Preferanser, nyttefunksjoner, budsjettbetingelser og optimal tilpasning via Lagrange-metoden.
Preferanser og nyttefunksjoner
Vi starter med preferanseaksiomene: fullstendighet (alle godeknipper kan sammenlignes), transitivitet (konsistens) og kontinuitet. Disse sikrer at preferansene kan representeres av en nyttefunksjon U ( x 1 , x 2 ) U(x_1, x_2) U ( x 1 , x 2 ) .
Nyttefunksjonen er ordinal — bare rangordningen betyr noe. Enhver monoton transformasjon f ( U ) f(U) f ( U ) med f ′ > 0 f' > 0 f ′ > 0 representerer de samme preferansene.
Preferanseaksiomene:
Fullstendighet: For alle knipper x x x og y y y gjelder x ≿ y x \succsim y x ≿ y eller y ≿ x y \succsim x y ≿ x (eller begge).
Transitivitet: Hvis x ≿ y x \succsim y x ≿ y og y ≿ z y \succsim z y ≿ z , da x ≿ z x \succsim z x ≿ z .
Kontinuitet: Mengdene { x : x ≿ y } \{x : x \succsim y\} { x : x ≿ y } og { x : y ≿ x } \{x : y \succsim x\} { x : y ≿ x } er lukket — ingen «hopp» i preferansene.
Disse tre aksiomene garanterer at det eksisterer en kontinuerlig nyttefunksjon U ( x ) U(x) U ( x ) som representerer preferansene: x ≿ y ⇔ U ( x ) ≥ U ( y ) x \succsim y \Leftrightarrow U(x) \geq U(y) x ≿ y ⇔ U ( x ) ≥ U ( y ) .
Vanlige nyttefunksjoner:
Cobb-Douglas: U = x 1 a x 2 b U = x_1^a x_2^b U = x 1 a x 2 b — glatte indifferenskurver, indre løsning
Perfekte substitutter: U = a x 1 + b x 2 U = ax_1 + bx_2 U = a x 1 + b x 2 — lineære indifferenskurver, hjørneløsning
Perfekte komplementer: U = min ( a x 1 , b x 2 ) U = \min(ax_1, bx_2) U = min ( a x 1 , b x 2 ) — L-formede indifferenskurver
Kvasi-lineær: U = v ( x 1 ) + x 2 U = v(x_1) + x_2 U = v ( x 1 ) + x 2 — ingen inntektseffekt for gode 1 (over en grense)
CES: U = ( a x 1 ρ + b x 2 ρ ) 1 / ρ U = (ax_1^\rho + bx_2^\rho)^{1/\rho} U = ( a x 1 ρ + b x 2 ρ ) 1/ ρ — generaliserer CD (ρ → 0 \rho \to 0 ρ → 0 ), substitutter (ρ = 1 \rho = 1 ρ = 1 ), komplementer (ρ → − ∞ \rho \to -\infty ρ → − ∞ )
Marginalt substitusjonsforhold (MRS)
MRS måler helningen på indifferenskurven — hvor mye av gode 2 konsumenten er villig til å gi opp for én ekstra enhet av gode 1:
M R S = − d x 2 d x 1 ∣ U ˉ = M U 1 M U 2 = ∂ U / ∂ x 1 ∂ U / ∂ x 2 \displaystyle MRS = -\frac{dx_2}{dx_1}\bigg|_{\bar{U}} = \frac{MU_1}{MU_2} = \frac{\partial U/\partial x_1}{\partial U/\partial x_2} MRS = − d x 1 d x 2 U ˉ = M U 2 M U 1 = ∂ U / ∂ x 2 ∂ U / ∂ x 1
Konvekse preferanser gir avtagende MRS — indifferenskurvene er «buede» mot origo.
Eksempel: MRS for ulike nyttefunksjoner
U = x 1 1 / 3 x 2 2 / 3 U = x_1^{1/3}x_2^{2/3} U = x 1 1/3 x 2 2/3
M U 1 = 1 3 x 1 − 2 / 3 x 2 2 / 3 \displaystyle MU_1 = \frac{1}{3}x_1^{-2/3}x_2^{2/3} M U 1 = 3 1 x 1 − 2/3 x 2 2/3 ,
M U 2 = 2 3 x 1 1 / 3 x 2 − 1 / 3 \displaystyle MU_2 = \frac{2}{3}x_1^{1/3}x_2^{-1/3} M U 2 = 3 2 x 1 1/3 x 2 − 1/3
M R S = M U 1 M U 2 = x 2 2 x 1 \displaystyle MRS = \frac{MU_1}{MU_2} = \frac{x_2}{2x_1} MRS = M U 2 M U 1 = 2 x 1 x 2
MRS er avtagende i
x 1 x_1 x 1 og økende i
x 2 x_2 x 2 — konvekse preferanser.
U = 3 x 1 + 5 x 2 U = 3x_1 + 5x_2 U = 3 x 1 + 5 x 2 (perfekte substitutter)
M R S = 3 5 \displaystyle MRS = \frac{3}{5} MRS = 5 3
Konstant MRS — lineære indifferenskurver.
Budsjettbetingelsen og optimal tilpasning
Konsumenten maksimerer nytte gitt budsjettbetingelsen p 1 x 1 + p 2 x 2 = m p_1 x_1 + p_2 x_2 = m p 1 x 1 + p 2 x 2 = m . Budsjettlinjen har helning − p 1 / p 2 -p_1/p_2 − p 1 / p 2 og skjærer aksene i m / p 1 m/p_1 m / p 1 og m / p 2 m/p_2 m / p 2 .
Lagrange-metoden for nyttemaksimering:
Sett opp: L = U ( x 1 , x 2 ) − λ ( p 1 x 1 + p 2 x 2 − m ) \mathcal{L} = U(x_1,x_2) - \lambda(p_1 x_1 + p_2 x_2 - m) L = U ( x 1 , x 2 ) − λ ( p 1 x 1 + p 2 x 2 − m )
Førsteordensbetingelser (FOB):
∂ L ∂ x 1 = M U 1 − λ p 1 = 0 \displaystyle \frac{\partial \mathcal{L}}{\partial x_1} = MU_1 - \lambda p_1 = 0 ∂ x 1 ∂ L = M U 1 − λ p 1 = 0 → λ = M U 1 p 1 \displaystyle \lambda = \frac{MU_1}{p_1} λ = p 1 M U 1
∂ L ∂ x 2 = M U 2 − λ p 2 = 0 \displaystyle \frac{\partial \mathcal{L}}{\partial x_2} = MU_2 - \lambda p_2 = 0 ∂ x 2 ∂ L = M U 2 − λ p 2 = 0 → λ = M U 2 p 2 \displaystyle \lambda = \frac{MU_2}{p_2} λ = p 2 M U 2
∂ L ∂ λ = − ( p 1 x 1 + p 2 x 2 − m ) = 0 \displaystyle \frac{\partial \mathcal{L}}{\partial \lambda} = -(p_1 x_1 + p_2 x_2 - m) = 0 ∂ λ ∂ L = − ( p 1 x 1 + p 2 x 2 − m ) = 0
Kombiner de to første: M U 1 M U 2 = p 1 p 2 \displaystyle \frac{MU_1}{MU_2} = \frac{p_1}{p_2} M U 2 M U 1 = p 2 p 1 , dvs. M R S = p 1 p 2 \displaystyle MRS = \frac{p_1}{p_2} MRS = p 2 p 1
Eksempel: Cobb-Douglas U = x 1 1 / 3 x 2 2 / 3 U = x_1^{1/3} x_2^{2/3} U = x 1 1/3 x 2 2/3 , p 1 = 2 p_1 = 2 p 1 = 2 , p 2 = 4 p_2 = 4 p 2 = 4 , m = 120 m = 120 m = 120
L = x 1 1 / 3 x 2 2 / 3 − λ ( 2 x 1 + 4 x 2 − 120 ) \mathcal{L} = x_1^{1/3}x_2^{2/3} - \lambda(2x_1 + 4x_2 - 120) L = x 1 1/3 x 2 2/3 − λ ( 2 x 1 + 4 x 2 − 120 )
∂ L ∂ x 1 = 1 3 x 1 − 2 / 3 x 2 2 / 3 − 2 λ = 0 \displaystyle \frac{\partial \mathcal{L}}{\partial x_1} = \frac{1}{3}x_1^{-2/3}x_2^{2/3} - 2\lambda = 0 ∂ x 1 ∂ L = 3 1 x 1 − 2/3 x 2 2/3 − 2 λ = 0
∂ L ∂ x 2 = 2 3 x 1 1 / 3 x 2 − 1 / 3 − 4 λ = 0 \displaystyle \frac{\partial \mathcal{L}}{\partial x_2} = \frac{2}{3}x_1^{1/3}x_2^{-1/3} - 4\lambda = 0 ∂ x 2 ∂ L = 3 2 x 1 1/3 x 2 − 1/3 − 4 λ = 0
Divider de to FOB-ene på hverandre:
x 2 2 x 1 = 2 4 = 1 2 \displaystyle \frac{x_2}{2x_1} = \frac{2}{4} = \frac{1}{2} 2 x 1 x 2 = 4 2 = 2 1
Sett inn i budsjettbetingelsen:
2 x 1 + 4 x 1 = 120 2x_1 + 4x_1 = 120 2 x 1 + 4 x 1 = 120 →
6 x 1 = 120 6x_1 = 120 6 x 1 = 120 →
x 1 ∗ = 20 x_1^* = 20 x 1 ∗ = 20
Budsjettandel gode 1:
p 1 x 1 ∗ m = 2 ⋅ 20 120 = 1 3 \displaystyle \frac{p_1 x_1^*}{m} = \frac{2 \cdot 20}{120} = \frac{1}{3} m p 1 x 1 ∗ = 120 2 ⋅ 20 = 3 1 = eksponenten
a a a . Alltid slik for Cobb-Douglas!
Eksempel: Perfekte komplementer U = min ( 2 x 1 , x 2 ) U = \min(2x_1, x_2) U = min ( 2 x 1 , x 2 ) , p 1 = 3 p_1 = 3 p 1 = 3 , p 2 = 1 p_2 = 1 p 2 = 1 , m = 21 m = 21 m = 21
Optimal tilpasning:
2 x 1 = x 2 2x_1 = x_2 2 x 1 = x 2 (knekkpunktet på L-kurven).
3 x 1 + 1 ⋅ 2 x 1 = 21 3x_1 + 1 \cdot 2x_1 = 21 3 x 1 + 1 ⋅ 2 x 1 = 21 →
5 x 1 = 21 5x_1 = 21 5 x 1 = 21 →
x 1 ∗ = 4,2 x_1^* = 4{,}2 x 1 ∗ = 4 , 2
x 2 ∗ = 8,4 x_2^* = 8{,}4 x 2 ∗ = 8 , 4
Her bruker vi IKKE tangentbetingelsen — indifferenskurven har et knekkpunkt.
Lagrangemultiplikatoren og dens tolkning
λ ∗ = M U 1 p 1 = M U 2 p 2 \displaystyle \lambda^* = \frac{MU_1}{p_1} = \frac{MU_2}{p_2} λ ∗ = p 1 M U 1 = p 2 M U 2 — marginalnytten per krone er lik for alle goder. λ ∗ \lambda^* λ ∗ måler skyggeprisen: hvor mye nytten øker dersom inntekten øker med 1 krone.
Tolkning av λ ∗ \lambda^* λ ∗ :
λ ∗ = ∂ V ∂ m \displaystyle \lambda^* = \frac{\partial V}{\partial m} λ ∗ = ∂ m ∂ V der V ( p , m ) V(p,m) V ( p , m ) er den indirekte nyttefunksjonen.
Dersom inntekten øker med Δ m \Delta m Δ m , øker optimal nytte med ca. λ ∗ ⋅ Δ m \lambda^* \cdot \Delta m λ ∗ ⋅ Δ m .
Høy λ ∗ \lambda^* λ ∗ betyr at konsumenten har stor nytte av ekstra inntekt (stram budsjettbetingelse).
For Cobb-Douglas U = x 1 a x 2 1 − a U = x_1^a x_2^{1-a} U = x 1 a x 2 1 − a : λ ∗ = a a ( 1 − a ) 1 − a p 1 − a p 2 − ( 1 − a ) \lambda^* = a^a(1-a)^{1-a} p_1^{-a} p_2^{-(1-a)} λ ∗ = a a ( 1 − a ) 1 − a p 1 − a p 2 − ( 1 − a ) .
Eksempel: Beregn λ ∗ \lambda^* λ ∗ for Cobb-Douglas
U = x 1 1 / 3 x 2 2 / 3 U = x_1^{1/3}x_2^{2/3} U = x 1 1/3 x 2 2/3 ,
p 1 = 2 p_1 = 2 p 1 = 2 ,
p 2 = 4 p_2 = 4 p 2 = 4 ,
m = 120 m = 120 m = 120
x 1 ∗ = 20 x_1^* = 20 x 1 ∗ = 20 ,
x 2 ∗ = 20 x_2^* = 20 x 2 ∗ = 20 (fra forrige eksempel)
M U 1 = 1 3 ( 20 ) − 2 / 3 ( 20 ) 2 / 3 = 1 3 \displaystyle MU_1 = \frac{1}{3}(20)^{-2/3}(20)^{2/3} = \frac{1}{3} M U 1 = 3 1 ( 20 ) − 2/3 ( 20 ) 2/3 = 3 1
λ ∗ = M U 1 p 1 = 1 / 3 2 = 1 6 \displaystyle \lambda^* = \frac{MU_1}{p_1} = \frac{1/3}{2} = \frac{1}{6} λ ∗ = p 1 M U 1 = 2 1/3 = 6 1
Tolkning: dersom
m m m øker fra 120 til 121, øker nytten med ca.
1 / 6 1/6 1/6 .
KKT-betingelser (Kuhn-Karush-Tucker)
Når løsningen kan være en hjørneløsning (x i = 0 x_i = 0 x i = 0 for noen i i i ), bruker vi KKT:
M U i − λ p i ≤ 0 MU_i - \lambda p_i \leq 0 M U i − λ p i ≤ 0 , x i ≥ 0 x_i \geq 0 x i ≥ 0 , og x i ( M U i − λ p i ) = 0 x_i(MU_i - \lambda p_i) = 0 x i ( M U i − λ p i ) = 0 (komplementaritet).
Enten konsumerer vi positivt av godet (og tangentbetingelsen holder med likhet), eller vi konsumerer null (og marginalnytten per krone er for lav).