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(mp1x1p2x2)

F.O.C.

Lx1=αx1α1x2βλp1=0Lx2=βx1αx2β1λp2=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 x1βα+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:
APC1p1x1m=αα+β=p1x1mMPC1APC2p2x2m=βα+β=p2x2mMPC2

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

Lx1=p1μαx1α1x2β=0Lx2=p2μβx1αx2β1=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.

pαx1α1x2βw1=0pβx1αx2β1w2=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

(α1)lnx1+βlnx2=lnw1lnαlnpαlnx1+(β1)lnx2=lnw2lnβlnp

这就得到了关于变量 lnx1lnx2 的线性方程组,其扩展矩阵为

[(α1)βlnw1lnαlnpαβ1lnw2lnβlnp]

根据Cramer's Law 可得

(1αβ)lnx1=(β1)(lnw1lnαlnp)β(lnw2lnβlnp)(1αβ)lnx2=(α1)(lnw2lnβlnp)α(lnw1lnαlnp)

初步化简

(1αβ)lnx1=(β1)(lnw1α)β(lnw2β)+lnp(1αβ)lnx2=(α1)(lnw2β)α(lnw1α)+lnp

继续化简

(1αβ)lnx1=ln[p(w1α)β1(w2β)β](1αβ)lnx2=ln[p(w2β)α1(w1α)α]

最终可得要素需求函数

x1=[p(w1α)β1(w2β)β]11αβx2=[p(w2β)α1(w1α)α]11αβ

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=KαL1α 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

pαkα1=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

(1α)pkα=w

成本最小化

minxi w1x1+w2x2s.t. x1αx2β=q

The Lagrangian for this problem is

L=w1x1+w2x2+λ(qx1αx2β)

F.O.C

Lx1=w1λαx1α1x2β=0Lx2=w2λβx1αx2β1=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

αlnx1+βlnx2=lnqlnx1lnx2=lnαβlnw1w2

这就得到了关于变量 lnx1lnx2 的线性方程组,其扩展矩阵为

[αβlnq11lnαβlnw1w2]

根据Cramer's Law 可得

(αβ)lnx1=lnqβln(α/βw1/w2)(αβ)lnx2=lnq+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=αx1α1x2β=αqx1MP2=βx1αx2β1=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=q1αβMC=q1αβα+β(w1α)αα+β(w2β)βα+β