Zagadnienia

6. Teoria wyboru konsumenta – minimalizacja wydatków, dualność

6.1. Minimalizacja wydatków

Na optymalizację konsumenta możemy też spojrzeć z drugiej strony: zamiast maksymalizować użyteczność przy zadanym dochodzie, jaki możemy przeznaczyć na konsumpcję, dążyć do osiągnięcia przynajmniej takiej użyteczności jak najmniejszym kosztem.

Maksymalizacja użyteczności a minimalizacja wydatków
Rys. 6.1. Maksymalizacja użyteczności a minimalizacja wydatków.
Definicja 6.1

Funkcję e:IntR+n×R→R+ zdefiniowaną wzorem e⁢p,u¯=infu⁢x≥u¯⁡pT⁢x (gdzie przez infx∈∅⁡f⁢x rozumiemy +∞) nazywamy funkcją wydatków (expenditure function), a odwzorowanie h:IntR+n×R→X zdefiniowane wzorem h⁢p,u¯=Argminu⁢x≥u¯pT⁢x odwzorowaniem popytu Hicksa (czasem także odwzorowaniem popytu skompensowanego dochodu).

Funkcja wydatków określa, ile minimalnie muszę wydać, aby przy cenach p móc zapewnić sobie konsumpcję o użyteczności u¯.

Stwierdzenie 6.1

Jeżeli u jest ciągła, to odwzorowanie popytu Hicksa ma niepuste wartości, a funkcja wydatków jest skończona dla dowolnego u¯<supx∈X⁡u⁢x.

Zbiór A=x∈R+n:u⁢x≥u¯ jest w tej sytuacji niepusty, domknięty. Niech pewien x¯ nalezy do tego zbioru. Wówczas zbiór A∩x∈R+n:x≤x¯ jest niepusty, zwarty, a ponieważ wszystkie pi>0, Argminx∈ApT⁢x=Argminx∈A∩x∈R+n:x≤x¯pT⁢x. Mamy więc problem minimalizacji funkcji ciągłej na zbiorze zwartym.

∎
Stwierdzenie 6.2

Własności popytu Hicksa.

a) Jeśli funkcja użyteczności jest quasi-wklęsła to odwzorowanie popytu Hicksa h ma wartości wypukłe, a jeżeli jest ściśle quasi-wklęsła, to h jest co najwyżej jednowartościowe;

b) Jeśli preferencje są monotoniczne, lokalnie nienasycone a u jest ciągła, to nie ma nadmiarowej użyteczności, tzn. dla u¯≥inf⁡u⁢X jeśli x∈h⁢p,u¯, to u⁢x=u¯;

c) Dla ustalonego u¯ odwzorowanie h(⋅,u¯) jest jednorodne stopnia 0 jako odwzorowanie p;

d) Odwzorowanie popytu Hicksa przy ustalonym u¯ h(⋅,u¯) jest ciągłe jako odwzorowanie p, a jeśli funkcja u jest ciągła, lokalnie nienasycona, to h obcięte do zbioru p,u¯:u¯<supx∈X⁡u⁢x jest górnie półciągłe łącznie ze względu na wszystkie zmienne.

Stwierdzenie 6.3

Własności funkcji wydatków.

a) Funkcja e jest niemalejącą funkcją p i u¯, a jeśli preferencje są monotoniczne, lokalnie nienasycone i u jest ciągła, to ściśle rosnącą u¯ dla u¯<supx∈X⁡u⁢x;

b) Funkcja e jest jednorodna stopnia 1 ze względu na p;

c) Funkcja e jest wklęsła ze względu na p;

d) Funkcja e przy ustalonym u¯ e(⋅,u¯) jest ciągła ze względu na p, a jeśli funkcja u jest ciągła, lokalnie nienasycona, to e obcięta do zbioru p,u¯:u¯<supx∈X⁡u⁢x jest ciągła łącznie ze względu na wszystkie zmienne.

e) Jeśli preferencje są monotoniczne, lokalnie nienasycone, a u jest, ciągła, to limu¯→supx∈X⁡u⁢x⁡e⁢p,u¯=+∞.

(obu stwierdzeń:) Punkty 6.2 a) i c) oraz 6.3 a) i b) są natychmiastowe. Pozostaje więc udowodnić pozostałe pięć.

6.3 c) Weźmy dowolne wektory cen p i p′ i t∈0,1. Niech p′′=t⁢p+1-t⁢p′. e⁢p′′,u¯=minx:u⁢x≥u¯⁡p′′T⁢x=minx:u⁢x≥u¯⁡t⁢p+1-t⁢p′T⁢x≥ ≥tminx:u⁢x≥u¯pTx+(1-t)minx:u⁢x≥u¯(p′)Tx=te(p,u¯)+(1-t)e(p′,u¯).

6.2 b) Minimum funkcji liniowej na zbiorze może być przyjmowane jedynie na jego brzegu. Ponieważ preferencje są monotoniczne, lokalnie nienasycone, więc poza u¯≤min⁡u⁢X nie będzie to 0. Niech więc punkt x¯, w którym jest przymowane minimum będzie punktem z brzegu zbioru x:u⁢x≥u¯ i niech u⁢x¯>u¯. Wówczas dla pewnego małego ε, z ciągłości u w pewnym otoczeniu x¯ istnieje taki x≤x¯ z przynajmniej jedną nierównością ostrą, dla którego u⁢x>u⁢x¯-ε>u¯. Z nierówności na współrzędnych pT⁢x<pT⁢x¯ – sprzeczność.

6.3 e) Weźmy ciągi xkT=kp1,…,kpn i uk=u⁢xk. Niech yk∈h⁢p,uk. Ponieważ preferencje są monotoniczne, lokalnie nienasycone, przynajmniej jedna współrzędna yk musi być co namniej równa analogicznej współrzędnej xk, co daje pT⁢yk≥k, czyli e⁢p,uk≥k. Stąd i z tego, że e jest ściśle rosnąca po u¯ dostajemy limu¯→supx∈X⁡u⁢x⁡e⁢p,u¯≥limk→∞⁡e⁢p,uk=+∞.

6.2 d) i 6.3 d) dowodzimy łącznie z twierdzenia o maksimum 4.1.

Najpierw dla ustalonego u¯. Odwzorowanie Γ, które przyporządkowuje p zbiór x:u⁢x≥u¯ jest niezależne od p, a więc jest ciągłe (przeciwobrazem dowolnego rodzaju dowolnego zbioru otwartego jest albo ∅ albo całe IntR+n – otwarte). W twierdzeniu o maksimum potrzebujemy jednak dodatkowo zwartych wartości. Aby to uzyskać, musimy ograniczyć się – przynajmniej lokalnie do szukania minimum na zbiorze zwartym. Weźmy zatem dowolne x¯ dla którego u⁢x¯≥u¯. Jeśli ograniczymy się do zbioru A=x:u⁢x≥u¯∩x:pT⁢x≤M dla M>∑i=1npi+δ⁢x¯i, to dla p′ bliskich p: takich, że dla każdego i pi-pi′<δ zachodzi Argminu⁢x≥u¯p′T⁢x=Argminx∈Ap′T⁢x, a więc sprowadziliśmy nasze zagadnienie do zagadnienia maksymalizacji po zbiorach zwartych, niezależnych od p, tak więc mamy tezę z twierdzenia o maksimum.

Teraz zajmiemy się globalną ciągłością. Aby to uzyskać, musimy pokazać ciągłość odwzorowania, oznaczmy je przez Γ, które przyporządkowuje p,u¯ zbiór x:u⁢x≥u¯. Dodatkowo podobnie będziemy musieli uzwarcić wartości – podobnie jak poprzednio. Dalszy schemat dowodu podobny do dowodu stwierdzeń 5.1 d) i 5.2 d).

∎
Stwierdzenie 6.4

(Lemat Shepharda)

Jeżeli funkcja użyteczności jest różniczkowalna, monotoniczna, lokalnie nienasycona, a odwzorowanie popytu Hicksa h jest funkcją różniczkowalną po p; u<supx∈X⁡u⁢x , pi>0 dla każdego i oraz mnożnik Lagrange'a λ⁢p,u¯ jest jednoznacznie wyznaczony, to jeśli dla każdego i hi⁢p,u>0, to

a) hi⁢p,u¯=∂⁡e⁢p,u∂⁡pi,

b) jeżeli ponadto funkcja h jest różniczkowalna jako funkcja p, macierz ∂⁡hi∂⁡pj jest symetryczna, niedodatnio określona, w szczególności ∂⁡hi∂⁡pi≤0 (tzw. ujemny efekt cenowy Hicksa).

a) Wynika natychmiast z zastosowania twierdzenia o obwiedni.

b) Uzyskujemy, różniczkując e po p dwukrotnie – z a) i wklęsłości e po p.

∎
Ćwiczenie 6.1

Obliczyć funkcję wydatków i odwzorowanie popytu Hicksa dla u⁢x1,x2 równej

a) a1⋅x1+a2⋅x2 przy ai>0 (doskonałe substytuty);

b) m⁢i⁢n⁢a1⋅x1,a2⋅x2 przy ai>0 (dobra doskonale komplementarne);

c) x1a1⋅x2a2 przy ai>0 (użyteczność Cobba-Douglasa).

Odwzorowania popytu Hicksa, nawet jeśli nie są funkcjami różniczkowalnymi mają ponadto tę interesującą własność, że popyt zmienia się ”w kierunku przeciwnym do zmiany ceny”. Formalnie zachodzi następujący fakt:

Stwierdzenie 6.5

Jeśli h⁢p,u¯∩h⁢p′,u¯=∅, to dla każdego x∈h⁢p,u¯, x′∈h⁢p′,u¯ zachodzi nierówność (p′-p)T(x′-x)<0.

Rozłóżmy p′-pT⁢x′-x=p′T⁢x′-p′T⁢x+pT⁢x-pT⁢x′.

Pierwszy nawias jest ujemny, ponieważ minimum p′T⁢x na zbiorze x:u⁢x≥u¯ jest przyjmowane na h⁢p′,u¯, a x′ nie należy do h⁢p′,u¯, drugi analogicznie.

∎

6.2. Związki pomiędzy zagadnieniami maksymalizacji użyteczności i minimalizacji wydatków

Zagadnienia maksymalizacji użyteczności i minimalizacji wydatków są względem siebie dualne.

Dualność
Rys. 6.2. Dualność.

Aby zachodził poniższy fakt, nie potrzeba pełnych założeń modelu konsumenta

Stwierdzenie 6.6

Jeżeli preferencje są lokalnie nienasycone, ciągłe i u¯∈u⁢X, to:

a) v⁢p,e⁢p,u¯=u¯;

b) xi⁢p,e⁢p,u¯=hi⁢p,u¯ dla i=1,…,n;

c) e⁢p,v⁢p,m=m;

d) hi⁢p,v⁢p,m=xi⁢p,m dla i=1,…,n.

Oczywiste.

∎
Ćwiczenie 6.2

O ileż prościej byłoby rozwiązać zadanie 6.1 korzystając z dualności!

Ćwiczenie 6.3

Mamy daną funkcję v⁢p1,p2,m=m2p1+p22.

Czy może być ona niejawną funkcją użyteczności przy standartowych założeniach modelu konsumenta?

Obliczyć (zakładając, że nasze postępowanie jest poprawne), oba odzworowania popytu i funkcję wydatków.

Jaka jest wyjściowa funkcja u?

Ćwiczenie 6.4

Mamy daną funkcję e⁢p1,p2,u¯=p1⋅p2⋅u¯.

Czy może być ona funkcją wydatków przy standartowych założeniach modelu konsumenta?

Obliczyć niejawną funkcję użyteczności oraz, zakładając, że nasze postępowanie jest poprawne, oba odzworowania popytu.

Treść automatycznie generowana z plików źródłowych LaTeXa za pomocą oprogramowania wykorzystującego LaTeXML.

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

Projekt współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego i przez Uniwersytet Warszawski.