Ramsey-Cass-Koopmans Model

该模型旨在将消费(储蓄)选择纳入最优化的框架。

家庭

时间:无限期,连续型

代表性家庭瞬时(instantaneous)效用函数为

u(c(t))

假设瞬时效用函数满足:

t=0 期家庭期望效用函数为

U(0)=0eρtu(c(t))L(t)dt=0e(ρn)tu(c(t))dtwhere ρ>n

其中:

Note

若时间离散则期望效用函数为 U(0)=t=0βtu(c(t))

家庭预算约束为

A˙(t)r(t)A(t)+w(t)L(t)c(t)L(t)

其中:

定义人均资产 a(t)A(t)L(t) ,从而有

A˙(t)=da(t)L(t)dt=a˙(t)L(t)+a(t)L˙(t)

家庭预算约束可以改写为

a˙(t)=[r(t)n]a(t)+w(t)c(t)
Note

若不考虑人口增长为

a˙(t)=r(t)a(t)+w(t)c(t)

若考虑外生技术进步为

a˙(t)=[r(t)ng]a(t)+w(t)c(t)

若考虑税率为 τ 的资本所得税为

a˙(t)=[(1τ)r(t)n]a(t)+w(t)c(t)

若考虑税率为 τ 的收入所得税为

a˙(t)=[(1τ)r(t)n]a(t)+(1τ)w(t)c(t)

厂商

类似 Solow Model 当中的假设(不考虑技术进步),总量生产函数为

Y(t)=F(K(t),L(t))

人均生产函数为

y(t)Y(t)L(t)=f(k(t))

利润最大化问题为(产品作为计价物品)

maxK(t),L(t)F(K(t),L(t))R(t)K(t)w(t)L(t)

最优化条件为

FK(K(t),L(t))=R(t)FL(K(t),L(t))=w(t)

根据齐次函数#欧拉定理可知

FK(K,L)=f(k)FL(K,L)=f(k)f(k)k

最优化条件可以改写为

R(t)=f(k(t))w(t)=f(k(t))f(k(t))k(t)

市场出清

a(t)=k(t)r(t)=R(t)δ
Note

可以这样理解,资产(asset)不会折旧,资本(capital)会折旧,资产的收益 r(t) 和资本的收益 R(t)δ 必定相等。

均衡

Definition A competitive equilibrium of the Ramsey economy consists of paths {C(t),K(t),w(t),R(t)}t=0, such that the representative household maximizes its utility given initial capital stock K(0) and the time path of prices {w(t),R(t)}t=0, and all markets clear.

maxc(t) U(0)=0e(ρn)tu(c(t))dxs.t. a˙(t)=[r(t)n]a(t)+w(t)c(t) limta(t)exp[0t(r(s)n)ds]0
Note

第二条约束称为 no-ponzi-game 条件,意味在无穷期资产的现值非负。注意其和

a(t)exp[0t(r(s)n)ds]0

的区别,前者只要求资产现值在无穷期趋近于非负,可以有借贷行为;后者相当于要求资产现值在任意期都非负,不能有借贷行为。

在最优化过程中并不直接处理这条约束,而是求出结果后再验证是否满足约束。

该问题的现值Hamiltonian function 为(see 最优控制理论

H^(a,c,μ)=u(c(t))+μ(t){[r(t)n]a(t)+w(t)c(t)}

Maximum Principle

(1)H^(a,c,μ)c=0u(c(t))=μ(t)(2)H^(a,c,μ)a=μ˙(t)+(ρn)μ(t)μ˙(t)μ(t)=ρr(t)(3)H^(a,c,μ)μ=a˙(t)(4)limt[e(ρn)tμ(t)a(t)]=0

根据(1)可得

μ˙(t)μ(t)=dlnu(c(t))dt=1u(c(t))du(c(t))dcdc(t)dt=u(c(t))u(c(t))c(t)c˙(t)c(t)

瞬时效用函数的相对风险规避系数 θ 的定义为

θc(t)u(c(t))u(c(t))

结合(2)可得欧拉方程

c˙(t)c(t)=r(t)ρθ
Note

是否考虑人口增长率没有影响;
若考虑税率为 τ 的资本所得税收入所得税为

c˙(t)c(t)=(1τ)r(t)ρθ

代入利润最大化条件、市场出清条件可得

c˙(t)c(t)=f(k)δρθ

接下来验证约束条件:对(2)积分并代入(1)

μ(t)=μ(0)exp(0t(ρr(s))ds)=u(c(0))exp(0t(r(s)ρ)ds)

代入横截条件(transversality condition)

0=limt[e(ρn)ta(t)u(c(0))exp(0t(r(s)ρ)ds)]0=limt[a(t)exp(0t(r(s)n)ds)]

因此no-Ponzi game 条件满足,相当于无限期资产现值必为零(花光了)

Note

如果考虑社会计划者经济,相当于约束条件自动满足市场出清条件:

k˙(t)=[f(k)δn]k(t)+[f(k(t))kf(k(t))]c(t)=f(k(t))(n+δ)k(t)c(t)

重复上述最优化过程可得同样的欧拉方程

c˙(t)c(t)=f(k)δρθ

如果考虑外生技术进步为

c˙(t)c(t)=f(k)δρθg

稳态

在稳态下即 c˙(t)=k˙(t)=0 时,资本劳动比 k 取决于

f(k)=ρ+δ

类似地,稳态劳均消费 c 取决于

c=f(k)(n+δ)k

此时稳态储蓄率相当于

sf(k)cf(k)=(n+δ)kf(k)

这和 Solow Model (不考虑技术进步)的固定储蓄率完全一致。


家庭行为

假设 t 期的人口为 L(t),增长率为常数 n,即 L(t)=L(0)ent

家庭的个数为常数 H,即 t 期每个家庭有 L(t)H

初期资本存量为 K(0),即初期家庭资本存量为 K(0)H

瞬时效用函数为 CRRA 效用函数

u(c~(t))=c~(t)1θ1θ,θ>0,θ1

其中 c~(t)=c(t)A(t)=C(t)L(t) 表示单人的消费

家庭效用函数

U=0eρtu(c~(t))L(t)Hdt=0eρt[c(t)A(t)]1θ1θL(t)Hdt=0eρt[A(0)1θe(1θ)gtc(t)1θ1θ]L(0)entHdt=A(0)1θL(0)H0eρt+(1θ)gt+ntc(t)1θ1θdt=B0eβtc(t)1θ1θdt

其中

{BA(0)1θL(0)Hβρn(1θ)g

注意:这里我们需要额外假定 β>0 避免积分发散。

厂商行为

根据竞争性条件有

r=FK=ALf(k)kkK=ALf(k)1AL=f(k)

以及

w~=FL=ALf(k)L=Af(k)+ALf(k)kkL=Af(k)+ALf(k)(KAL2)=A[f(k)kf(k)]

其中 w[f(k)kf(k)] 为有效劳动收入,即 w~=wA

约束条件

有限期界下消费者的终身预算约束(折现到初期)为

0TeR(t)c~(t)L(t)Hdt+eR(T)K(T)H=K(0)H+0TeR(t)w~(t)L(t)Hdt0TeR(t)c(t)A(t)L(t)Hdt+eR(T)k(T)A(T)L(T)H=k(0)A(0)L(0)H+0TeR(t)w(t)A(t)L(t)Hdt

利用 A(t)L(t)=A(0)L(0)e(n+g)t 以及 A(T)L(T)=A(0)L(0)e(n+g)T 化简可得

0TeR(t)c(t)e(n+g)tdt+eR(T)+(n+g)Tk(T)=k(0)+0TeR(t)w(t)e(n+g)tdt

其中 R(t)=0tr(τ)dτ 以及 R(t)=0Tr(τ)dτ 为可变利率,若利率不变则 R(t)=rt

在无限期界情形时,我们假设家庭财富不会渐进趋于负值,即 no-pongzi-game condition

limTeR(T)+(n+g)Tk(T)0

T 将预算约束化为不等式形式:

0eR(t)c(t)e(n+g)tdtk(0)+0eR(t)w(t)e(n+g)tdt

换言之,一生消费的现值不能超过其初始财富加上一生劳动收入的现值。

移项可得

k(0)+0eR(t)+(n+g)t[w(t)c(t)]dt0

模型求解

动态最优化问题为

maxc U=B0eβtc(t)1θ1θdts.t. βρn(1θ)g BA(0)1θL(0)H k˙(t)=f(k(t))c(t)(n+g+δ)k(t)

Hamiltonian function is

H(t,k,c,λ)eβtc(t)1θ1θ+λ(t)[f(k(t))c(t)(n+g+δ)k(t)]

The maximum principle is

(1)Hc(t)=0eβtc(t)θ=λ(t)(2)Hk(t)=λ˙(t)λ(t)[f(k(t))(n+g+δ)]=λ˙(t)Hλ(t)=k˙(t)

注意 dlnλ(t)dt=λ˙(t)λ(t),根据(1)可知

lnλ(t)=βtθlnc(t)λ˙(t)λ(t)=βθc˙(t)c(t)

代入(2)可得

c˙(t)c(t)=f(k(t))(n+g+δ+β)θ=f(k(t))ρθgδθ

模型动态

两个变量决定两个动态,即 c˙(c,k)k˙(c,k),可以在坐标图中表现出来。

我们记 c˙=0k=k^,根据欧拉方程可知

{f(k(t))=ρ+θg+δ,if c˙=0 and k=k^f(k(t))>ρ+θg+δ,if c˙>0 and k<k^f(k(t))<ρ+θg+δ,if c˙<0 and k>k^

从第一个式子可以看出 c˙=0k^ 是一个常数

我们记 k˙=0c=c^,根据资本动态方程 c(t)=f(k(t))(n+g+δ)k(t)k˙(t) 可知

{c(t)=f(k(t))(n+g+δ)k(t),if k˙=0 and c=c^c(t)<f(k(t))(n+g+δ)k(t),if k˙>0 and c<c^c(t)>f(k(t))(n+g+δ)k(t),if k˙<0 and c>c^

从第一个式子可以看出 k˙=0c^ 是一个先增后减的曲线,最高点即 cg

命题:k^<kg,即稳态资本(k˙=c˙=0)一定小于黄金率资本。

证明:根据相位图两条分界线的定义式可知

{f(k^)=ρ+θg+δf(kg)=n+g+δ

根据家庭效用函数积分不发散条件和边际产量递减可知

ρn(1θ)g>0f(k^)>f(kg)k^<kg