This thesis is a collection of three essays. The first two study how ideas spread through a network of individuals, and how it an advertiser can exploit it. In the model I develop, users choose their sources of information based on the perceived usefulness of their sources of information. This contrasts with previous literature where there is no choice made by network users and thus, the information flow is fixed. I provide a complete theoretical characterization of the solution and define a natural measure of influence based on choices of users. I also present an algorithm to solve the model in polynomial time on any network, regardless of the scale or the topology. I also discuss the properties of a network technology from a public economic standpoint. In essence, a network allows the reproduction of ideas for free for the advertiser. If there is any free-riding problem, I show that coalitions of users on the network can solve such problem. I also discuss the social value of networks, a value that cannot be captured for profit. The third essay is completely distinct from the network paradigm and instead studies funding rules for public universities. I show that a funding rule that depends solely on enrolment leads to "competition by franchise" and that such behavior is sometimes inefficient. I suggest instead an alternate funding rule that allows government to increase welfare without increasing spending in universities. / Thesis (Ph.D, Economics) -- Queen's University, 2013-10-11 17:16:42.178

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Consider the problem of maximizing the revenue generated by tolls set on a subset of arcs of a transportation network, where origin-destination flows (commodities) are assigned to shortest paths with respect to the sum of tolls and initial costs. This thesis is concerned with a particular case of the above problem, in which all toll arcs are connected and constitute a path, as occurs on highways. Further, as toll levels are usually computed using the highway entry and exit points, a complete toll subgraph is considered, where each toll arc corresponds to a toll subpath. Two variants of the problem are studied, with or without specific constraints linking together the tolls on the arcs. The problem is modelled as a linear mixed integer program, and proved to be NP-hard. Next, several classes of valid inequalities are proposed, which strengthen important constraints of the initial model. Their efficiency is first shown theoretically, as these are facet defining for the restricted one and two commodity problems. Also, we prove that some of the valid inequalities proposed, together with several constraints of the linear program, provide a complete description of the convex hull of feasible solutions for a single commodity problem. Numerical tests have also been conducted, and highlight the real efficiency of the valid inequalities for the multi-commodity case. Finally, we point out the links between the problem studied in the thesis and a more classical design and pricing problem in economics. / Considérons le problème qui consiste à maximiser les profits issus de la tarification d’un sous-ensemble d’arcs d’un réseau de transport, où les flots origine-destination (produits) sont affectés aux plus courts chemins par rapport aux tarifs et aux coûts initiaux. Cette thèse porte sur une structure de réseau particulière du problème ci-dessus, dans laquelle tous les arcs tarifables sont connectés et forment un chemin, comme c’est le cas sur une autoroute. Étant donné que les tarifs sont habituellement déterminés selon les points d’entrée et de sortie sur l’autoroute, nous considérons un sous-graphe tarifable complet, où chaque arc correspond en réalité à un sous-chemin. Deux variantes de ce problème sont étudiées, avec ou sans contraintes spécifiques reliant les niveaux de tarifs sur les arcs. Ce problème peut être modélisé comme un programme linéaire mixte entier. Nous prouvons qu’il est NP-difficile. Plusieurs familles d’inégalités valides sont ensuite proposées, celles-ci renforçant certaines contraintes du modèle initial. Leur efficacité est d’abord démontrée de manière théorique, puisqu’il s’agit de facettes des problèmes restreints à un ou deux produits. Certaines des inégalités valides proposées, ainsi que plusieurs contraintes du modèle initial, permettent aussi de donner une description complète de l’enveloppe convexe des solutions réalisables d’un problème restreint à un seul produit. Des tests numériques ont également été menés, et mettent en évidence l’efficacité réelle des inégalités valides pour le problème général à plusieurs produits. Enfin, nous soulignons les liens entre le problème de tarification de réseau étudié dans cette thèse et un problème plus classique de tarification de produits en gestion.

The aim of the work is to examine the issue of pricing network resources so as to ensure fair and efficient resource-sharing among users. The basic question we address is: Do there exist simple pricing schemes such that fair and efficient resource-sharing is ensured, even though (i) individ-ual users are concerned with maximizing their own net benefits, and (ii) a user alternates between data-limited and infinite-data phases? The Internet provides congestion control through the Transport Control Protocol TCP). TCP congestion control is dependent on voluntary participation of cooperative end users. If everyone uses TCP, congestion could be managed. However, it can be mathematically shown that it is economically more favorable for users to violate TCP rules. The published literature suggests pricing as a mechanism to control congestion. The context of operation is as follows. Each user is assumed to have a utility function which is a concave in-creasing function of the rate at which she sends data through the network. The problem is to find the vector of users' rates such that the sum of all users' utility functions is maximized, subject to resource capacity constraints. This constrained optimization problem can be solved in a central-ized manner if all the utility functions are known. In practice, however, the utility functions are not known and there is no central authority. In the literature this optimization problem has been decomposed into two sub-problems such that the knowledge of utility functions is not required. These problems are solved independently by the network and the users. It has been shown that at system optimum, the network computed vec-tor of rates and users’ choice of prices are in equilibrium and they also solve the system optimi-zation problem of maximizing sum of utilities of all users. But in all related work, the authors as-sume that users have infinite amount of data to sustain the system-optimal data rates indefinitely. In practice, however, users may run out of data at times. We propose a pricing scheme in which, under certain conditions, the following is possible. If some users run out of data, and hence are not able to inject traffic at their respective system op-timal data rates, it is possible for others with plenty of data to transmit above their system opti-mal rates. This allows efficient utilization of the resource at all times. Further, it is possible to compel users above optimal rates to back down when, at a later point of time, data-limited users are back with enough data. This ensures that fairness is maintained.

Consider the problem of maximizing the revenue generated by tolls set on a subset <p>of arcs of a transportation network, where origin-destination flows (commodities) are assigned to shortest paths with respect to the sum of tolls and initial costs. <p>This thesis is concerned with a particular case of the above problem, in which all toll arcs are connected and constitute a path, as occurs on highways. Further, as toll levels are usually computed using the highway entry and exit points, a complete toll subgraph is considered, where each toll arc corresponds to a toll subpath. Two <p>variants of the problem are studied, with or without specific constraints linking together the tolls on the arcs. <p>The problem is modelled as a linear mixed integer program, and proved to be NP-hard. Next, several classes of valid inequalities are proposed, which strengthen important constraints of the initial model. Their efficiency is first shown theoretically, as these are facet defining for the restricted one and two commodity problems. <p>Also, we prove that some of the valid inequalities proposed, together with several <p>constraints of the linear program, provide a complete description of the convex hull <p>of feasible solutions for a single commodity problem. Numerical tests have also been conducted, and highlight the real efficiency of the valid inequalities for the multi-commodity case. Finally, we point out the links between the problem studied in the thesis and a more classical design and pricing problem in economics. /<p><p><p>Considérons le problème qui consiste à maximiser les profits issus de la tarification d’un sous-ensemble d’arcs d’un réseau de transport, où les flots origine-destination (produits) sont affectés aux plus courts chemins par rapport aux tarifs et aux coûts initiaux. Cette thèse porte sur une structure de réseau particulière du problème ci-dessus, dans laquelle tous les arcs tarifables sont connectés et forment un chemin, <p>comme c’est le cas sur une autoroute. Étant donné que les tarifs sont habituellement déterminés selon les points d’entrée et de sortie sur l’autoroute, nous considérons un sous-graphe tarifable complet, où chaque arc correspond en réalité à un sous-chemin. Deux variantes de ce problème sont étudiées, avec ou sans contraintes <p>spécifiques reliant les niveaux de tarifs sur les arcs. <p>Ce problème peut être modélisé comme un programme linéaire mixte entier. Nous prouvons qu’il est <p>NP-difficile. Plusieurs familles d’inégalités valides sont ensuite proposées, celles-ci renforçant certaines contraintes du modèle initial. Leur efficacité est d’abord démontrée de manière théorique, puisqu’il s’agit de facettes <p>des problèmes restreints à un ou deux produits. Certaines des inégalités valides proposées, ainsi que plusieurs contraintes du modèle initial, permettent aussi de donner une description complète de l’enveloppe convexe des solutions réalisables d’un problème restreint à un seul produit. Des tests numériques ont également <p>été menés, et mettent en évidence l’efficacité réelle des inégalités valides pour le problème général à plusieurs produits. Enfin, nous soulignons les liens entre le problème de tarification de réseau étudié dans cette thèse et un problème plus classique de tarification de produits en gestion. <p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le problème de tarification combinatoire (CPP) ou le jeu de tarification de Stackelberg est une classe de problèmes d’optimisation bi-niveaux comprenant deux décideurs dans un ordre séquentiel. Le premier décideur, le leader, maximise ses revenus en contrôlant les prix d’un ensemble de ressources. Le deuxième décideur, le suiveur, réagit aux prix et sélectionne un sous-ensemble de ressources selon un problème d’optimisation combinatoire. Selon le problème du suiveur, le CPP peut être très difficile à résoudre. Cette thèse présente trois articles couvrant plusieurs méthodes de solution exacte pour le CPP. Le premier article aborde la modélisation et le prétraitement pour une spécialisation du CPP : le problème de tarification du réseau (NPP), dans lequel le problème du suiveur est un problème du plus court chemin. Les formulations du NPP sont organisées dans un cadre général qui établit les liens entre elles. Le deuxième article se concentre sur la version à plusieurs marchandises du NPP. À partir des résultats de l’analyse convexe, nous dérivons une nouvelle formulation du NPP et prouvons que le NPP évolue de manière polynomiale par rapport au nombre de marchandises, étant donné que le nombre d’arcs à péage est fixe. Le troisième article nous ramène au CPP général, dans lequel les problèmes du suiveur sont NP-difficiles. En utilisant deux modèles de programmation dynamique différents, les problèmes du suiveur sont convertis en programmes linéaires, auxquels la dualité forte peut être appliquée. En raison de la nature NP-difficile de ces problèmes, des schémas de génération dynamique de contraintes sont proposés. Les méthodes de solution décrites dans chaque article sont étayées par des résultats expérimentaux, montrant leur efficacité en pratique. Cette thèse approfondit notre compréhension de la structure du CPP et introduit des méthodologies innovantes pour y faire face, contribuant ainsi à de nouvelles perspectives pour aborder les problèmes de tarification et bi-niveau en général. / The combinatorial pricing problem (CPP) or Stackelberg pricing game is a class of bilevel optimization problems that consist of two decision makers in sequential order. The first decision maker, the leader, maximizes their revenue by controlling the prices of a set of resources. The second decision maker, the follower, reacts to the prices and selects a subset of resources according to a combinatorial optimization problem. Depending on the follower’s problem, the CPP can be very challenging to solve. This thesis presents three articles covering several exact solution methods for the CPP. The first article addresses the modeling and preprocessing for a specialization of the CPP: the network pricing problem (NPP), in which the follower’s problem is a shortest path problem. The formulations of the NPP are organized in a general framework which establishes the links between them. The second article focuses on the multi-commodity version of the NPP. From the results in convex analysis, we derive a novel formulation of the NPP and with it, we prove that the NPP scales polynomially with respect to the number of commodities, given that the number of tolled arcs is fixed. The third article leads us back to the general CPP, in which the follower’s problems are NP-hard. By utilizing two different dynamic programming models, the follower’s problems are converted into linear programs, to which strong duality can be applied. Due to the NP-hard nature of these problems, dynamic constraint generation schemes are proposed. The solution methods described in each article are backed up with experimental results, showing that they are effective in practice. This thesis deepens our comprehension of the CPP structure and introduces innovative methodologies for addressing it, thereby contributing new perspectives to tackle pricing and bilevel problems in general.