Cobb-Douglas函数

Cobb-Douglas function

Y=x1αx2β

核心特征:

Expenditure on x1Expenditure on x2=αβ

效用最大化

max u=x1αx2βs.t. p1x1+p2x2=m

The Lagrangian for this problem is

L=x1αx2β+λ(m−p1x1−p2x2)

F.O.C.

∂L∂x1=αx1α−1x2β−λp1=0∂L∂x2=βx1αx2β−1−λp2=0

which implies

p1x1p2x2=αβ

代入预算约束解得 Marshallian demand function

x1∗=αα+βmp1x2∗=βα+βmp2

也就是说 αα+β 比例的预算用于购买 x1,βα+β 比例的预算用于购买 x2

Cobb-Douglas 函数是一种 位似函数,其特征是:

  1. 所有商品需求的收入弹性均为 1
  2. 所有商品的的平均消费倾向(average propensity to consume, APC)和边际消费倾向(marginal propensity to consume, MPC)为常数:
APC1≡p1x1m=αα+β=∂p1x1∂m≡MPC1APC2≡p2x2m=βα+β=∂p2x2∂m≡MPC2

这符合代表性消费者的特征。

Code

import sympy as sp
x1,x2,a,b,p1,p2,m,la=sp.symbols('x_{1},x_{2},\\alpha,\\beta,p_{1},p_{2},m,\lambda',real=True)
u=x1**a*x2**b
g=m-(p1*x1+p2*x2)
L=u+la*g
FOC=[sp.diff(L,i) for i in [x1,x2,la]]
df=sp.solve(FOC,[x1,x2,la],dict=True)
dx1=sp.Eq(x1,df[0][x1])
dx2=sp.Eq(x2,df[0][x2])
print(sp.latex(dx1),sp.latex(dx2),sep='\n')

支出最小化

min p1x1+p2x2s.t. x1αx2β=u¯

The Lagrangian of this problem is

L=p1x1+p2x2+μ(u¯−x1αx2β)

F.O.C

∂L∂x1=p1−μαx1α−1x2β=0∂L∂x2=p2−μβx1αx2β−1=0

which implies

p1x1p2x2=αβ

代入预算约束解得 希克斯需求函数(解法同下文成本最小化一节)

x1H=u¯1α+β(α/βp1/p2)βα+βx2H=u¯1α+β(p1/p2α/β)αα+β

利润最大化

maxxi px1αx2β−(w1x1+w2x2)

F.O.C.

pαx1α−1x2β−w1=0pβx1αx2β−1−w2=0

which implies

w1x1w2x2=αβ

这个方程直接求解比较困难,可以先将 F.O.C.转化为对数形式

(α−1)ln⁡x1+βln⁡x2=ln⁡w1−ln⁡α−ln⁡pαln⁡x1+(β−1)ln⁡x2=ln⁡w2−ln⁡β−ln⁡p

这就得到了关于变量 ln⁡x1 和 ln⁡x2 的线性方程组,其扩展矩阵为

[(α−1)βln⁡w1−ln⁡α−ln⁡pαβ−1ln⁡w2−ln⁡β−ln⁡p]

根据 Cramer's Law 可得

(1−α−β)ln⁡x1=(β−1)(ln⁡w1−ln⁡α−ln⁡p)−β(ln⁡w2−ln⁡β−ln⁡p)(1−α−β)ln⁡x2=(α−1)(ln⁡w2−ln⁡β−ln⁡p)−α(ln⁡w1−ln⁡α−ln⁡p)

初步化简

(1−α−β)ln⁡x1=(β−1)(ln⁡w1α)−β(ln⁡w2β)+ln⁡p(1−α−β)ln⁡x2=(α−1)(ln⁡w2β)−α(ln⁡w1α)+ln⁡p

继续化简

(1−α−β)ln⁡x1=ln⁡[p(w1α)β−1(w2β)β](1−α−β)ln⁡x2=ln⁡[p(w2β)α−1(w1α)α]

最终可得要素需求函数

x1∗=[p(w1α)β−1(w2β)β]11−α−βx2∗=[p(w2β)α−1(w1α)α]11−α−β

注意:当 α+β=1 即规模报酬不变时,要素需求无限大,这意味着厂商的规模无法确定。

扩展

宏观经济学常用 Cobb-Douglas 函数 Y=KαL1−α 的紧凑形式:

y=YL=(KL)α=kα

利润最大化问题为

maxkpkα−(rk+w)

F.O.C.仅有单个条件

pαkα−1=r

将其代回目标函数后需要结合竞争性条件(零利润)得到第二条件

(1−α)pkα=w

成本最小化

minxi w1x1+w2x2s.t. x1αx2β=q

The Lagrangian for this problem is

L=w1x1+w2x2+λ(q−x1αx2β)

F.O.C

∂L∂x1=w1−λαx1α−1x2β=0∂L∂x2=w2−λβx1αx2β−1=0

which implies

w1x1w2x2=αβ

这个方程直接求解比较困难,可以先将约束条件和上述条件转化为对数形式

αln⁡x1+βln⁡x2=ln⁡qln⁡x1−ln⁡x2=ln⁡αβ−ln⁡w1w2

这就得到了关于变量 ln⁡x1 和 ln⁡x2 的线性方程组,其扩展矩阵为

[αβln⁡q1−1ln⁡αβ−ln⁡w1w2]

根据 Cramer's Law 可得

(−α−β)ln⁡x1=−ln⁡q−βln⁡(α/βw1/w2)(−α−β)ln⁡x2=−ln⁡q+αln⁡(α/βw1/w2)

最终可得条件要素需求函数

x1c=q1α+β(α/βw1/w2)βα+βx2c=q1α+β(w1/w2α/β)αα+β

边际成本

边际成本是最重要的厂商特征,标准的求解路径为:成本最小化→条件要素需求函数→成本函数→边际成本,然而这一路径过于繁琐。因此,了解如何从生产函数“直达”边际成本很有帮助。

成本最小化 问题为

minxi w1x1+w2x2s.t. x1αx2β=q

根据生产平衡等式可得方程组

MC=w1MP1MC=w2MP2

已知成本函数变量包含 q,故通过边际产出引入可得

MP1=αx1α−1x2β=αqx1MP2=βx1αx2β−1=βqx2

代回生产平衡等式得到

x1=αqw1MCx2=βqw2MC

代入约束条件得解

(αqw1MC)α(βqw2MC)β=q(αw1)α(βw2)βMCα+β=q1−α−βMC=q1−α−βα+β(w1α)αα+β(w2β)βα+β