Cette thèse s'intéresse aux jeux statistiques avec observations partielles. Ces jeux ne sont pas la formalisation d'une intéraction stratégique entre deux joueurs parfaitement rationnels, mais entre un joueur et la nature (ou l'environnement). On donne ce nom au second joueur car aucune hypothèse n'est faite sur ses paiements, ses objectifs ou sa rationalité. Les observations du joueur sont dites complètes s'il observe les choix de la nature, i.e. si il apprend a posteriori soit quelle est, à chaque étape, l'action choisie par cette dernière soit au moins son propre paiement. On s'intéressera au cadre où cette hypothèse est aaiblie et où l'on suppose que le joueur n'a que des observations partielles : il ne reçoit à chaque étape qu'un signal aléatoire dont la loi dépend de l'action de la nature. L'objectif principal de cette thèse est de généraliser des notions largement utilis ées dans les jeux avec observations complètes au cadre des jeux avec observations partielles. Nous allons en eet, dans un premier temps, construire des stratégies qui n'ont pas de regret interne et dans un deuxième temps nous allons caractériser les ensembles approchables.

Cette thèse étudie différents aspects asymptotiques du modèle de jeux répétés à information incomplète d'un côté à travers une approche temps discret/temps continu. On relie les fonctions valeurs et les stratégies optimales du joueur informé à des problèmes de contrôle stochastique. On étudie la représentation duale de ces problèmes en termes de solution de viscosité d'EDP non-linéaires du premier et du second ordre. Ces résultats sont appliqués dans des modèles de jeux d'échanges financiers servant à identifier des dynamiques de prix d'équilibre en temps continu. Le dernier chapitre étudie un modèle de jeu à somme non-nulle dans lequel des techniques propres aux jeux à somme nulle sont adaptées pour obtenir des résultats asymptotiques.

On s'intéresse aux jeux infiniment répétés avec observation imparfaite et privée, joués dans des réseaux. Différents réseaux peuvent modéliser les structures d'interaction, d'observation ou de communication d'un jeu répété. La communication est gratuite, et peut être privée ou publique. Différents modèles de jeux répétés sont étudiés, en fonction des réseaux considérés, de la nature de la communication, et du concept d'équilibre étudié. L'objectif principal de cette thèse est d'établir des conditions nécessaires et suffisantes sur les réseaux considérés afin d'obtenir un folk théorème

On s'intéresse aux jeux infiniment répétés avec observation imparfaite et privée, joués dans des réseaux. Différents réseaux peuvent modéliser les structures d'interaction, d'observation ou de communication d'un jeu répété. La communication est gratuite, et peut être privée ou publique. Différents modèles de jeux répétés sont étudiés, en fonction des réseaux considérés, de la nature de la communication, et du concept d'équilibre étudié. L'objectif principal de cette thèse est d'établir des conditions nécessaires et suffisantes sur les réseaux considérés afin d'obtenir un folk théorème / I study infinitely repeated games with imperfect private monitoring played on networks. Different networks may represent the structures of interaction, of monitoring, and of communication of the repeated game. Communication is costless, and may be either private or public. I study different models of repeated games, depending on the networks considered, on the nature of communication, and on the solution concept. The aim of this thesis is to establish necessary and sufficient conditions on the networks for a folk theorem to hold

Les problèmes de gestion optimale de l'information sont omniprésents sur les marchés financiers (délit d'initié, problèmes de défaut, etc). Leurs études nécessitent une conception stratégique des interactions entre agents : les ordres placés par un agent informé influencent les cours futurs des actifs par l'information qu'ils véhiculent. Cette possibilité d'influencer les cours n'est pas envisagée par la théorie classique de la finance. Le cadre naturel de l'étude des interactions stratégiques est la théorie des jeux. Cette thèse a précisément pour objet de développer une théorie financière basée sur la théorie des jeux. Nous prendrons comme base l'article de De Meyer et Moussa Saley , "On the origin of Brownian Motion in finance". Cet article modélise les interactions entre deux teneurs de marché asymétriquement informés sur le futur d'un actif risqué par un jeu répété à somme nulle à information incomplète. Cette étude montre en particulier que le mouvement Brownien, souvent utilisé en finance pour décrire la dynamique des prix, a une origine partiellement stratégique : il est introduit par les acteurs informés afin de tirer un bénéfice maximal de leur information privée. Cette thèse traite de diverses extensions de ce modèle concernant l'influence de la grille des prix, l'asymétrie bilatérale d'information, le processus de diffusion de l'information.

Le domaine de recherche dans lequel s'inscrit ce travail de thèse est la théorie de la prédiction des suites individuelles. Cette dernière considère les problèmes d'apprentissage séquentiel pour lesquels on ne peut ou ne veut pas modéliser le problème de manière stochastique, et fournit des stratégies de prédiction très robustes. Elle englobe aussi bien des problèmes issus de la communauté du machine learning que de celle de la théorie des jeux répétés, et ces derniers sont traités avec des méthodes statistiques, incluant par exemple les techniques de concentration de la mesure ou de l'estimation adaptative. Les résultats obtenus aboutissent, entre autres, à des stratégies de minimisation des regrets externe et interne dans les jeux à information incomplète, notamment les jeux répétés avec signaux. Ces stratégies s'appliquent au problème d'ajustement séquentiel des prix de vente, ou d'allocation séquentielle de bande passante. Le regret interne est ensuite plus spécifiquement étudié, d'abord dans le cadre de l'investissement séquentiel dans le marché boursier, pour lequel des simulations sur des données historiques sont proposées, puis pour l'apprentissage des équilibres corrélés des jeux infinis à ensembles de stratégies convexes et compacts.

Cette thèse est consacrée à l'étude des interactions entre la théorie des jeux et la théorie de l'information, ainsi qu'à leurs applications aux réseaux de communication décentralisés. D'une part, la théorie des jeux apporte des réponses aux problèmes d'optimisation dans lesquels des agents interagissent. Dans un jeu, les joueurs choisissent des actions et obtiennent des gains appelés utilités. Les hypothèses sur l'information que possèdent les joueurs avant de jouer sont fondamentales pour déterminer l'issue d'un jeu, aussi appelée équilibre. Lorsque le même jeu est répété d'étape en étape et que les joueurs n'observent pas les actions passées parfaitement,alors les utilités d'équilibre ne sont pas connues. D'autre part, la théorie de l'information étudie les performances d'un système communicant. De nos jours, les réseaux de communication sont tellement denses qu'ils ne peuvent plus s'organiser autour d'un unique opérateur central. La théorie des jeux est appropriée pour étudier de nouvelles organisations du traitement de l'information dans lesquelles les décisions sont prises localement. Dans un premier temps, au chapitre3, nous étudions le jeu du contrôle de puissance efficace du point de vue énergétique, grâce aux résultats existants pour les jeux répétés. Les émetteurs sont considérés comme des joueurs et choisissent la puissance d'émission du signal, considérée comme leur action. L'objectif d'un joueur est de choisir une puissance optimale pour la qualité de sa propre communication. Même si les joueurs n'observent pas les actions passées de manière parfaite, nous montrons que l'observation du "ratio signal sur interférence plus bruit" est suffisante pour garantir des résultats d'équilibre optimaux pour le réseau de communication. Dans un second temps, nous utilisons les outils de la théorie de l'information pour approfondir l'étude de la circulation de l'information parmi les joueurs. Dans le chapitre 4, un encodeur envoie un signal supplémentaire aux joueurs afin qu'ils observent parfaitement les actions jouées à l'étape précédente. L'observation des joueurs devient suffisamment précise pour nous permettre de retrouver l'ensemble des utilités d'équilibre du jeu répété. Ces résultats sont à leur tour exploités afin de modéliser des réseaux de communication plus réalistes et d'y apporter des solutions nouvelles. Dans le chapitre5, nous approfondissons l'étude des utilités d'équilibre lorsque les joueurs observent les actions passées à travers un canal d'observation arbitraire. Nous démontrons un résultat d'atteignabilité pour un canal multi-utilisateurs avec états qui comporte un encodeur, deux récepteurs légitimes et un espion. Ce résultat nous permet d'étudier les corrélations entre les suites d'actions qu'un groupe de joueurs peut mettre en oeuvre à l'insu d'un joueur opposant. L'étude des canaux multiutilisateurs est un pas en avant vers la caractérisation des utilités d'équilibre dans un jeu répété avec observation imparfaite.

Cette thèse étudie des propriétés limites de problèmes de contrôle optimal (un joueur, en temps continu) et de jeux répétés à somme nulle (à deux joueurs, en temps discret) avec horizon tendant vers l'infini. Plus précisément, nous étudions la convergence de la fonction valeur lorsque la durée du problème de contrôle ou la répétition du jeu tend vers l'infini (analyse asymptotique), et l'existence de stratégies robustes, i.e. des stratégies ԑ-optimales pour guarantir la valeur limite dans tous les problèmes de contrôle de durée suffisamment longue ou dans tous les jeux répétés de répétition suffisamment large (analyse uniforme). La partie sur le contrôle optimal est composée de trois chapitres. Le chapitre 2 est un article de présentation de la littérature récente sur les propriétés à long terme dans divers modèles d'optimisation dynamique. Dans les deux chapitres suivants, nous nous concentrons sur les problèmes de contrôle optimal où le coȗt de la trajectoire est évalué par une mesure de probabilité générale sur R_+, au lieu de la moyenne de T-horizon (moyenne de Cesàro) ou de la λ-escompté (moyenne d'Abel). Dans le chapitre 3, nous introduisons une condition de régularité asymptotique pour une suite de mesures de probabilité sur R_+ induisant un horizon tendant vers l'infini (en particulier, T tendant vers l'infini ou λ tendant vers zéro). Nous montrons que pour toute suite d'évaluations satisfaisant cette condition, la suite associée des valeurs du problème de contrôle converge uniformément si et seulement si cette suite est totalement bornée pour la norme uniforme. On en déduit que pour des problèmes de contrôle définis sur un domaine invariant compact et vérifiant une certaine condition de non-expansivité, la fonction valeur définie par une mesure de probabilité générale converge quand l'évaluation devient suffisamment régulière. En outre, nous prouvons dans le chapitre 4 que sous les mȇmes conditions de compacité et de non-expansivité, il existe des contrôles ԑ-optimaux pour tous les problèmes où le coȗt de la trajectoire est évalués par une mesure de probailité suffisamment régulières. La partie sur les jeux répétés se compose de deux chapitres. Le chapitre 5 est consacré à l'étude d'une sous-classe de jeux absorbants à information incomplète d'un côté. Le modèle que nous considérons est une généralisation du Big match à information incomplète d'un côté introduit par Sorin (1984). Nous démontrons l'existence de la valeur limite, du Maxmin, du Minmax, et l'égalité du Maxmin et de la valeur limite. Dans le chapitre 6, nous établissons plusieurs résultats concernant des jeux récursifs. Nous considérons d'abord les jeux récursifs avec un espace dénombrable d'états et prouvons que si la famille des fonctions valeur des jeux à n étapes est totalement bornée pour la norme uniforme, alors la valeur uniforme existe. En particulier, la convergence uniforme des valeurs des jeux à n étapes implique la convergence uniforme des valeurs des jeux escomptés. à l'aide d'un résultat dans Rosenberg et Vieille (2000), on en déduit un théorème taubérien uniforme pour les jeux récursifs. Deuxièmement, nous appliquons le résultat d'existence de la valeur uniforme à une classe des modèles général de jeux répétés et nous prouvons que la valeur limite et le Maxmin existent et sont égaux. Ces jeux répétés sont des jeux récursifs avec signaux où le joueur 1 peut toujours déduire le signal du joueur 2 de son propre signal. / This dissertation studies limit properties in optimal control problems (one-player, in continuous time) and in zero-sum repeated games (two-player, in discrete time) with large horizons. More precisely, we investigate the convergence of the value function when the duration of the control problem or the repetition of the game tends to infinity (the asymptotic analysis), and the existence of robust strategies, i.e. ԑ-optimal strategies to guarantee the limit value in all control problems with sufficiently long durations or in all repeated games with sufficiently large repetitions (the uniform analysis). The part on optimal control is composed of three chapters. Chapter 2 is a survey article on recent literature of long-term properties in various models of dynamic optimization. In the following two chapters, we focus on optimal control problems where the running cost is evaluated by a general probability measure, instead of the usual T-horizon average (Cesàro mean) or the λ-discount (Abel mean). In Chapter 3, we introduce an asymptotic regularity condition for a sequence of probability measures on positive real numbers which induces a horizon tending to infinity (in particular T tending to infinity or λ tending to zero) for the control problem. We prove that for any sequence of evaluations satisfying this condition, the associated sequence of value function of the control problem converges uniformly if and only if this sequence is totally bounded for the uniform norm. We deduce that for control problems defined on a compact invariant domain and satisfying some non expansive condition, the value function defined by a general probability measure converges as the evaluation becomes sufficiently regular. Further, we prove in Chapter 4 that under the same compact and non expansive conditions, there exist ԑ-optimal controls for all problems where the running cost is evaluated by a sufficiently regular probability measure. The part on repeated games consists of two chapters. Chapter 5 is devoted to the study of a subclass of absorbing games with one-sided incomplete information. The model we consider is a generalization of Big match with one-sided incomplete information introduced by Sorin (1984). We prove the existence of the limit value, Maxmin, Minmax, and that Maxmin is equal to the limit value. In Chapter 6, we establish several results for recursive games. We first consider recursive games with a countable state space and prove that if the family of n-stage value functions is totally bounded for the uniform norm, then the uniform value exists. In particular, the uniform convergence of n-stage values implies the uniform convergence of λ-discounted values. Combined with a result in Rosenberg and Vieille (2000), we deduce a uniform Tauberian theorem for recursive games. Second, we use the existence result of uniform value to a class of the generalized models of repeated games and prove that both the limit value and Maxmin exist and are equal. This class of repeated games are recursive games with signals where player 1 can always deduce the signal of player 2 from his own along the play.

Les jeux stochastiques à somme nulle possèdent une structure récursive qui s'exprime dans leur opérateur de programmation dynamique, appelé opérateur de Shapley. Ce dernier permet d'étudier le comportement asymptotique de la moyenne des paiements par unité de temps. En particulier, le paiement moyen existe et ne dépend pas de l'état initial si l'équation ergodique - une équation non-linéaire aux valeurs propres faisant intervenir l'opérateur de Shapley - admet une solution. Comprendre sous quelles conditions cette équation admet une solution est un problème central de la théorie de Perron-Frobenius non-linéaire, et constitue le principal thème d'étude de cette thèse. Diverses classes connues d'opérateur de Shapley peuvent être caractérisées par des propriétés basées entièrement sur la relation d'ordre ou la structure métrique de l'espace. Nous étendons tout d'abord cette caractérisation aux opérateurs de Shapley "sans paiements", qui proviennent de jeux sans paiements instantanés. Pour cela, nous établissons une expression sous forme minimax des fonctions homogènes de degré un et non-expansives par rapport à une norme faible de Minkowski. Nous nous intéressons ensuite au problème de savoir si l'équation ergodique a une solution pour toute perturbation additive des paiements, problème qui étend la notion d'ergodicité des chaînes de Markov. Quand les paiements sont bornés, cette propriété d'"ergodicité" est caractérisée par l'unicité, à une constante additive près, du point fixe d'un opérateur de Shapley sans paiement. Nous donnons une solution combinatoire s'exprimant au moyen d'hypergraphes à ce problème, ainsi qu'à des problèmes voisins d'existence de points fixes. Puis, nous en déduisons des résultats de complexité. En utilisant la théorie des opérateurs accrétifs, nous généralisons ensuite la condition d'hypergraphes à tous types d'opérateurs de Shapley, y compris ceux provenant de jeux dont les paiements ne sont pas bornés. Dans un troisième temps, nous considérons le problème de l'unicité, à une constante additive près, du vecteur propre. Nous montrons d'abord que l'unicité a lieu pour une perturbation générique des paiements. Puis, dans le cadre des jeux à information parfaite avec un nombre fini d'actions, nous précisons la nature géométrique de l'ensemble des perturbations où se produit l'unicité. Nous en déduisons un schéma de perturbations qui permet de résoudre les instances dégénérées pour l'itération sur les politiques. / Zero-sum stochastic games have a recursive structure encompassed in their dynamic programming operator, so-called Shapley operator. The latter is a useful tool to study the asymptotic behavior of the average payoff per time unit. Particularly, the mean payoff exists and is independent of the initial state as soon as the ergodic equation - a nonlinear eigenvalue equation involving the Shapley operator - has a solution. The solvability of the latter equation in finite dimension is a central question in nonlinear Perron-Frobenius theory, and the main focus of the present thesis. Several known classes of Shapley operators can be characterized by properties based entirely on the order structure or the metric structure of the space. We first extend this characterization to "payment-free" Shapley operators, that is, operators arising from games without stage payments. This is derived from a general minimax formula for functions homogeneous of degree one and nonexpansive with respect to a given weak Minkowski norm. Next, we address the problem of the solvability of the ergodic equation for all additive perturbations of the payment function. This problem extends the notion of ergodicity for finite Markov chains. With bounded payment function, this "ergodicity" property is characterized by the uniqueness, up to the addition by a constant, of the fixed point of a payment-free Shapley operator. We give a combinatorial solution in terms of hypergraphs to this problem, as well as other related problems of fixed-point existence, and we infer complexity results. Then, we use the theory of accretive operators to generalize the hypergraph condition to all Shapley operators, including ones for which the payment function is not bounded. Finally, we consider the problem of uniqueness, up to the addition by a constant, of the nonlinear eigenvector. We first show that uniqueness holds for a generic additive perturbation of the payments. Then, in the framework of perfect information and finite action spaces, we provide an additional geometric description of the perturbations for which uniqueness occurs. As an application, we obtain a perturbation scheme allowing one to solve degenerate instances of stochastic games by policy iteration.

Cette thèse est consacrée à l’étude des interactions entre la théorie des jeux et la théorie de l’information, ainsi qu’à leurs applications aux réseaux de communication décentralisés. D’une part, la théorie des jeux apporte des réponses aux problèmes d’optimisation dans lesquels des agents interagissent. Dans un jeu, les joueurs choisissent des actions et obtiennent des gains appelés utilités. Les hypothèses sur l’information que possèdent les joueurs avant de jouer sont fondamentales pour déterminer l’issue d’un jeu, aussi appelée équilibre. Lorsque le même jeu est répété d’étape en étape et que les joueurs n’observent pas les actions passées parfaitement,alors les utilités d’équilibre ne sont pas connues. D’autre part, la théorie de l’information étudie les performances d’un système communicant. De nos jours, les réseaux de communication sont tellement denses qu’ils ne peuvent plus s’organiser autour d’un unique opérateur central. La théorie des jeux est appropriée pour étudier de nouvelles organisations du traitement de l’information dans lesquelles les décisions sont prises localement. Dans un premier temps, au chapitre3, nous étudions le jeu du contrôle de puissance efficace du point de vue énergétique, grâce aux résultats existants pour les jeux répétés. Les émetteurs sont considérés comme des joueurs et choisissent la puissance d’émission du signal, considérée comme leur action. L’objectif d’un joueur est de choisir une puissance optimale pour la qualité de sa propre communication. Même si les joueurs n’observent pas les actions passées de manière parfaite, nous montrons que l’observation du "ratio signal sur interférence plus bruit" est suffisante pour garantir des résultats d’équilibre optimaux pour le réseau de communication. Dans un second temps, nous utilisons les outils de la théorie de l’information pour approfondir l’étude de la circulation de l’information parmi les joueurs. Dans le chapitre 4, un encodeur envoie un signal supplémentaire aux joueurs afin qu’ils observent parfaitement les actions jouées à l’étape précédente. L’observation des joueurs devient suffisamment précise pour nous permettre de retrouver l’ensemble des utilités d’équilibre du jeu répété. Ces résultats sont à leur tour exploités afin de modéliser des réseaux de communication plus réalistes et d’y apporter des solutions nouvelles. Dans le chapitre5, nous approfondissons l’étude des utilités d’équilibre lorsque les joueurs observent les actions passées à travers un canal d’observation arbitraire. Nous démontrons un résultat d’atteignabilité pour un canal multi-utilisateurs avec états qui comporte un encodeur, deux récepteurs légitimes et un espion. Ce résultat nous permet d’étudier les corrélations entre les suites d’actions qu’un groupe de joueurs peut mettre en oeuvre à l’insu d’un joueur opposant. L’étude des canaux multiutilisateurs est un pas en avant vers la caractérisation des utilités d’équilibre dans un jeu répété avec observation imparfaite. / This thesis is devoted to the study of mutual contributions between games theory and informationtheory and their applications to decentralized communication networks. First, game theoryprovides answers to optimization problems in which agents interact. In a game, players chooseactions and obtains gains called utilities. Assumptions about the information possessed by playersbefore play is fundamental to determine the outcome a game, also called equilibrium. When thesame game is repeated from stage to stage and the players do not observe the past actions perfectly,then the equilibrium utilities are not known. On the other hand, information theory studiesthe performance of a communicating system. Nowadays, communication networks are so densethat they can not organize around a single central operator. Game theory is appropriate to explorenew organizations of communication networks in which decisions are taken locally. At first,in Chapter 3, we study the game of power control in terms of energy efficiency, thanks to theexisting results for repeated games. Transmitters are regarded as players and choose the transmissionpower of the signal, considered as their action. The objective of a player is to choose anoptimal power for the quality of its own communication. The players do not observe the pastactions perfectly, but we show that the observation of the "signal over interference plus noiseratio" is sufficient to ensure optimal equilibrium results for the communication network. In a secondstep, we use the tools of the information theory for further study of the flow of informationamong the players. In Chapter 4, an encoder sends an extra signal to the players so that theyperfectly observe the actions chosen in the previous stage-game. The observation of players issufficiently precise to characterize the set of equilibrium utilities of the repeated game. Theseresults are, in turn, used to model new communication networks and to provide more realisticsolutions. In Chapter 5, we deepen the study of equilibrium utilities when players observe thepast actions to through an arbitrary observation channel. We show a rate region is achievablefor the multi-user channel with states which includes an encoder, two legitimate receivers andan eavesdropper. This result allows us to study the correlations over the sequences of actions agroup of players can implement while keeping it secret from an opponent player. The study ofmulti-user channels is a step towards the characterization of equilibrium utilities in a repeatedgame with imperfect monitoring.