Deterministic Problem

Consumption-Saving Problem

The problem is

max{ct,kt+1}t=0 t=0βtu(ct)s.t. kt+1=(1+r)ktct kt+10 k0=k

一般地,消费者通过选择消费序列 {ct}t=0 和资本序列 {kt+1}t=0 最大化终身效用。

特别地,不同于静态最优化方法找到一个最优解,动态最优化方法试图找到一个最优函数。定义政策函数(policy function)将资本序列 {kt}t=0 映射为最优消费序列 {ct}t=0 ,使得 h(kt)=ct,将其代回目标函数可以得到值函数。

序列的映射可以看作如下递归过程:

  1. 输入 k0,设定 c0,由约束方程得到 k1,然后迭代,对应政策函数 h(k0)=c0
  2. 输入 k0,设定 k1,由约束方程得到 c0,然后迭代,政策函数是 h(k0)=k1
    约束方程的存在减少自由度,所以可以任选 ctkt+1 作为控制变量,这里采用后者。
    无论采用哪种视角,政策函数的参数都是状态变量 k0,因此值函数的变量也是 k0

值函数可以写为

V(k0)=max{kt+1}t=0t=0βtu(ct)=max{kt+1}t=0u(c0)+t=1βtu(ct)=max{kt+1}t=0u(c0)+βt=1βt1u(ct)=max{kt+1}t=0u(c0)+βV(k1) (Bellman Equation)

代入约束条件

V(k0)=max{kt+1}t=0u((1+r)k0k1)+βV(k1)

F.O.C.

V(k0)k1=uc0+βV(k1)k1=0

根据包络定理

V(k0)k0=[u((1+r)k0k1)+βV(k1)]k0=(1+r)uc0

One Step Forward

V(k1)k1=(1+r)uc1

代回F.O.C.得到 Euler Equation

uc0uc1=β(1+r)

代入最优政策函数 h(kt)=kt+1 就可得得到 h 的显式解。

General Problem

max{xs,ys}s=t s=tβstF(xs,ys)s.t. xs+1=G(xs,ys)st

这里将从 0 期至无穷期的优化问题一般化为 t 期至无穷期的最优化问题,xs 是状态变量,ys 是控制变量,xs+1 由约束方程决定,故政策函数为 h(xs)=ys

Bellman Equation可以写为

V(xt)=max{ys}s=tF(xt,yt)+s=t+1βstF(xs,ys)=max{ys}s=tF(xt,yt)+βs=t+1βs(t+1)F(xs,ys)=max{ys}s=tF(xt,yt)+βV(xt+1)

F.O.C.

V(xt)yt=F(xt,yt)yt+βV(xt+1)xt+1G(xt,yt)yt=0

根据包络定理

V(xt)xt=F(xt,yt)xt+βV(xt+1)xt+1G(xt,yt)xt

假如通过合理设定控制变量使得 G(xt,yt)xt=0,one step forward

V(xt+1)xt+1=F(xt+1,yt+1)xt+1

代回F.O.C.

F(xt,yt)xtF(xt+1,yt+1)xt+1=βG(xt,yt)yt

代入政策函数 h(xt)=yt 可以解得显式解。

两个控制变量的例子

max s=tβsu(cs,ls)s.t. kt+1=(1δ)kt+it yt=f(kt,lt)ct+it lt[0,1]

消费和劳动影响效用,劳动以时间衡量,时间标准化为 1,第二个约束显然是紧的,否则增加消费总可以提高效用,因此问题可以改写为

max s=tβsu(cs,ls)s.t. kt+1=(1δ)kt+f(kt,lt)ct lt[0,1]

状态变量为 kt,控制变量为 kt+1lt,由约束方程得到 ct

Bellman Equation 写为

V(kt)=max{ks+1,ls}s=tu(ct,lt)+βV(kt+1)=max{ks+1,ls}s=tu([kt+1+(1δ)kt+f(kt,lt)],lt)+βV(kt+1)

F.O.C.

V(kt)kt+1=u(ct,lt)ct+βV(kt+1)kt+1=0V(kt)lt=u(ct,lt)ctf(kt,lt)lt+u(ct,lt)lt=0

根据包络定理

V(kt)kt=u(ct,lt)ct[(1δ)+f(kt,lt)kt]

one step forward

V(kt+1)kt+1=u(ct+1,lt+1)ct+1[(1δ)+f(kt+1,lt+1)kt+1]

代回F.O.C.得到

βu(ct+1,lt+1)ct+1[(1δ)+f(kt+1,lt+1)kt+1]f(kt,lt)lt+u(ct,lt)lt=0