title: PDE-Constrained Equilibrium Problems under Uncertainty: Existence, Optimality Conditions and Regularization
title: PDE-beschränkte Gleichgewichtsprobleme unter Unsicherheit: Existenz, Optimalitätsbedingungen und Regularisierung
titleType: AlternativeTitle
Creators: name: Gahururu, Deborah Berwa
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2021
Subjects: subject: Generalized Nash Equilibrium Problems
subject: verallgemeinerte Nash-Gleichgewichtsprobleme
subject: PDE-beschränkte Optimierung
subject: PDE-Constrained Optimization
subject: PDE with Random Inputs
subject: PDE mit zufälligen Eingaben
subject: Mathematics
subject: FOS: Mathematics
subject: Mathematik
subject: Semismooth Newton Method
subject: stochastische Optimierung
subject: Stochastic Optimization

description: In dieser Arbeit werden PDE-beschränkte Gleichgewichtsprobleme unter Unsicherheiten analysiert. Im Detail diskutieren wir eine Klasse von risikoneutralen verallgemeinerten Nash-Gleichgewichtsproblemen sowie eine Klasse von risikoaversen Nash Gleichgewichtsproblemen. Sowohl für die risikoneutralen PDE-beschränkten Optimierungsprobleme mit punktweisen Zustandsschranken als auch für die risikoneutralen verallgemeinerten Nash Gleichgewichtsprobleme wird die Existenz von Lösungen beziehungsweise Nash Gleichgewichten bewiesen und Optimalitätsbedingungen hergeleitet. Die Betrachtung von Ungleichheitsbedingungen an den stochastischen Zustand führt in beiden Fällen zu Komplikationen bei der Herleitung der Lagrange-Multiplikatoren. Nur durch höhere Regularität des stochastischen Zustandes können wir auf die bestehende Optimalitätstheorie für konvexe Optimierungsprobleme zurückgreifen. Die niedrige Regularität des Lagrange-Multiplikators stellt auch für die numerische Lösbarkeit dieser Probleme ein große Herausforderung dar. Wir legen den Grundstein für eine erfolgreiche numerische Behandlung risikoneutraler Nash Gleichgewichtsproblem mittels Moreau-Yosida Regularisierung, indem wir zeigen, dass dieser Regularisierungsansatz konsistent ist. Die Moreau-Yosida Regularisierung liefert eine Folge von parameterabhängigen Nash Gleichgewichtsproblemen und der Grenzübergang im Glättungsparameter zeigt, dass die stationären Punkte des regularisierten Problems gegen ein verallgemeinertes Nash Gleichgewicht des ursprünglich Problems schwach konvergieren. Die Theorie legt also nahe, dass auf der Moreau-Yosida Regularisierung eine numerische Methode aufgebaut werden kann. Darauf aufbauend werden Algorithmen vorgeschlagen, die aufzeigen, wie risikoneutrale PDE-beschränkte Optimierungsprobleme mit punktweisen Zustandsschranken und risikoneutrale PDE-beschränkte verallgemeinerte Nash Gleichgewichtsprobleme gelöst werden können. Für die Modellierung der Risikopräferenz in der Klasse von risikoaversen Nash Gleichgewichtsprobleme verwenden wir kohärente Risikomaße. Da kohärente Risikomaße im Allgemeinen nicht glatt sind, ist das resultierende PDE-beschränkte Nash Gleichgewichtsproblem ebenfalls nicht glatt. Daher glätten wir die kohärenten Risikomaße mit Hilfe einer Epi-Regularisierungstechnik. Sowohl für das ursprüngliche Nash Gleichgewichtsproblem als auch für die geglätteten parameterabhängigen Nash Gleichgewichtsprobleme wird die Existenz von Nash Gleichgewichten gezeigt, sowie Optimalitätsbedingungen hergeleitet. Wir liefern wertvolle Resultate dafür, dass dieser Glättungsansatz sich für die Entwicklung eines numerischen Verfahren eignet, indem wir beweisen können, dass sowohl eine Folge von stationären Punkten als auch eine Folge von Nash Gleichgewichten des epi-regularisierten Problems eine schwach konvergente Teilfolge hat, deren Grenzwert ein Nash Gleichgewicht des ursprünglichen Problems ist.
description: In this paper, we analyze PDE-constrained equilibrium problems under uncertainty. In detail, we discuss a class of risk-neutral generalized Nash equilibrium problems and a class of risk-averse Nash equilibrium problems. For both, the risk-neutral PDE-constrained optimization problems with pointwise state constraints and the risk-neutral generalized Nash equilibrium problems, the existence of solutions and Nash equilibria, respectively, is proved and optimality conditions are derived. The consideration of inequality conditions on the stochastic state leads in both cases to complications in the derivation of the Lagrange multipliers. Only by higher regularity of the stochastic state we can resort to the existing optimality theory for convex optimization problems. The low regularity of the Lagrange multiplier also poses a major challenge for the numerical solvability of these problems. We lay the foundation for a successful numerical treatment of risk-neutral Nash equilibrium problems using Moreau-Yosida regularization by showing that this regularization approach is consistent. The Moreau-Yosida regularization yields a sequence of parameter-dependent Nash equilibrium problems and the boundary transition in the smoothing parameter shows that the stationary points of the regularized problem converge weakly against a generalized Nash equilibrium of the original problem. Thus, the theory suggests that a numerical method can be built on the Moreau-Yosida regularization. Based on this, algorithms are proposed to show how to solve risk-neutral PDE-constrained optimization problems with pointwise state bounds and risk-neutral PDE-constrained generalized Nash equilibrium problems. I n order to model risk preference in the class of risk-averse Nash equilibrium problems, we use coherent risk measures. Since coherent risk measures are generally not smooth, the resulting PDE-constrained Nash equilibrium problem is also not smooth. Therefore, we smooth the coherent risk measures using an epi-regularization technique. For both the original Nash equilibrium problem and the smoothed parameter-dependent Nash equilibrium problems, we show the existence of Nash equilibria, and derive optimality conditions. We provide valuable results for making this smoothing approach suitable for the development of a numerical method by proving that both, a sequence of stationary points and a sequence of Nash equilibria of the epi-regularized problem, have a weakly convergent subsequence whose limit is a Nash equilibrium of the original problem.