حل عددی مسئله تبلیغات رقابتی با رویکرد یک بازی دیفرانسیلی تصادفی با استفاده از روش ترکیبی هم‌محلی چلیشکوف و تکرار در سیاست

نویسندگان
دانشگاه یزد
چکیده
در عرصه تبلیغات همواره موقعیت‌هایی وجود دارند که در آن افراد یا شرکت‌ها به‌منظور یافتن فرصت‌های بازایابی و جلب‌نظر مشتریان در یک فضای رقابتی به تبلیغ محصولات خود می‌پردازند. در این مقاله چندین هدف دنبال می‌شود. در ابتدا به تاریخچه‌ای از توسعه کاربردهای بازی‌های دیفرانسیلی در مدل‌سازی موقعیت‌های استراتژیک در تبلیغات رقابتی اشاره شده است. سپس مسئله را در یک بازار دوجانبه و تحت تاثیر عدم قطعیت در چارچوب یک بازی دیفرانسیلی تصادفی معرفی می‌کنیم. تعیین استراتژی تعادلی برای این مسئله، مستلزم حل یک دستگاه معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزئی غیرخطی موسوم به دستگاه معادلات همیلتون-ژاکوبی است. هدف دیگر این مقاله پیشنهاد یک روش محاسباتی کارا و مناسب برای حل دستگاه معادلات همیلتون-ژاکوبی مذکور است. روش پیشنهادی برای حل مسئله، ترکیبی از روش‌های هم‌محلی مبتنی بر ماتریس عملگر مشتق چندجمله‌ای‌های چلیشکوف و روش تکرار در سیاست است. یکی از معایب روش‌های هم‌محلی برای حل معادلات دیفرانسیل غیرخطی، لزوم حل دستگاه جبری غیرخطی حاصل از پیاده‌سازی روش است. مزیت استفاده از الگوریتم تکرار در سیاست این است که به‌جای یافتن جواب یک دستگاه معادلات دیفرانسیل جزئی غیرخطی، کافی است دنباله‌ای از دستگاه‌های معادلات دیفرانسیل جزئی خطی را حل کنیم. همگرایی روش پیشنهادی با جرئیات بیان می‌شود. در پایان نتایج حاصل از حل دستگاه معادلات همیلتون-ژاکوبی با استفاده از الگوریتم تکراری پیشنهادی را بیان می‌کنیم.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Numerical solution of competitive advertising problem with a stochastic differential game approach using a combined Chelyshkov collocation with policy iteration method

نویسندگان English

Mohammad Heydari
Zahra Nikooeinejad Yazdi
Ghasem Barid Loghmani
Yazd University
چکیده English

In the field of advertising‎, ‎there are always situations in which individuals or companies promote their products in order to find retrieval opportunities and attract customers in a competitive environment‎. ‎Several goals are followed in this paper‎. ‎First‎, ‎the historical development of applications of differential games in modeling strategic situations in competitive advertising is mentioned‎. ‎We then introduce the problem in a duopoly market under the influence of uncertainty in the framework of a stochastic differential game‎. ‎Finding the equilibrium strategy for this problem requires solving a nonlinear partial differential equations system also known as the Hamilton-Jacoby equation‎. ‎Another purpose of this paper is to propose an efficient and appropriate computational method for solving the Hamilton-Jacobi partial differential equations‎. ‎The proposed method for solving the problem is a combination of collocation methods by the derivative operator matrix based on Chelyshkov polynomials and policy iteration method‎. ‎The advantage of using the policy iteration method is that at each step‎, ‎instead of finding the solution to a nonlinear partial differential equation‎, ‎it is sufficient to solve a sequence of linear partial differential equations systems‎. ‎The convergence of the proposed method is provided in detail‎. ‎Finally‎, ‎we solve the corresponding Hamilton-Jacobi equations system by the proposed iterative algorithm‎.

کلیدواژه‌ها English

Hamilton-Jacobi partial differential equations system‎
‎Stochastic differential games‎
‎Competitive advertising‎
‎Chelyshkov polynomials‎
‎Derivative operator matrix‎
‎Policy iteration method‎
1. J.D.C‎. ‎Little‎, ‎Aggregate Advertising Models‎: ‎The State of the Art‎, ‎ Oper. Res. 27 (1979), 629-667‎.

2. K.M‎. ‎Lancaster‎, ‎A.S‎. ‎Judith‎, ‎Computer-Based Advertising Budgeting‎ Practices of Leading U.S‎. Consumer Advertisers‎, J Advert. 12 (4) (1983), 4-9. ‎

3. D.M‎. ‎Hanssens‎, ‎J.P‎. ‎Leonard‎, ‎L‎. ‎S‎. ‎Randall‎, ‎Market Response Models‎: ‎Econometric and Time Series Analysis‎, ‎Boston‎: ‎Kluwer Academic Publishers, 2001‎.

4. ‎L‎. ‎Friedman‎, ‎Game-Theory Models in the Allocation of Advertising Expenditures‎, ‎‎Oper. Res. 6 (1958), 699-709‎‎.

5. E‎. ‎Dockner‎, ‎J‎. ‎Steffen‎, ‎V‎. ‎L‎. ‎Ngo‎, ‎S‎. ‎Gerhard‎, ‎Differential Games in Economics and anagement Science‎, ‎Cambridge‎: ‎Cambridge‎ ‎University Press, 2000‎.

6. K.M‎. ‎Ramachandran‎, ‎C.P‎. ‎Tsokos‎, ‎Stochastic differential games‎: ‎theory and applications‎, Atlantis Press, USA‎, 2012‎.

7. M. Jensen, I. Smears, On the convergence of the finite element methods for Hamilton Jacobi Bellman equations, SIAM J. Numer. Anal. 51 (2013), 137–162.

8. F. Camilli and E.R. Jakobsen, A finite element like scheme for integro-partial differential Hamilton-Jacobi-Bellman equations, SIAM J. Numer. Anal. 47 (2009), 2407–2431.

9. H. Dong, N.V. Krylov, The rate of convergence of finite-difference approximations for parabolic Bellman equations with Lipschitz coefficients in cylindrical domains, Appl. Math. Optim. 56 (2007), 37–66.

10. N.V. Krylov, On the rate of convergence of finite-difference approximations for Bellman’s equation, St. Petersburg Math. J. 9(3) (1997), 245–256.

11. N.V. Krylov, On the rate of convergence of finite-difference approximations for Bellman’s equations with variable coefficients, Probab. Theory Related Fields 117(1) (2000), 1–16.

12. N.V. Krylov, The rate of convergence of finite-difference approximations for Bellman equations with Lipschitz coefficients, Appl. Math. Optim. 52(3) (2005), 365–399.

13. H. Dong and N.V. Krylov, On the rate of convergence of finite-difference approximations for Bellman’s equation with constant coefficients, Algebra Anal. 17 (2006), 295–313.

14. B‎. ‎Fornberg‎, ‎A practical guide to pseudospectral methods‎, ‎Cambridge Monographs‎, 1995‎.

15. C‎. ‎Canuto‎, ‎M.Y‎. ‎Hussaini‎, ‎A‎. ‎Quarteroni‎, ‎T.A‎. ‎Zang‎, ‎Spectral Methods in Fluid Dynamics‎, ‎Springer‎, ‎NewYork‎, 1988‎.

16. ‎J‎. ‎Boyd‎, ‎Chebyshev and Fourier Spectral Methods‎, ‎Dover‎‎, ‎second edition, 2001.

17. ‎J.C‎. ‎Mason‎, ‎D.C‎. ‎Handscomb‎, ‎Chebyshev Polynomials‎, ‎CRC Press LLC‎, 2003.

18. Z‎. ‎Avazzadeh‎, ‎M‎. ‎Heydari‎, ‎Chebyshev polynomials for solving two dimensional linear and nonlinear integral equations of the second kind‎, ‎Comput‎. ‎Appl‎. ‎Math‎. 31 (2012), 127-142.

19. E‎. ‎Scheiber‎, ‎On the Chebyshev approximation of a function with two variables‎, ‎arXiv:1504.04693‎, 2015.

20. E‎. ‎Tohidi‎, ‎Application of Chebyshev collocation method for solving two classes of non-classical parabolic PDEs‎, ‎Ain Shams Eng‎. ‎J‎. ‎(2015), 373-379‎.

21. V. S‎. ‎Chelyshkov‎, ‎Alternative Orthogonal Polynomials and quadratures‎, ETNA, ‎Electron‎. ‎Trans‎. ‎Numer‎. ‎Anal. 25 (2006), 17-26‎.

22. L‎. ‎Moradi‎, ‎F‎. ‎Mohammadi‎, ‎D‎. ‎Baleanu‎, ‎A direct numerical solution of time-delay fractional‎ ‎optimal control problems by using Chelyshkov wavelets‎, ‎J. Vib. Control. 25 (2018), 310-324‎.

23. C‎. ‎Oğuz‎, ‎M‎. ‎Sezer‎, ‎A.D‎. ‎Oguz‎, ‎Chelyshkov collocation approach to solve the systems‎ ‎of linear functional differential equations‎, ‎New Trends Math. Sci. 4 (2015), 83-97‎.

24. C‎. ‎Oğuz‎, ‎M‎. ‎Sezer‎, ‎Chelyshkov collocation method for a class of mixed functional‎ ‎integro-differential equations, Appl. Math. Comput. 259 (2015), 943-954‎.

25. Y‎. ‎Talaei‎, ‎M‎. ‎Asgari‎, ‎An operational matrix based on Chelyshkov polynomials‎ ‎for solving multi-order fractional differential equations‎, ‎Neural‎. ‎Comput‎. ‎Appl. 30 (2018), 1369-1378.

26. P‎. ‎Rahimkhani‎, ‎Y‎. ‎Ordokhani‎, ‎Numerical Solution of Volterra–Hammerstein Delay Integral Equations‎, ‎Iran. J. Sci. Technol. Trans. A Sci. 44 (2020), 445-457‎.

27. D. S‎. ‎Mohamed‎, ‎Chelyshkov’s Collocation Method for Solving Three-Dimensional Linear Fredholm‎ ‎Integral Equations‎, ‎MathLAB Journal 4 (2019), 163-171‎.

28. K. G‎. ‎Vamvoudakis‎, ‎F.L‎. ‎Lewis‎, ‎Multi-player non-zero-sum games‎: ‎online adaptive learning‎ ‎solution of coupled Hamilton-Jacobi equations‎, ‎Automatica 47(8) (2011), 1556-1569‎.

29. D‎. ‎Vrabie‎, ‎F. L‎. ‎Lewis‎, ‎Integral reinforcement learning for online computation of feedback‎ ‎Nash strategies of nonzero-sum differential games‎, ‎Proceedings of the IEEE conference on Decis‎. ‎Control‎. ‎(2010), 3066-3071‎.

30. D‎. ‎Liu‎, ‎Q‎. ‎Wei‎, ‎D‎. ‎Wang‎, ‎X‎. ‎Yang‎, ‎H‎. ‎Li‎, ‎Adaptive Dynamic Programming with Applications in Optimal Control‎, ‎Adv‎. ‎Ind‎. ‎Control‎. ‎springer‎, 2017.

31. H‎. ‎Li‎, ‎D‎. ‎Liu‎, ‎D‎. ‎Wang‎, ‎Adaptive dynamic programming for solving nonzero-sum differential games‎, ‎Conf‎. ‎Intell‎. ‎Control and Autom‎. ‎Sci‎. ‎(2013), 587-591‎.

32. E‎. ‎Suli and D‎. ‎F‎. ‎Mayers‎, ‎An Introduction to Numerical Analysis‎, ‎Cambridge University press‎, 2003.

33. M‎. ‎Gasca‎, ‎T‎. ‎Sauer‎, ‎On the history of multivariate polynomial interpolation‎, ‎J‎. ‎Comput‎. ‎Appl‎. Math‎. 122 (2000), 23-35‎.

34. Z. Nikooeinejad, A. Delavarkhalafi, M. Heydari, A numerical solution of open-loop Nash equilibrium in nonlinear differential games based on Chebyshev pseudospectral method, J. Comput. Appl. Math. 300 (2016), 369-384.

35. Z. Nikooeinejad, A. Delavarkhalafi, M. Heydari, Application of shifted Jacobi pseudospectral method for solving (in)finite-horizon minimax optimal control problems with uncertainty, Internat. J. Control. 13 (2017), 725-739.

36. Z. Nikooeinejad, M. Heydari, Nash equilibrium approximation of some class of stochastic differential games: A combined Chebyshev spectral collocation method with policy iteration, J. Comput. Appl. Math. 362 (2019), 41-54.

37. M. Saffarzade, G. B. Loghmani, M. Heydari, An iterative technique for the numerical solution of nonlinear stochastic It -Volterra integral equations, J. Comput. Appl. Math. 333 (2018), 74-86.

38. S. Alipour, F. Mirzaee, An iterative algorithm for solving two dimensional nonlinear stochastic integral equations: A combined successive approximations method with bilinear spline interpolation, Appl. Math. Comput. 371 (2020), 124947.