京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(情報学) / 甲第19108号 / 情博第554号 / 新制||情||98(附属図書館) / 32059 / 京都大学大学院情報学研究科知能情報学専攻 / (主査)教授 阿久津 達也, 教授 西田 豊明, 教授 山本 章博 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Informatics / Kyoto University / DFAM

In der Dissertation werden Werkzeuge zur Analyse von Wohlgestelltheit und Asymptotik von Integro-Differential- und Verzögerungsgleichungen entwickelt. Im ersten Teil der Arbeit (Kapitel 1 und 2) werden Methoden zur Bestimmung der Modulhalbgruppe (kleinste dominierende C0-Halbgruppe) einer C0-Halbgruppe zur Verfügung gestellt, die unter anderem auf Volterra-Halbgruppen (die aus Integro-Differentialgleichungen hervorgehen) und Evolutionshalbgruppen (Rückkopplungsgleichungen mit Zeitverzögerung, Transport in Netzwerken) angewendet werden. Im Mittelpunkt des zweiten Teils (Kapitel 3 und 4) steht ein Integro-Differentialgleichungstyp, der Schwingungsphänomene von Tragswerksflächen im Unterschallbereich beschreibt. Das besondere dieser Gleichung ist das Auftreten der Zeitableitung der gesuchten Funktion im Integralterm. Es werden eine Reihe von Wohlgestelltheitskriterien hergeleitet, welche Wohlgestelltheit der Gleichung liefern, ohne das es möglich ist, durch partielle Integration die Zeitableitung im Integralterm zu beseitigen und dadurch die Gleichung auf einen bekannten Integro-Differentialgleichungstyp zurückzuführen. Die entwickelten Methoden eignen sich auch für die Herleitung neuer Wohlgestelltheitskriterien für andere Verzögerungsgleichungen. Entsprechende Resultate werden in Kapitel 4 hergeleitet. / In the dissertation tools for the analysis of well-posedness and asymptotic behaviour of integro-differential equations and delay equations are developed. In the first part (chapter 1 and 2) methods for the determination of the modulus semigroup (smallest dominating C0-semigroup) of a C0-semigroup are provided and applied to various examples such as Volterra semigroups and evolution semigroups and transport evolution equations in networks. The main interest of the second part (chapter 3 and 4) is a type of an integro-differential equation which occurs in the modelling of the flutter of airfoils at subsonic speed. The remarkable property of the equation is the time derivative of the sought function in the integral term. A number of well-posedness criteria are proved for which integration by parts is not possible. The developed methods are also suitable for the derivation of new well-posedness results for other delay semigroups. Corresponding criteria are presented in chapter 4.

The thesis describes various modifications of the predator-prey model. The modifications are considering several harvesting methods. At the beginning a solution and a sensitivity analysis of the basic model are provided. The first modification is the percentage harvesting model, which could be easily converted to the basic model. Secondly a constant harvesting including a linearization is derived. A significant part is devoted to regulation models with special a focus on environmental applications and the stability of the system. Optimization algorithms for one and both species harvesting are derived and back-tested. One species harvesting is based on econometrical tools; the core of two species harvesting is the modified Newton's method. The economic applications of the model in macroeconomics and oligopoly theory are expanded using the methods derived in the thesis.

In der Dissertation werden Werkzeuge zur Analyse von Wohlgestelltheit und Asymptotik von Integro-Differential- und Verzögerungsgleichungen entwickelt. Im ersten Teil der Arbeit (Kapitel 1 und 2) werden Methoden zur Bestimmung der Modulhalbgruppe (kleinste dominierende C0-Halbgruppe) einer C0-Halbgruppe zur Verfügung gestellt, die unter anderem auf Volterra-Halbgruppen (die aus Integro-Differentialgleichungen hervorgehen) und Evolutionshalbgruppen (Rückkopplungsgleichungen mit Zeitverzögerung, Transport in Netzwerken) angewendet werden. Im Mittelpunkt des zweiten Teils (Kapitel 3 und 4) steht ein Integro-Differentialgleichungstyp, der Schwingungsphänomene von Tragswerksflächen im Unterschallbereich beschreibt. Das besondere dieser Gleichung ist das Auftreten der Zeitableitung der gesuchten Funktion im Integralterm. Es werden eine Reihe von Wohlgestelltheitskriterien hergeleitet, welche Wohlgestelltheit der Gleichung liefern, ohne das es möglich ist, durch partielle Integration die Zeitableitung im Integralterm zu beseitigen und dadurch die Gleichung auf einen bekannten Integro-Differentialgleichungstyp zurückzuführen. Die entwickelten Methoden eignen sich auch für die Herleitung neuer Wohlgestelltheitskriterien für andere Verzögerungsgleichungen. Entsprechende Resultate werden in Kapitel 4 hergeleitet. / In the dissertation tools for the analysis of well-posedness and asymptotic behaviour of integro-differential equations and delay equations are developed. In the first part (chapter 1 and 2) methods for the determination of the modulus semigroup (smallest dominating C0-semigroup) of a C0-semigroup are provided and applied to various examples such as Volterra semigroups and evolution semigroups and transport evolution equations in networks. The main interest of the second part (chapter 3 and 4) is a type of an integro-differential equation which occurs in the modelling of the flutter of airfoils at subsonic speed. The remarkable property of the equation is the time derivative of the sought function in the integral term. A number of well-posedness criteria are proved for which integration by parts is not possible. The developed methods are also suitable for the derivation of new well-posedness results for other delay semigroups. Corresponding criteria are presented in chapter 4.

The paper is focused on the Predator-Prey model modified in the case of harvesting one or both populations. Firstly there is given a short description of the basic model and the sensitivity analysis. The first essential modification is percentage harvesting. This model could be easily converted to the basic one using a substitution. The next modification is constant harvesting. Solving this system requires linearization, which was properly done and brought valuable results applicable even for the basic or the percentage harvesting model. The next chapter describes regulation models, which could be used especially in applying environmental policies. All reasonable regulation models are shown after distinguishing between discrete and continuous harvesting. The last chapter contains an algorithm for maximizing the profit of a harvester using econometrical modelling tools.

Cette thèse a pour objectif la compréhension de plusieurs aspects du caractère rugueux de la volatilité observé de manière universelle sur les actifs financiers. Ceci est fait en six étapes. Dans une première partie, on explique cette propriété à partir des comportements typiques des agents sur le marché. Plus précisément, on construit un modèle de prix microscopique basé sur les processus de Hawkes reproduisant les faits stylisés importants de la microstructure des marchés. En étudiant le comportement du prix à long terme, on montre l’émergence d’une version rugueuse du modèle de Heston (appelé modèle rough Heston) avec effet de levier. En utilisant ce lien original entre les processus de Hawkes et les modèles de Heston, on calcule dans la deuxième partie de cette thèse la fonction caractéristique du log-prix du modèle rough Heston. Cette fonction caractéristique est donnée en terme d’une solution d’une équation de Riccati dans le cas du modèle de Heston classique. On montre la validité d’une formule similaire dans le cas du modèle rough Heston, où l’équation de Riccati est remplacée par sa version fractionnaire. Cette formule nous permet de surmonter les difficultés techniques dues au caractère non markovien du modèle afin de valoriser des produits dérivés. Dans la troisième partie, on aborde la question de la gestion des risques des produits dérivés dans le modèle rough Heston. On présente des stratégies de couverture utilisant comme instruments l’actif sous-jacent et la courbe variance forward. Ceci est fait en spécifiant la structure markovienne infini-dimensionnelle du modèle. Étant capable de valoriser et couvrir les produits dérivés dans le modèle rough Heston, nous confrontons ce modèle à la réalité des marchés financiers dans la quatrième partie. Plus précisément, on montre qu’il reproduit le comportement de la volatilité implicite et historique. On montre également qu’il génère l’effet Zumbach qui est une asymétrie par inversion du temps observée empiriquement sur les données financières. On étudie dans la cinquième partie le comportement limite de la volatilité implicite à la monnaie à faible maturité dans le cadre d’un modèle à volatilité stochastique général (incluant le modèle rough Bergomi), en appliquant un développement de la densité du prix de l’actif. Alors que l’approximation basée sur les processus de Hawkes a permis de traiter plusieurs questions relatives au modèle rough Heston, nous examinons dans la sixième partie une approximation markovienne s’appliquant sur une classe plus générale de modèles à volatilité rugueuse. En utilisant cette approximation dans le cas particulier du modèle rough Heston, on obtient une méthode numérique pour résoudre les équations de Riccati fractionnaires. Enfin, nous terminons cette thèse en étudiant un problème non lié à la littérature sur la volatilité rugueuse. Nous considérons le cas d’une plateforme cherchant le meilleur système de make-take fees pour attirer de la liquidité. En utilisant le cadre principal-agent, on décrit le meilleur contrat à proposer au market maker ainsi que les cotations optimales affichées par ce dernier. Nous montrons également que cette politique conduit à une meilleure liquidité et à une baisse des coûts de transaction pour les investisseurs. / The aim of this thesis is to study various aspects of the rough behavior of the volatility observed universally on financial assets. This is done in six steps. In the first part, we investigate how rough volatility can naturally emerge from typical behav- iors of market participants. To do so, we build a microscopic price model based on Hawkes processes in which we encode the main features of the market microstructure. By studying the asymptotic behavior of the price on the long run, we obtain a rough version of the Heston model exhibiting rough volatility and leverage effect. Using this original link between Hawkes processes and the Heston framework, we compute in the second part of the thesis the characteristic function of the log-price in the rough Heston model. In the classical Heston model, the characteristic function is expressed in terms of a solution of a Riccati equation. We show that rough Heston models enjoy a similar formula, the Riccati equation being replaced by its fractional version. This formula enables us to overcome the non-Markovian nature of the model in order to deal with derivatives pricing. In the third part, we tackle the issue of managing derivatives risks under the rough Heston model. We establish explicit hedging strategies using as instruments the underlying asset and the forward variance curve. This is done by specifying the infinite-dimensional Markovian structure of the rough Heston model. Being able to price and hedge derivatives in the rough Heston model, we challenge the model to practice in the fourth part. More precisely, we show the excellent fit of the model to historical and implied volatilities. We also show that the model reproduces the Zumbach’s effect, that is a time reversal asymmetry which is observed empirically on financial data. While the Hawkes approximation enabled us to solve the pricing and hedging issues under the rough Heston model, this approach cannot be extended to an arbitrary rough volatility model. We study in the fifth part the behavior of the at-the-money implied volatility for small maturity under general stochastic volatility models. In the same spirit as the Hawkes approximation, we look in the sixth part of this thesis for a tractable Markovian approximation that holds for a general class of rough volatility models. By applying this approximation on the specific case of the rough Heston model, we derive a numerical scheme for solving fractional Riccati equations. Finally, we end this thesis by studying a problem unrelated to rough volatility. We consider an exchange looking for the best make-take fees system to attract liquidity in its platform. Using a principal-agent framework, we describe the best contract that the exchange should propose to the market maker and provide the optimal quotes displayed by the latter. We also argue that this policy leads to higher quality of liquidity and lower trading costs for investors.