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:
二阶连续可微
严格递增
严格凹
lim c → 0 u ′ ( c ) = ∞ 且 lim c → ∞ u ′ ( c ) = 0
t = 0 期家庭期望效用函数为
U ( 0 ) = ∫ 0 ∞ e − ρ t u ( c ( t ) ) L ( t ) d t = ∫ 0 ∞ e − ( ρ − n ) t u ( c ( t ) ) d t where ρ > n 其中:
ρ 为效用贴现率
c ( t ) ≡ C ( t ) L ( t ) 为人均消费
L ( t ) = e n t L ( 0 ) 且 L ( 0 ) ≡ 1
若时间离散则期望效用函数为 U ( 0 ) = ∑ t = 0 ∞ β t u ( 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:
A ( t ) 为总资产(asset)
r ( t ) 为利率
w ( t ) 为工资
定义人均资产 a ( t ) ≡ A ( t ) L ( t ) ,从而有
A ˙ ( t ) = d a ( t ) L ( t ) d t = 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 )
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 ) − n − g ] a ( t ) + w ( t ) − c ( t ) 若考虑税率为 τ 的资本所得税为
a ˙ ( t ) = [ ( 1 − τ ) 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 ) = [ ( 1 − τ ) r ( t ) − n ] a ( t ) + ( 1 − τ ) 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)
max K ( t ) , L ( t ) F ( K ( t ) , L ( t ) ) − R ( t ) K ( t ) − w ( t ) L ( t ) 最优化条件为
F K ( K ( t ) , L ( t ) ) = R ( t ) F L ( K ( t ) , L ( t ) ) = w ( t ) 根据齐次函数#欧拉定理 可知
F K ( K , L ) = f ′ ( k ) F L ( 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
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.
max c ( t ) U ( 0 ) = ∫ 0 ∞ e − ( ρ − n ) t u ( c ( t ) ) d x s.t. a ˙ ( t ) = [ r ( t ) − n ] a ( t ) + w ( t ) − c ( t ) lim t → ∞ a ( t ) exp [ − ∫ 0 t ( r ( s ) − n ) d s ] ≥ 0
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 [ − ∫ 0 t ( r ( s ) − n ) d s ] ≥ 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 = 0 ⟹ u ′ ( c ( t ) ) = μ ( t ) (2) ∂ H ^ ( a , c , μ ) ∂ a = − μ ˙ ( t ) + ( ρ − n ) μ ( t ) ⟹ μ ˙ ( t ) μ ( t ) = ρ − r ( t ) (3) ∂ H ^ ( a , c , μ ) ∂ μ = a ˙ ( t ) (4) lim t → ∞ [ e − ( ρ − n ) t μ ( t ) a ( t ) ] = 0 根据(1)可得
μ ˙ ( t ) μ ( t ) = d ln u ′ ( c ( t ) ) d t = 1 u ′ ( c ( t ) ) d u ′ ( c ( t ) ) d c d c ( t ) d t = 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
θ ≡ − c ( t ) u ″ ( c ( t ) ) u ′ ( c ( t ) ) 结合(2)可得欧拉方程
c ˙ ( t ) c ( t ) = r ( t ) − ρ θ
是否考虑人口增长率没有影响;
若考虑税率为 τ 的资本所得税或 收入所得税为
c ˙ ( t ) c ( t ) = ( 1 − τ ) r ( t ) − ρ θ
代入利润最大化条件、市场出清条件可得
c ˙ ( t ) c ( t ) = f ′ ( k ) − δ − ρ θ 接下来验证约束条件:对(2)积分并代入(1)
μ ( t ) = μ ( 0 ) exp ( ∫ 0 t ( ρ − r ( s ) ) d s ) = u ′ ( c ( 0 ) ) exp ( − ∫ 0 t ( r ( s ) − ρ ) d s ) 代入横截条件(transversality condition)
0 = lim t → ∞ [ e − ( ρ − n ) t a ( t ) u ′ ( c ( 0 ) ) exp ( − ∫ 0 t ( r ( s ) − ρ ) d s ) ] 0 = lim t → ∞ [ a ( t ) exp ( − ∫ 0 t ( r ( s ) − n ) d s ) ] 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)
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 ) − δ − n ] k ( t ) + [ f ( k ( t ) ) − k f ′ ( 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 ) − δ − ρ θ 如果考虑外生技术进步为
c ˙ ( t ) c ( t ) = f ′ ( k ) − δ − ρ θ − g
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
即使考虑外生技术进步,k ∗ 也只取决于 ( ρ , δ , g ) ;
在 Solow Model 中 k ∗ 取决于 ( s , n , g , δ )
这里核心特点在于 n 对稳态没有影响,更符合现实。
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
s ∗ ≡ f ( k ∗ ) − c ∗ f ( k ∗ ) = ( n + δ ) k ∗ f ( 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 ) e n t
家庭的个数为常数 H ,即 t 期每个家庭有 L ( t ) H 人
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 ) 1 − θ 1 − θ , θ > 0 , θ ≠ 1 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 为
U = ∫ 0 ∞ e − ρ t u ( c ~ ( t ) ) L ( t ) H d t = ∫ 0 ∞ e − ρ t [ c ( t ) A ( t ) ] 1 − θ 1 − θ L ( t ) H d t = ∫ 0 ∞ e − ρ t [ A ( 0 ) 1 − θ e ( 1 − θ ) g t c ( t ) 1 − θ 1 − θ ] L ( 0 ) e n t H d t = A ( 0 ) 1 − θ L ( 0 ) H ∫ 0 ∞ e − ρ t + ( 1 − θ ) g t + n t c ( t ) 1 − θ 1 − θ d t = B ∫ 0 ∞ e − β t c ( t ) 1 − θ 1 − θ d t 其中
{ B ≡ A ( 0 ) 1 − θ L ( 0 ) H β ≡ ρ − n − ( 1 − θ ) 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 = ∂ F ∂ K = ∂ A L f ( k ) ∂ k ∂ k ∂ K = A L f ′ ( k ) 1 A L = f ′ ( k ) 以及
w ~ = ∂ F ∂ L = ∂ A L f ( k ) ∂ L = A f ( k ) + A L ∂ f ( k ) ∂ k ∂ k ∂ L = A f ( k ) + A L f ′ ( k ) ( − K A L 2 ) = A [ f ( k ) − k f ′ ( k ) ] 其中 w ≡ [ f ( k ) − k f ′ ( k ) ] 为有效劳动收入,即 w ~ = w A
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
∫ 0 T e − R ( t ) c ~ ( t ) L ( t ) H d t + e − R ( T ) K ( T ) H = K ( 0 ) H + ∫ 0 T e − R ( t ) w ~ ( t ) L ( t ) H d t ∫ 0 T e − R ( t ) c ( t ) A ( t ) L ( t ) H d t + e − R ( T ) k ( T ) A ( T ) L ( T ) H = k ( 0 ) A ( 0 ) L ( 0 ) H + ∫ 0 T e − R ( t ) w ( t ) A ( t ) L ( t ) H d t 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
∫ 0 T e − R ( t ) c ( t ) e ( n + g ) t d t + e − R ( T ) + ( n + g ) T k ( T ) = k ( 0 ) + ∫ 0 T e − R ( t ) w ( t ) e ( n + g ) t d t 其中 R ( t ) = ∫ 0 t r ( τ ) d τ 以及 R ( t ) = ∫ 0 T r ( τ ) d τ 为可变利率,若利率不变则 R ( t ) = r t
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
lim T → ∞ e − R ( T ) + ( n + g ) T k ( T ) ≥ 0 令 T → ∞ 将预算约束化为不等式形式:
∫ 0 ∞ e − R ( t ) c ( t ) e ( n + g ) t d t ≤ k ( 0 ) + ∫ 0 ∞ e − R ( t ) w ( t ) e ( n + g ) t d t 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 ) + ∫ 0 ∞ e − R ( t ) + ( n + g ) t [ w ( t ) − c ( t ) ] d t ≥ 0 模型求解
动态最优化问题为
max c U = B ∫ 0 ∞ e − β t c ( t ) 1 − θ 1 − θ d t s.t. β ≡ ρ − n − ( 1 − θ ) g B ≡ A ( 0 ) 1 − θ L ( 0 ) H k ˙ ( t ) = f ( k ( t ) ) − c ( t ) − ( n + g + δ ) k ( t ) Hamiltonian function is
H ( t , k , c , λ ) ≡ e − β t c ( t ) 1 − θ 1 − θ + λ ( t ) [ f ( k ( t ) ) − c ( t ) − ( n + g + δ ) k ( t ) ] The maximum principle is
(1) ∂ H ∂ c ( t ) = 0 ⟹ e − β t c ( t ) − θ = λ ( t ) (2) ∂ H ∂ k ( t ) = − λ ˙ ( t ) ⟹ λ ( t ) [ f ′ ( k ( t ) ) − ( n + g + δ ) ] = − λ ˙ ( t ) ∂ H ∂ λ ( t ) = k ˙ ( t ) 注意 d ln λ ( t ) d t = λ ˙ ( t ) λ ( t ) ,根据(1)可知
ln λ ( t ) = − β t − θ ln c ( t ) ⟹ λ ˙ ( t ) λ ( t ) = − β − θ c ˙ ( t ) c ( t ) 代入(2)可得
c ˙ ( t ) c ( t ) = f ′ ( k ( t ) ) − ( n + g + δ + β ) θ = f ′ ( k ( t ) ) − ρ − θ g − δ θ 模型动态
两个变量决定两个动态,即 c ˙ ( c , k ) 和 k ˙ ( c , k ) ,可以在坐标图中表现出来。
我们记 c ˙ = 0 时 k = k ^ ,根据欧拉方程可知
{ f ′ ( k ( t ) ) = ρ + θ g + δ , if c ˙ = 0 and k = k ^ f ′ ( k ( t ) ) > ρ + θ g + δ , if c ˙ > 0 and k < k ^ f ′ ( k ( t ) ) < ρ + θ g + δ , if c ˙ < 0 and k > k ^ 从第一个式子可以看出 c ˙ = 0 时 k ^ 是一个常数
我们记 k ˙ = 0 时 c = 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 ˙ = 0 时 c ^ 是一个先增后减的曲线,最高点即 c g
命题:k ^ < k g ,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 + θ g + δ f ′ ( k g ) = 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
ρ − n − ( 1 − θ ) g > 0 ⟹ f ′ ( k ^ ) > f ′ ( k g ) ⟹ k ^ < k g