Cobb-Douglas function
Y = x 1 α x 2 β 核心特征:
Expenditure on x 1 Expenditure on x 2 = α β 效用最大化
max u = x 1 α x 2 β s.t. p 1 x 1 + p 2 x 2 = m The Lagrangian for this problem is
L = x 1 α x 2 β + λ ( m − p 1 x 1 − p 2 x 2 ) F.O.C.
∂ L ∂ x 1 = α x 1 α − 1 x 2 β − λ p 1 = 0 ∂ L ∂ x 2 = β x 1 α x 2 β − 1 − λ p 2 = 0 which implies
p 1 x 1 p 2 x 2 = α β 代入预算约束解得 Marshallian demand function
x 1 ∗ = α α + β m p 1 x 2 ∗ = β α + β m p 2 也就是说 α α + β 比例的预算用于购买 x 1 ,β α + β 比例的预算用于购买 x 2
Cobb-Douglas 函数是一种位似函数 ,其特征是:
所有商品需求的收入弹性均为 1
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:
A P C 1 ≡ p 1 x 1 m = α α + β = ∂ p 1 x 1 ∂ m ≡ M P C 1 A P C 2 ≡ p 2 x 2 m = β α + β = ∂ p 2 x 2 ∂ m ≡ M P C 2 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 p 1 x 1 + p 2 x 2 s.t. x 1 α x 2 β = u ¯ The Lagrangian of this problem is
L = p 1 x 1 + p 2 x 2 + μ ( u ¯ − x 1 α x 2 β ) F.O.C
∂ L ∂ x 1 = p 1 − μ α x 1 α − 1 x 2 β = 0 ∂ L ∂ x 2 = p 2 − μ β x 1 α x 2 β − 1 = 0 which implies
p 1 x 1 p 2 x 2 = α β 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)
x 1 H = u ¯ 1 α + β ( α / β p 1 / p 2 ) β α + β x 2 H = u ¯ 1 α + β ( p 1 / p 2 α / β ) α α + β 利润最大化
max x i p x 1 α x 2 β − ( w 1 x 1 + w 2 x 2 ) F.O.C.
p α x 1 α − 1 x 2 β − w 1 = 0 p β x 1 α x 2 β − 1 − w 2 = 0 which implies
w 1 x 1 w 2 x 2 = α β 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 x 1 + β ln x 2 = ln w 1 − ln α − ln p α ln x 1 + ( β − 1 ) ln x 2 = ln w 2 − ln β − ln p 这就得到了关于变量 ln x 1 和 ln x 2 的线性方程组,其扩展矩阵为
[ ( α − 1 ) β ln w 1 − ln α − ln p α β − 1 ln w 2 − ln β − ln p ] 根据Cramer's Law 可得
( 1 − α − β ) ln x 1 = ( β − 1 ) ( ln w 1 − ln α − ln p ) − β ( ln w 2 − ln β − ln p ) ( 1 − α − β ) ln x 2 = ( α − 1 ) ( ln w 2 − ln β − ln p ) − α ( ln w 1 − ln α − ln p ) 初步化简
( 1 − α − β ) ln x 1 = ( β − 1 ) ( ln w 1 α ) − β ( ln w 2 β ) + ln p ( 1 − α − β ) ln x 2 = ( α − 1 ) ( ln w 2 β ) − α ( ln w 1 α ) + ln p 继续化简
( 1 − α − β ) ln x 1 = ln [ p ( w 1 α ) β − 1 ( w 2 β ) β ] ( 1 − α − β ) ln x 2 = ln [ p ( w 2 β ) α − 1 ( w 1 α ) α ] 最终可得要素需求函数
x 1 ∗ = [ p ( w 1 α ) β − 1 ( w 2 β ) β ] 1 1 − α − β x 2 ∗ = [ p ( w 2 β ) α − 1 ( w 1 α ) α ] 1 1 − 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 = K α L 1 − α 的紧凑形式:
y = Y L = ( K L ) α = k α 利润最大化问题为
max k p k α − ( r k + w ) F.O.C.仅有单个条件
p α k α − 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 ) p k α = w 成本最小化
min x i w 1 x 1 + w 2 x 2 s.t. x 1 α x 2 β = q The Lagrangian for this problem is
L = w 1 x 1 + w 2 x 2 + λ ( q − x 1 α x 2 β ) F.O.C
∂ L ∂ x 1 = w 1 − λ α x 1 α − 1 x 2 β = 0 ∂ L ∂ x 2 = w 2 − λ β x 1 α x 2 β − 1 = 0 which implies
w 1 x 1 w 2 x 2 = α β 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
α ln x 1 + β ln x 2 = ln q ln x 1 − ln x 2 = ln α β − ln w 1 w 2 这就得到了关于变量 ln x 1 和 ln x 2 的线性方程组,其扩展矩阵为
[ α β ln q 1 − 1 ln α β − ln w 1 w 2 ] 根据Cramer's Law 可得
( − α − β ) ln x 1 = − ln q − β ln ( α / β w 1 / w 2 ) ( − α − β ) ln x 2 = − ln q + α ln ( α / β w 1 / w 2 ) 最终可得条件要素需求函数
x 1 c = q 1 α + β ( α / β w 1 / w 2 ) β α + β x 2 c = q 1 α + β ( w 1 / w 2 α / β ) α α + 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
min x i w 1 x 1 + w 2 x 2 s.t. x 1 α x 2 β = q 根据生产平衡等式可得方程组
M C = w 1 M P 1 M C = w 2 M P 2 已知成本函数变量包含 q ,故通过边际产出引入可得
M P 1 = α x 1 α − 1 x 2 β = α q x 1 M P 2 = β x 1 α x 2 β − 1 = β q x 2 代回生产平衡等式得到
x 1 = α q w 1 M C x 2 = β q w 2 M C 代入约束条件得解
( α q w 1 M C ) α ( β q w 2 M C ) β = q ( α w 1 ) α ( β w 2 ) β M C α + β = q 1 − α − β M C = q 1 − α − β α + β ( w 1 α ) α α + β ( w 2 β ) β α + β