Deterministic Mean Field Games with Jumps
Jeux à champ moyen déterministes avec sauts
Résumé
This thesis focuses on the study of deterministic Mean Field Games with
jumps. The motivation for this problem is the modeling of the dynamics of inhabitants
in a city where agents move from one place to another. Thus, the strategies of the players
are piecewise constant curves on which they optimize a cost that depends on the number
of jumps, a term dependent on the density in a variational way, a term dependent on the
density in a non-variational way, and a final time cost.
The manuscript begins with an introduction to Mean Field Game theory and presents
a new existence result of a fixed point for the mixed problem (a problem with both a
variational and a non-variational term), thanks to Kakutani’s theorem.
We then provide an Eulerian formulation of the previous problem, which is in Lagrangian
form, thanks to a property of optimal transport when the cost is the trivial
distance. The existence of a fixed point in the Eulerian formulation can even be achieved
using Banach’s fixed-point theorem.
We then show that the fixed point obtained as an optimizer of a variational problem
is actually a Nash equilibrium, which requires using regularity results of the solution.
Regularity is studied through the Eulerian formulation which reveals an L1 norm in
the density velocity. We obtain a Lipschitz regularity in time with values in L2(Omega). Under
Dirichlet conditions in time, the solution has the same spatial regularity as the data.
In a numerical section, the solution is approximated using non-smooth optimization
algorithms (fast dual proximal gradient method). The last chapter presents two applications
of the deterministic mean field games model with jumps in the case of multiple
populations.
Cette thèse porte sur l’étude des jeux à champ moyen déterministes avec sauts. La motivation
de ce problème est la modélisation de la dynamique des habitants dans une ville où les agents déménagent
d’un endroit à un autre. Ainsi, les stratégies des joueurs sont des courbes constantes par morceaux sur
lesquelles ils optimisent un coût dépendant du nombre de sauts, d’un terme dépendant de la densité de
façon variationnelle, d’un terme dépendant de la densité de façon non-variationnelle et d’un coût en temps
final.
Le manuscrit commence par une introduction à la théorie des jeux à champs moyen et présente un résultat
nouveau d’existence d’un point fixe pour le problème mixte (problème avec un terme variationnel et un
autre non-variationnel), grâce au théorème de Kakutani.
Nous donnons ensuite une formulation Eulérienne du problème précédent qui est sous forme Lagrangienne,
grâce à une propriété du transport optimal lorsque le coût est la distance triviale. L’existence d’un point
fixe dans la formulation Eulérienne peut même se faire par le théorème de point fixe de Banach.
Nous montrons ensuite que le point fixe obtenu comme un optimiseur d’un problème variationnel est en
fait un équilibre de Nash, ce qui demande à utiliser des résultats de régularité de la solution.
La régularité est étudiée grâce à la formulation Eulérienne qui fait apparaître une norme L1 dans la vitesse
de la densité. Nous obtenons une régularité Lipschitz en temps à valeurs dans L2(Omega). Sous des conditions
de Dirichlet en temps, la solution a la même régularité en espace que les données.
Dans une partie numérique, la solution est approximée en utilisant des algorithmes d’optimisation nonlisses
(méthode de gradient proximal dual rapide). Le dernier chapitre est une présentation de deux
applications du modèle de jeux à champ moyen déterministes avec sauts dans le cas à plusieurs populations.
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