Yu. Averboukh. Value function of the optimal control problem for nonlocal balance equation ... P. 27–43

UDC 517.977.56, 517.977.54

MSC: 49L12, 35F20, 49L20, 49L25, 82C21

https://doi.org/10.21538/0134-4889-2026-32-1-fon-01

The research was funded by the Russian Science Foundation (project no. 24-21-00373,
https://rscf.ru/project/24-21-00373/)

This paper studies an optimal control problem for a system governed by a nonlocal balance equation, which models the evolution of a particle distribution. In the examined model, particles move according to a vector field and may disappear. The phase space for this problem is the space of non-negative measures. We prove the existence of an optimal relaxed control, establish a dynamic programming principle, and demonstrate that the value function is a viscosity solution of the corresponding Hamilton–Jacobi equation on the space of non-negative measures.

Keywords: controlled balance equation, optimal control problem, viscosity solution, space of non-negative measures

REFERENCES

1.   Albi G., Bongini M., Rossi F., Solombrino F. Leader formation with mean-field birth and death models. Math. Models Methods Appl. Sci., 2019, vol. 29, no. 4, pp. 633–679. https://doi.org/10.1142/S0218202519400025

2.   Averboukh Yu. Nonlocal balance equation: representation and approximation of solution. J. Dyn. Diff. Equat., 2025, vol. 37, pp. 2461–2495. https://doi.org/10.1007/s10884-024-10373-8

3.   Averboukh Yu.V. Nagumo-type viability theorem for nonlocal balance equation. Izv. IMI UdGU, 2024, vol. 64, pp. 3–16. https://doi.org/10.35634/2226-3594-2024-64-01

4.   Ayi N., Pouradier Duteil N. Mean-field and graph limits for collective dynamics models with time-varying weights. J. Differ. Equat., 2021, vol. 299, pp. 65–110. https://doi.org/10.1016/j.jde.2021.07.010

5.   Badreddine Z., Frankowska H. Hamilton–Jacobi inequalities on a metric space. J. Differ. Equat., 2021, vol. 271, pp. 1058–1091. https://doi.org/10.1016/j.jde.2020.09.026

6.   Bardi M., Capuzzo-Dolcetta I. Optimal control and viscosity solutions of Hamilton–Jacobi–Bellman equations. Boston, Birkhäuser Boston, 1997, 574 p. https://doi.org/10.1007/978-0-8176-4755-1

7.   Bayen A., Friedrich J., Keimer A., Pflug L., Veeravalli T. Modeling multilane traffic with moving obstacles by nonlocal balance laws. SIAM J. Appl. Dyn. Syst., 2022, vol. 21, no. 2, pp. 1495–1538. https://doi.org/10.1137/20M1366654

8.   Bonnet B.A. Pontryagin maximum principle in Wasserstein spaces for constrained optimal control problems. ESAIM: Control Optim. Calc. Var., 2019, vol. 25, art. no. 52, 38 p. https://doi.org/10.1051/cocv/2019044

9.   Bonnet B., Frankowska H. Mean-field optimal control of continuity equations and differential inclusions. In: Proc. 2020 59th IEEE Conference on Decision and Control (CDC), Jeju, Korea (South), 2020, pp. 470–475. https://doi.org/10.1109/CDC42340.2020.9303835

10.   Bonnet B., Frankowska H. Semiconcavity and sensitivity analysis in mean-field optimal control and applications. J. Math. Pures Appl., 2022, vol. 157, pp. 282–345. https://doi.org/10.1016/j.matpur.2021.11.001

11.   Bonnet B., Rossi F. The Pontryagin maximum principle in the Wasserstein space. Calc. Var. Partial Differ. Equat., 2019, vol. 58, no. 1, art. no. 11, 36 p. https://doi.org/10.1007/s00526-018-1447-2

12.   Carlini E., Festa A., Silva F.J., Wolfram M.-T. A semi-lagrangian scheme for a modified version of the hughes’ model for pedestrian flow. Dyn. Games Appl., 2017, vol. 7, no. 4, pp. 683–705. https://doi.org/10.1007/s13235-016-0202-6

13.   Colombo R.M., Marcellini F. Nonlocal systems of balance laws in several space dimensions with applications to laser technology. J. Differ. Equat., 2015, vol. 259, no. 11, pp. 6749–6773. https://doi.org/10.1016/j.jde.2015.08.005

14.   Dellacherie C., Meyer P.-A. Probabilities and potential. Ser. North-Holland Math. Studies, Hermann, North-Holland Pub. Co., 1978, vol. 29, 463 p. ISBN-10: 072040701X .

15.   Duteil N.P. Mean-field limit of collective dynamics with time-varying weights. Netw. Heterog. Media., 2022, vol. 17, no. 2, pp. 129–161. https://doi.org/10.3934/nhm.2022001

16.   Goncharova E.V., Pogodaev N.I., Staritsyn M.V. Exact formulas for the increment of the cost functional in optimal control of linear balance equation. Bull. Irkutsk State Univ. Ser. Math., 2025, vol. 51, pp. 3–20. https://doi.org/10.26516/1997-7670.2025.51.3

17.   Kondratyev S., Monsaingeon L., Vorotnikov D. A new optimal transport distance on the space of finite Radon measures. Adv. Differential Equations, 2016, vol. 21, pp. 1117–1164. https://doi.org/10.57262/ade/1476369298

18.   Maniglia S. Probabilistic representation and uniqueness results for measure-valued solutions of transport equations. J. Math. Pures Appl., 2007, vol. 87, no. 6, pp. 601–626. https://doi.org/10.1016/j.matpur.2007.04.001

19.   McQuade S., Piccoli B., Duteil N.P. Social dynamics models with time-varying influence. Math. Models Methods Appl. Sci., 2019, vol. 29, no. 4, pp. 681–716. https://doi.org/10.1142/S0218202519400037

20.   Piccoli B., Duteil N.P. Control of collective dynamics with time-varying weights. In: Salvarani F. (eds.) Conf. paper ”Recent advances in kinetic equations and applications”, Springer INdAM Ser., vol. 48, Cham, Springer, 2021, pp. 289–308. https://doi.org/10.1007/978-3-030-82946-9_12

21.   Piccoli B., Rossi F. Generalized Wasserstein distance and its application to transport equations with source. Arch. Ration. Mech. Anal., 2014, vol. 211, no. 1, pp. 335–358. https://doi.org/10.1007/s00205-013-0669-x

22.   Piccoli B., Rossi F. On properties of the generalized Wasserstein distance. Arch. Ration. Mech. Anal., 2016, vol. 222, pp. 1339–1365. https://doi.org/10.1007/s00205-016-1026-7

23.   Piccoli B., Rossi F. Measure-theoretic models for crowd dynamics. In: Gibelli L., Bellomo N. (eds.) Crowd Dynamics, vol. 1. Modeling and simulation in science, engineering and technology. Cham, Birkhäuser, 2018, pp. 137–165. https://doi.org/10.1007/978-3-030-05129-7_6

24.   Piccoli B., Rossi F., Tournus M. A Wasserstein norm for signed measures, with application to nonlocal transport equation with source term, 2019, 26 p. https://doi.org/10.48550/arXiv.1910.05105

25.   Pogodaev N.I., Staritsyn M.V. Nonlocal balance equations with parameters in the space of signed measures. Mat. Sb., 2022, vol. 213, no. 1, pp. 63–87. https://doi.org/10.1070/SM9516

26.   Pogodaev N.I., Staritsyn M.V. optimal control of nonlocal balance equations in the space of nonnegative measures. Sib. Math. J., 2025, vol. 66, pp. 576–593. https://doi.org/10.1134/S0037446625020223

27.   Subbotin A.I. Generalized solutions of first-order PDEs: the dynamical optimization perspective, Ser. Systems & Control: Foundations & Applications (SCFA), Boston, Birkhäuser, 1994, 314 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4612-0847-1

28.   Thai M.-N. Birth and death process in mean field type interaction, 2015, 19 p. https://doi.org/10.48550/arXiv.1510.03238

29.   Villani C. Optimal transport: old and new, Ser. Grundlehren der mathematischen Wissenschaften; vol. 338. Berlin, Heidelberg, Springer, 2009, 976 p. https://doi.org/10.1007/978-3-540-71050-9

Received October 10, 2025

Revised October 31, 2025

Accepted November 3, 2025

Published online November 20, 2025

Funding Agency: The research was funded by the Russian Science Foundation (project no.~24-21-00373, https://rscf.ru/project/24-21-00373/).

Yurii Vladimirovich Averboukh, Dr. Sci. in Math., Krasovskii Institute of Mathematics and Mechanics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Yekaterinburg, 620077 Russia, e-mail: ayv@imm.uran.ru

Cite this article as: Yu. Averboukh. Value function of the optimal control problem for nonlocal balance equation. Trudy Instituta Matematiki i Mekhaniki UrO RAN, 2026, vol. 32, no. 1, pp. 27–43.

Русский

Ю.В. Авербух. Функция цены в задаче оптимального управления уравнением баланса

Данная статья посвящена задаче оптимального управления для системы, описываемой нелокальным уравнением баланса, которое моделирует эволюцию распределения частиц. В рассматриваемой модели частицы движутся в соответствии с векторным полем и могут исчезать. Фазовым пространством для данной задачи является пространство неотрицательных мер. Мы доказываем существование оптимального обобщенного управления, устанавливаем принцип динамического программирования и показываем, что функция значения является вязкостным решением соответствующего уравнения Гамильтона — Якоби в пространстве неотрицательных мер.

Ключевые слова: управляемое уравнение баланса, задача оптимального управления, вязкостное решение, пространство неотрицательных мер