Cette thèse étudie les liens entre a) les jeux en temps discret et continu, et b) les jeux à très grand nombre de joueurs identiques et les jeux avec un continuum de joueurs. Une motivation pour ces sujets ainsi que les contributions principales de cette thèse sont présentées dans le Chapitre 1. Le reste de la thèse est organisé en trois parties. La Partie I étudie les jeux différentiels à somme nulle et à deux joueurs. Nous décrivons dans le Chapitre 3 trois approches qui ont été proposées dans la littérature pour établir l’existence de la valeur dans les jeux différentiels à deux joueurs et à somme nulle, en soulignant les liens qui existent entre elles. Nous fournissons dans le Chapitre 4 une démonstration de l’existence de la valeur à l’aide d’une description explicite des stratégies ε optimales. Le Chapitre 5 établit l’équivalence entre les solutions de minimax et les solutions de viscosité pour les équations de Hamilton-Jacobi-Isaacs. La Partie II porte sur les jeux à champ moyen en temps discret. L’espace d’action est supposé compact dans le Chapitre 6, et fini dans le Chapitre 7. Dans les deux cas, nous obtenons l’existence d’un ε- équilibre de Nash pour un jeu stochastique avec un nombre fini de joueurs identiques, où le terme d’approximation tend vers zéro lorsque le nombre de joueurs augmente. Nous obtenons dans le Chapitre 7 des bornes d’erreur explicites, ainsi que l’existence d’un ε-équilibre de Nash pour un jeu stochastique à durée d’étape évanescente et à un nombre fini de joueurs identiques. Dans ce cas, le terme d’approximation est fonction à la fois du nombre de joueurs et de la durée d’étape. Enfin, la Partie III porte sur les jeux stochastiques à durée d’étape évanescente, qui sont décrits dans le Chapitre 8. Il s’agit de jeux où un paramètre évolue selon une chaîne de Markov en temps continu, tandis que les joueurs choisissent leurs actions à des dates discrètes. La dynamique en temps continu dépend des actions des joueurs. Nous considérons trois évaluations différentes pour le paiement et deux structures d’information : dans un cas, les joueurs observent les actions passées et le paramètre, et dans l’autre, seules les actions passées sont observées. / In this thesis we describe some links between a) discrete and continuous time games and b) games with finitely many players and games with a continuum of players. A motivation to the subject and the main contributions are outlined in Chapter 2. The rest of the thesis is organized in three parts: Part I is devoted to differential games, describing the different approaches for establishing the existence of the value of two player, zero sum differential games in Chapter 3 and pointing out connections between them. In Chapter 4 we provide a proof of the existence of the value using an explicit description of ε-optimal strategies and a proof of the equivalence of minimax solutions and viscosity solutions for Hamilton-Jacobi-Isaacs equations in Chapter 5. Part II concerns discrete time mean field games. We study two models with different assumptions, in particular, in Chapter 6 we consider a compact action space while in Chapter 7 the action space is finite. In both cases we derive the existence of an ε-Nash equilibrium for a stochastic game with finitely many identical players, where the approximation error vanishes as the number of players increases. We obtain explicit error bounds in Chapter 7 where we also obtain the existence of an ε-Nash equilibrium for a stochastic game with short stage duration and finitely many identical players, with the approximation error depending both on the number of players and the duration of the stage. Part III is concerned with two player, zero sum stochastic games with short stage duration, described in Chapter 8. These are games where a parameter evolves following a continuous time Markov chain, while the players choose their actions at the nodes of a given partition of the positive real axis. The continuous time dynamics of the parameter depends on the actions of the players. We consider three different evaluations for the payoff and two different information structures: when players observe the past actions and the parameter and when players observe past actions but not the parameter.

This dissertation consists of three chapters on the topic of differential games and resource economics. The first chapter extends the envelope theorem to the class of discounted infinite horizon differential games that posses locally differentiable Nash equilibria. The theorems cover both the open-loop and feedback information structures, and are applied to a simple analytically solvable linear-quadratic game. The results show that the conventional interpretation of the costate variable as the shadow value of the state variable along the equilibrium path is only valid for feedback Nash equilibria, but not for open-loop Nash equilibria. The specific linear-quadratic structure provides some extra insights on the theorem. For example, the costate variable is shown to uniformly overestimate the shadow value of the state variable in the open-loop case, but the growth rate of the costate variable are the same as the shadow value under open-loop and feedback information structures. Chapter two investigates the qualitative properties of symmetric open-loop Nash equilibria for a ubiquitous class of discounted infinite horizon differential games. The results show that the specific functional forms and the value of parameters used in the game are crucial in determining the local asymptotic stability of steady state, the steady state comparative statics, and the local comparative dynamics. Several sufficient conditions are provided to identify a local saddle point type of steady state. An important steady state policy implication from the model is that functional forms and parameter values are not only quantitatively important to differentiate policy tools, but they are also qualitatively important. Chapter three shifts the interests to the lottery mechanism for rationing public resources. It characterizes the optimal pricing strategies of lotteries for a welfare-maximization agency. The optimal prices are shown to be positive for a wide range of individual private value distributions, suggesting that the sub-optimal pricing may result in a significant efficiency loss and that the earlier studies under zero-pricing may need to be re-examined. In addition, I identify the revenue and welfare equivalency propositions across lottery institutions. Finally, the numerical simulations strongly support the findings.

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Le but de cette thèse est d'apporter une contribution à la problématique de valorisation de produits dérivés en marchés incomplets. Nous considérons tout d'abord les cibles stochastiques introduites par Soner et Touzi (2002) afin de traiter le problème de sur-réplication, et récemment étendues afin de traiter des approches plus générales par Bouchard, Elie et Touzi (2009). Nous généralisons le travail de Bouchard {\sl et al} à un cadre plus général où les diffusions sont sujettes à des sauts. Nous devons considérer dans ce cas des contrôles qui prennent la forme de fonctions non bornées, ce qui impacte de façon non triviale la dérivation des EDP correspondantes. Notre deuxième contribution consiste à établir une version des cibles stochastiques qui soit robuste à l'incertitude de modèle. Dans un cadre abstrait, nous établissons une version faible du principe de programmation dynamique géométrique de Soner et Touzi (2002), et nous dérivons, dans un cas d'EDS controllées, l'équation aux dérivées partielles correspondantes, au sens des viscosités. Nous nous intéressons ensuite à un exemple de couverture partielle sous incertitude de Knightian. Finalement, nous nous concentrons sur le problème de valorisation de produits dérivées {\sl hybrides} (produits dérivés combinant finance de marché et assurance). Nous cherchons plus particulièrement à établir une condition suffisante sous laquelle une règle de valorisation (populaire dans l'industrie), consistant à combiner l'approches actuarielle de mutualisation avec une approche d'arbitrage, soit valable.

Dans le cadre de cette thèse, je m'intéresse à la gestion des combustibles fossiles (pétrole, gaz naturel, charbon) en présence d'interactions stratégiques entre diffé­rents types d'agents. Dans un premier temps, j'étudie sous quelles conditions deux firmes asymétriques, exploitant une ressource non renouvelable, peuvent s'entendre autour d'un accord de coopération et ainsi former un cartel. J'analyse en parti­culier l'ensemble des accords possibles ainsi que la possibilité que ceux-ci soient acceptés par toutes les parties prenantes. Dans un second temps, je m'intéresse plus spécifiquement à l'incitation des pays membres du cartel de l'Opep à sures­timer ou sous-estimer leurs réserves de pétrole depuis l'instauration du système des quotas de production en 1982. Enfin, je caractérise la politique optimale d'un gouvernement en faveur du développement des technologies backstop au travers de subventions en R&D afin d'assurer la transition énergétique depuis des énergies fossiles polluantes à des énergies renouvelables non polluantes. Mais, je fais cette analyse dans le contexte où la production est contrôlée par une firme indépendante et lorsque le gouvernement ne peut pas implémenter une taxe sur les émissions. Un point commun de ces trois chapitres est la présence d'agents ayant des intérêts divergents. D'un point de vue méthodologique, j'utilise la théorie des jeux et, en particulier, les jeux différentiels dans les deux premiers chapitres. / This dissertation provides an analysis of the management of fossil fuels (oil, gas, coal) in the presence of strategic interactions between different types of agents. First, I study under which conditions two asymmetric firms, extracting a nonre­newable resource, may agree upon a cooperative agreement and, thus, merge into a cartel. I analyse, in particular, the set of feasible agreements and the possibility that every players accept one of them. Second, I focus more specifically on the incentives for the Opec members to over-report or under-report their oil reserves since the set of production quotas in 1982. Third, I characterize the optimal policy of a government in favor of the developing of backstop technologies through R&D subsidies in order to ensure the ecological transition from polluting fossil fuels to non-polluting renewable energies. However, I conduct this analysis in the context where the supply is controlled by an independent firm and when the government cannot implement a Pigovian tax on emissions. A common theme of these dif­ferent chapters is the presence of agents whose interests are contradictory. From a methodological point of view, I use game theory and, in particular, differential games in the two first chapters.

Cette thèse traite les jeux différentiels stochastiques de somme non nulle (JDSNN) dans le cadre de Markovien et de leurs liens avec les équations différentielles stochastiques rétrogrades (EDSR) multidimensionnelles. Nous étudions trois problèmes différents. Tout d'abord, nous considérons un JDSNN où le coefficient de dérive n'est pas borné, mais supposé uniquement à croissance linéaire. Ensuite certains cas particuliers de coefficients de diffusion non bornés sont aussi considérés. Nous montrons que le jeu admet un point d'équilibre de Nash via la preuve de l'existence de la solution de l'EDSR associée et lorsque la condition d'Isaacs généralisée est satisfaite. La nouveauté est que le générateur de l'EDSR, qui est multidimensionnelle, est de croissance linéaire stochastique par rapport au processus de volatilité. Le deuxième problème est aussi relatif au JDSNN mais les payoffs ont des fonctions d'utilité exponentielles. Les EDSRs associées à ce jeu sont de type multidimensionnelles et quadratiques en la volatilité. Nous montrons de nouveau l'existence d’un équilibre de Nash. Le dernier problème que nous traitons, est un jeu bang-bang qui conduit à des hamiltoniens discontinus. Dans ce cas, nous reformulons le théorème de vérification et nous montrons l’existence d’un équilibre de Nash qui est du type bang-bang, i.e., prenant ses valeurs sur le bord du domaine en fonction du signe de la dérivée de la fonction valeur ou du processus de volatilité. L'EDSR dans ce cas est un système multidimensionnel couplé, dont le générateur est discontinu par rapport au processus de volatilité. / This dissertation studies the multiple players nonzero-sum stochastic differential games (NZSDG) in the Markovian framework and their connections with multiple dimensional backward stochastic differential equations (BSDEs). There are three problems that we are focused on. Firstly, we consider a NZSDG where the drift coefficient is not bound but is of linear growth. Some particular cases of unbounded diffusion coefficient of the diffusion process are also considered. The existence of Nash equilibrium point is proved under the generalized Isaacs condition via the existence of the solution of the associated BSDE. The novelty is that the generator of the BSDE is multiple dimensional, continuous and of stochastic linear growth with respect to the volatility process. The second problem is of risk-sensitive type, i.e. the payoffs integrate utility exponential functions, and the drift of the diffusion is unbounded. The associated BSDE is of multi-dimension whose generator is quadratic on the volatility. Once again we show the existence of Nash equilibria via the solution of the BSDE. The last problem that we treat is a bang-bang game which leads to discontinuous Hamiltonians. We reformulate the verification theorem and we show the existence of a Nash point for the game which is of bang-bang type, i.e., it takes its values in the border of the domain according to the sign of the derivatives of the value function. The BSDE in this case is a coupled multi-dimensional system, whose generator is discontinuous on the volatility process.

We develop the robust control theories of stopping-time nonlinear systems and switching-control nonlinear systems. We formulate a robust optimal stopping-time control problem for a state-space nonlinear system and give the connection between various notions of lower value function for the associated game (and storage function for the associated dissipative system) with solutions of the appropriate variational inequality (VI). We show that the stopping-time rule can be obtained by solving the VI in the viscosity sense. It also happens that a positive definite supersolution of the VI can be used for stability analysis. We also show how to solve the VI for some prototype examples with one-dimensional state space. For the robust optimal switching-control problem, we establish the Dynamic Programming Principle (DPP) for the lower value function of the associated game and employ it to derive the appropriate system of quasivariational inequalities (SQVI) for the lower value vector function. Moreover we formulate the problem in the <I>L</I>₂-gain/dissipative system framework. We show that, under appropriate assumptions, continuous switching-storage (vector) functions are characterized as viscosity supersolutions of the SQVI, and that the minimal such storage function is equal to the lower value function for the game. We show that the control strategy achieving the dissipative inequality is obtained by solving the SQVI in the viscosity sense; in fact this solution is also used to address stability analysis of the switching system. In addition we prove the comparison principle between a viscosity subsolution and a viscosity supersolution of the SQVI satisfying a boundary condition and use it to give an alternative derivation of the characterization of the lower value function. Finally we solve the SQVI for a simple one-dimensional example by a direct geometric construction. / Ph. D.

Nicotinic acid adenine dinucleotide phosphate (NAADP) is a potent Ca²⁺ mobilising messenger in mammalian and non-mammalian cells. Studies on a variety of cell types suggest that NAADP evokes Ca²⁺ release from a lysosome-related store and via activation of a receptor distinct from either ryanodine receptors (RyR) or inositol 1,4,5-trisphosphate (IP₃) receptors (IP₃R). However, the identity of the NAADP receptor has, until now, remained elusive. In this thesis I have shown that NAADP-evoked Ca²⁺ release from lysosomes is underpinned by two-pore channels (TPCs), of which there are 3 subtypes, TPC1, TPC2 and TPC3. When stably over-expressed in HEK293 cells, TPC2 was found to be specifically targeted to lysosomes, while TPC1 and TPC3 were targeted to endosomes. Initial Ca²⁺ signals via TPC2, but not those via TPC1, were amplified into global Ca²⁺ waves by Ca²⁺-induced Ca²⁺ release (CICR) from the endoplasmic reticulum (ER) via IP₃Rs. I have shown that, consistent with a role for TPCs in NAADP-mediated Ca²⁺ release, TPC2 is expressed in pulmonary arterial smooth muscle cells (PASMCs), is likely targeted to lysosomal membranes, and that TPCs also underpin NAADP-evoked Ca²⁺ signalling in this cell type. However, and in contrast to HEK293 cells, in PASMCs NAADP evokes spatially restricted Ca²⁺ bursts that are amplified into global Ca²⁺ waves by CICR from the sarcoplasmic reticulum (SR) via a subpopulation of RyRs, but not via IP₃Rs. I have demonstrated that lysosomes preferentially co-localise with RyR subtype 3 (RyR3) in the perinuclear region of PASMCs to comprise a “trigger zone” for Ca²⁺ signalling by NAADP, away from which a propagating Ca²⁺ wave may be carried by subsequent recruitment of RyR2. The identification of TPCs as a family of NAADP receptors may further our understanding of the mechanisms that confer the versatility of Ca²⁺ signalling which is required to regulate such diverse cellular functions as gene expression, fertilization, cell growth, and ultimately cell death.

Ce manuscrit présente les fondements dynamiques des jeux de population avec un nombre variable de joueurs ainsi que leurs concepts de solutions et de stabilités. Nous introduisons d'abord les dynamiques de jeux avec retard et étudions leurs stabilités. Nous les appliquons aux réseaux filaires et aux réseaux sans fils. Ensuite nous nous intéressons aux aspects de mobilité et aux distributions spatiales des joueurs sur le réseau. Cela nous conduit à une nouvelle classe de dynamique de jeux à stratégies vectorielles avec des contraintes de migrations, appelée dynamique de jeux d'évolution avec migration. Nous dérivons de telles dynamiques pour les réseaux hybrides et appliquons aux problèmes de contrôle de puissance dans les réseaux hétérogènes, choix entre plusieurs technologies et migration entre plusieurs classes d'utilisateurs. Ensuite nous nous focalisons aux jeux stochastiques de population avec plusieurs classes de joueurs dans lesquels chaque joueur possède son propre état et fait face un vecteur qui évolue dans le temps. Des applications à la gestion d'énergie dans les réseaux sont présentées. Finalement, nous étudions une classe de jeux à champ moyen. Lorsque la taille de la population devient très grande, les asymptotiques du système conduisent à des dynamiques appelées dynamiques de jeux à champ moyen. Cette classe de dynamiques contient les dynamiques standard basées sur des révisions de stratégies. Nous utilisons ce modèle pour analyser les problèmes accès aléatoires à des ressources dans un environnement où les utilisateurs et les ressources sont spatialement distribuées. Nous établissons un lien entre les jeux à champ moyen et les jeux différentiels de population dans lesquels chaque joueur a son état individuel et optimise son paiement à long terme pendant son temps de séjour dans le système sous contraintes que le profil de population évolue selon une dynamique de jeux à champ moyen / His manuscript presents dynamic foundations of population games with variable number of players and their solutions and stability concepts. We first introduce delayed evolutionary game dynamics and study their stability. Applications to both wired and wireless networks are presented. We then introduce mobility and spatial aspects of players distribution into the network dynamics. This leads to a new class of game dynamics with multicomponent strategies and migration constraints called evolutionary game dynamics with migration. We derived such dynamics for hybrid systems such as power control in heterogenous networks, switching between technologies and migration between different classes of users. After that we focus on stochastic population games with multiple classes of players in which each player has its own state and facing to an evolving vector which represents the population profile. We use this model to analyze resource and energy constrained interactions in wireless networks. Finally, we present a class of mean field games. When taking the asymptotics of finite systems, we derive a new class of game dynamics called mean field game dynamics. This class contains the standard evolutionary game dynamics based on revision of pure actions. We apply this model to analyze spatial random access game and dynamic resource competition game with individual states. We establish a link betweenmean field games and differential population games inwhich each player optimizes its long-term objective during its sojourn time in the system subject to the constraint that the population profile evolves according to some mean field game dynamics

The paper describes the software implementation of the numerical method proposed by M.Bardi and M.Falcone solving optimal time games. Examples of numerical calculations are given. The question of the applicability of this method for solving differential games with life line, i.e. with a set where the second player escapes and wins unconditionally, is discussed and examined. Currently, the study has not been completed and will be continued in the future. / В работе приведено описание программной реализации численного метода, предложенного М.Барди и М.Фальконе для решения игр быстродействия. Приведены примеры численного счета. Обсуждается и исследуется вопрос о применимости данного метода для решения дифференциальных игр быстродействия с линией жизни, то есть с множеством, при попадании системы на которое второй игрок безусловно выигрывает. В настоящее время это исследование не доведено до конца и будет продолжено в дальнейшем.