Deterministic Problem

Consumption-Saving Problem

The problem is

max{ct,kt+1}t=0∞ ∑t=0∞βtu(ct)s.t. kt+1=(1+r)kt−ct kt+1≥0 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 ct 或 kt+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=0∞∑t=0∞βtu(ct)=max{kt+1}t=0∞u(c0)+∑t=1∞βtu(ct)=max{kt+1}t=0∞u(c0)+β∑t=1∞βt−1u(ct)=max{kt+1}t=0∞u(c0)+βV(k1) (Bellman Equation)

代入约束条件

V(k0)=max{kt+1}t=0∞u((1+r)k0−k1)+βV(k1)

F.O.C.

∂V(k0)∂k1=−∂u∂c0+β∂V(k1)∂k1=0

根据包络定理

∂V(k0)∂k0=∂[u((1+r)k0−k1)+βV(k1)]∂k0=(1+r)∂u∂c0

One Step Forward

∂V(k1)∂k1=(1+r)∂u∂c1

代回F.O.C.得到 Euler Equation

∂u∂c0∂u∂c1=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=t∞βs−tF(xs,ys)s.t. xs+1=G(xs,ys)∀s≥t

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=t∞F(xt,yt)+∑s=t+1∞βs−tF(xs,ys)=max{ys}s=t∞F(xt,yt)+β∑s=t+1∞βs−(t+1)F(xs,ys)=max{ys}s=t∞F(xt,yt)+βV(xt+1)

F.O.C.

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

根据包络定理

∂V(xt)∂xt=∂F(xt,yt)∂xt+β∂V(xt+1)∂xt+1∂G(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)∂xt∂F(xt+1,yt+1)∂xt+1=β∂G(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=t∞βsu(cs,ls)s.t. kt+1=(1−δ)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=t∞βsu(cs,ls)s.t. kt+1=(1−δ)kt+f(kt,lt)−ct lt∈[0,1]

状态变量为 kt,控制变量为 kt+1 和 lt,由约束方程得到 ct

Bellman Equation 写为

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

F.O.C.

∂V(kt)∂kt+1=−∂u(ct,lt)∂ct+β∂V(kt+1)∂kt+1=0∂V(kt)∂lt=∂u(ct,lt)∂ct∂f(kt,lt)∂lt+∂u(ct,lt)∂lt=0

根据包络定理

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

one step forward

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

代回F.O.C.得到

β∂u(ct+1,lt+1)∂ct+1[(1−δ)+∂f(kt+1,lt+1)∂kt+1]⋅∂f(kt,lt)∂lt+∂u(ct,lt)∂lt=0