette entreprise cherche à expliquer des fluctuations de procédé. À partir d'un ensemble de mesures sur les anodes et sur les cuves à électrolyse, nous proposons d'utiliser des méthodes d'analyse multivariée pour construire des modèles explicatifs. Le but étant de permettre aux usines d'éviter les périodes avec des fluctuations. Dans une première section, nous présentons le problème et ses enjeux. Nous détaillons dans les sections suivantes les différentes méthodes explorées et les résultats obtenus : l'analyse du coefficient de corré- lation en présence d'un déphasage et l'auto-corrélation, l'analyse en composantes principales, les arbres de décisions, le clustering et la régression linéaire. Des résultats complémentaires sont donnés en annexe

Dynamique des populations : contrôle stochastique et modélisation hybride du cancer

The main objective of this thesis is to develop stochastic control theory and applications to population dynamics. From a theoritical point of view, we study finite horizon stochastic control problems on diffusion processes, nonlinear branching processes and branching diffusion processes. In each case we establish a dynamic programmic principle by carefully proving a conditioning argument similar to the strong Markov property for controlled processes. Then we deduce that the value function is a (viscosity or regular) solution of the associated Hamilton-Jacobi-Bellman equation. In the regular case, we further identify an optimal control in the class of markovian strategies thanks to a verification theorem. From a pratical point of view, we are interested in mathematical modelling of cancer growth and treatment. More precisely, we build a hybrid model of tumor growth taking into account the essential role of acidity. Therapeutic targets appear explicitly as model parameters in order to be able to evaluate treatment strategies.L'objectif de cette thèse est de développer la théorie du contrôle stochastique et ses applications en dynamique des populations. D'un point de vue théorique, nous présentons l'étude de problèmes de contrôle stochastique à horizon fini sur des processus de diffusion, de branchement non linéaire et de branchement-diffusion. Dans chacun des cas, nous raisonnons par la méthode de la programmation dynamique en veillant à démontrer soigneusement un argument de conditionnement analogue à la propriété de Markov forte pour les processus contrôlés. Le principe de la programmation dynamique nous permet alors de prouver que la fonction valeur est solution (régulière ou de viscosité) de l'équation de Hamilton-Jacobi-Bellman correspondante. Dans le cas régulier, nous identifions également un contrôle optimal markovien par un théorème de vérification. Du point de vue des applications, nous nous intéressons à la modélisation mathématique du cancer et de ses stratégies thérapeutiques. Plus précisément, nous construisons un modèle hybride de croissance de tumeur qui rend compte du rôle fondamental de l'acidité dans l'évolution de la maladie. Les cibles de la thérapie apparaissent explicitement comme paramètres du modèle afin de pouvoir l'utiliser comme support d'évaluation de stratégies thérapeutiques

Population dynamics : stochastic control and hybrid modelling of cancer

L'objectif de cette thèse est de développer la théorie du contrôle stochastique et ses applications en dynamique des populations. D'un point de vue théorique, nous présentons l'étude de problèmes de contrôle stochastique à horizon fini sur des processus de diffusion, de branchement non linéaire et de branchement-diffusion. Dans chacun des cas, nous raisonnons par la méthode de la programmation dynamique en veillant à démontrer soigneusement un argument de conditionnement analogue à la propriété de Markov forte pour les processus contrôlés. Le principe de la programmation dynamique nous permet alors de prouver que la fonction valeur est solution (régulière ou de viscosité) de l'équation de Hamilton-Jacobi-Bellman correspondante. Dans le cas régulier, nous identifions également un contrôle optimal markovien par un théorème de vérification. Du point de vue des applications, nous nous intéressons à la modélisation mathématique du cancer et de ses stratégies thérapeutiques. Plus précisément, nous construisons un modèle hybride de croissance de tumeur qui rend compte du rôle fondamental de l'acidité dans l'évolution de la maladie. Les cibles de la thérapie apparaissent explicitement comme paramètres du modèle afin de pouvoir l'utiliser comme support d'évaluation de stratégies thérapeutiques.The main objective of this thesis is to develop stochastic control theory and applications to population dynamics. From a theoritical point of view, we study finite horizon stochastic control problems on diffusion processes, nonlinear branching processes and branching diffusion processes. In each case we establish a dynamic programmic principle by carefully proving a conditioning argument similar to the strong Markov property for controlled processes. Then we deduce that the value function is a (viscosity or regular) solution of the associated Hamilton-Jacobi-Bellman equation. In the regular case, we further identify an optimal control in the class of markovian strategies thanks to a verification theorem. From a pratical point of view, we are interested in mathematical modelling of cancer growth and treatment. More precisely, we build a hybrid model of tumor growth taking into account the essential role of acidity. Therapeutic targets appear explicitly as model parameters in order to be able to evaluate treatment strategies

Optimal control of branching diffusion processes: A finite horizon problem

International audienc