Nonlinear PDEs in ergodic control, Mean Field Games and prescribed curvature problems

This thesis is concerned with nonlinear elliptic PDEs and system of PDEs arising in various problems of stochastic control, differential games, specifically Mean Field Games, and differential geometry. It is divided in three parts. The first part is focused on stochastic ergodic control problems where both the state and the control space is R^d. The interest is in giving conditions on the fixed drift, the cost function and the Lagrangian function that are sufficient for synthesizing an optimal control of feedback type. In order to obtain such conditions, an approach that combines the Lyapunov method and the approximation of the problem on bounded sets with reflection of the diffusions at the boundary is proposed. A general framework is developed first, and then particular cases are considered, which show how Lyapunov functions can be constructed from the solutions of the approximating problems. The second part is devoted to the study of Mean Field Games, a recent theory which aims at modeling and analyzing complex decision processes involving a very large number of indistinguishable rational agents. The attention is given to existence results for the multi- population MFG system of PDEs with homogeneous Neumann boundary conditions, that are obtained combining elliptic a-priori estimates and fixed point arguments. A model of segregation between human populations, inspired by ideas of T. Schelling is then proposed. The model, that fits into the theoretical framework developed in the thesis, is analyzed from the qualitative point of view using numerical finite-difference techniques. The phenomenon of segregation between the population densities arises in the numerical experiments on the particular mean field game model, assuming mild ethnocentric attitude of people as in the original model of Schelling. In the last part of the thesis some results on existence and uniqueness of solutions for the prescribed k-th principal curvature equation are presented. The Dirichlet problem for such a family of degenerate elliptic fully nonlinear partial differential equations is solved using the theory of Viscosity solutions, by implementing a version of the Perron method which involves semiconvex subsolutions; the restriction to this class of functions is sufficient for proving a Lipschitz estimate on the elliptic operator with respect to the gradient entry which is also required for obtaining the comparison principle. Existence and uniqueness are stated under general assumptions, and examples of data which satisfy the general hypotheses are provided.

Questa tesi ha come oggetto di studio EDP ellittiche nonlineari e sistemi di EDP che si presentano in problemi di controllo stocastico, giochi differenziali, in particolare Mean Field Games e geometria differenziale. I risultati contenuti si possono suddividere in tre parti. Nella prima parte si pone l'attenzione su problemi di controllo ergodico stocastico dove lo spazio degli stati e dei controlli coincide con l'intero Rd. L'interesse è posto sul formulare condizioni sul drift, il funzionale di costo e la Lagrangiana sufficienti a sintetizzare un controllo ottimo di tipo feedback. Al fine di ottenere tali condizioni, viene proposto un approccio che combina il metodo delle funzioni di Lyapunov e l'approssimazione del problema su domini limitati con riflessione delle traiettorie al bordo. Le tecniche vengono formulate in termini generali e successivamente sono presi in considerazione esempi specifici, che mostrano come opportune funzioni di Lyapunov possono essere costruite a partire dalle soluzioni dei problemi approssimanti. La seconda parte è incentrata sullo studio di Mean Fielda Games, una recente teoria che mira a elaborare modelli per analizzare processi di decisione in cui è coinvolto un grande numero di agenti indistinguibili. Sono ottenuti nella tesi alcuni risultati di esistenza di soluzioni per sistemi MFG a più popolazioni con condizioni al bordo omogenee di tipo Neumann, attraverso stime a-priori ellittiche e argomenti di punto fisso. Viene in seguito proposto un modello di segregazione tra popolazioni umane che prende ispirazione da alcune idee di T. Schelling. Tale modello si inserisce nel contesto teorico sviluppato nella tesi, e viene analizzato dal punto di vista qualitativo tramite tecniche numeriche alle differenze finite. Il fenomeno di segregazione tra popolazioni si riscontra negli esperimenti numerici svolti sul particolare modello mean field, assumendo l'ipotesi di moderata mentalità etnocentrica delle persone, similmente all’originale modello di Schelling. L'ultima parte della tesi riguarda alcuni risultati di esistenza e unicità di soluzioni per l’equazione di k-esima curvatura principale prescritta. Il problema di Dirichlet per tale famiglia di equazioni ellittiche degeneri nonlineari è risolto implementando la teoria delle soluzioni di Viscosità, applicando in particolare una versione del metodo di Perron basata su soluzioni semiconvesse; la restrizione a tale classe di funzioni risulta sufficiente per dimostrare una stima di tipo Lipschitz sull'operatore ellittico, essenziale per ottenere un principio di confronto. Esistenza e unicità di soluzioni sono formulate in termini generali; vengono forniti infine esempi in cui condizioni particolari sui dati soddisfano tali ipotesi.