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【趣味数学题】柯布-道格拉斯生产函数

2021-10-06 19:47 作者:AoiSTZ23  | 我要投稿

郑涛(Tao Steven Zheng) 著

【问题】

科布-道格拉斯生产函(Cobb-Douglas production function)是美国经济学家保罗·道格拉斯(Paul Douglas, 1892-1976)和数学家查尔斯·科布(Charles Cobb, 1875-1949)在1927年提出的一种计量经济学模型。他们将总产量建模为劳动力(labour) L资本投资 (capital investment)K 的函数:


P(L%2CK)%20%3D%20c%20%7BL%7D%5E%20%7B%5Calpha%7D%20%7BK%7D%5E%7B%5Cbeta%7D%20

其中 c%20%3E%200%2C%20%5Calpha%20%3E%200%2C%20%5Cbeta%20%3E%200

如果预算约束方程(budget constraint equation)为 mL%20%2B%20nK%20%3D%20p,其中 m%E3%80%81n%20劳动力和资本的单位成本(unit cost of labour and capital)。求使生产实现最大化的劳动力和资本投资价值(数值)。

【题解】

这个问题需要使用拉格朗日乘数法(Lagrange multipliers)。考虑以下函数:

P(L%2CK)%20%3D%20c%20%7BL%7D%5E%20%7B%5Calpha%7D%20%7BK%7D%5E%7B%5Cbeta%7D

g(L%2CK)%20%3D%20mL%20%2B%20nK%20-%20p%20

计算出偏导数,然后写下成列方程式 %5Cnabla%20P%20%3D%20%5Clambda%20%5Cnabla%20g

%5Cfrac%7B%5Cpartial%20P%7D%7B%5Cpartial%20L%7D%20%3D%20c%20%5Calpha%20%7BL%7D%5E%7B%5Calpha%20-%201%7D%20%7BK%7D%5E%7B%5Cbeta%7D

%20%5Cfrac%7B%5Cpartial%20P%7D%7B%5Cpartial%20K%7D%20%3D%20c%20%5Cbeta%20%7BL%7D%5E%7B%5Calpha%7D%20%7BK%7D%5E%7B%5Cbeta%20-%201%7D%20

%5Cfrac%7B%5Cpartial%20g%7D%7B%5Cpartial%20L%7D%20%3D%20m

%5Cfrac%7B%5Cpartial%20g%7D%7B%5Cpartial%20K%7D%20%3D%20n

这里 %5Cnabla%20P%20%3D%20%5Clambda%20%5Cnabla%20g 是指

%5Cfrac%7B%5Cpartial%20P%7D%7B%5Cpartial%20L%7D%20%20%3D%20%5Clambda%20%5Cfrac%7B%5Cpartial%20g%7D%7B%5Cpartial%20L%7D%20

%5Cfrac%7B%5Cpartial%20P%7D%7B%5Cpartial%20K%7D%20%20%3D%20%5Clambda%20%5Cfrac%7B%5Cpartial%20g%7D%7B%5Cpartial%20K%7D%20

所以,

%20c%20%5Calpha%20%7BL%7D%5E%7B%5Calpha%20-%201%7D%20%7BK%7D%5E%7B%5Cbeta%7D%20%3D%20%5Clambda%20m

c%20%5Cbeta%20%7BL%7D%5E%7B%5Calpha%7D%20%7BK%7D%5E%7B%5Cbeta%20-%201%7D%20%3D%20%5Clambda%20n%20

利用以上两个方程式来求解 %5Clambda,得


%5Clambda%20%3D%20%5Cfrac%7Bc%20%5Calpha%7D%7Bm%7D%20%7BL%7D%5E%7B%5Calpha%20-%201%7D%20%7BK%7D%5E%7B%5Cbeta%7D

%5Clambda%20%3D%20%5Cfrac%7Bc%20%5Cbeta%7D%7Bn%7D%20%20%7BL%7D%5E%7B%5Calpha%7D%20%7BK%7D%5E%7B%5Cbeta%20-%201%7D

因此,

K%20%3D%20%5Cfrac%7B%5Cbeta%20m%7D%7B%5Calpha%20n%7D%20L


K 代入预算约束方程来解 L。然后使用新发现的 L 数值解算 K

mL%20%2B%20n%5Cleft(%5Cfrac%7B%5Cbeta%20m%7D%7B%5Calpha%20n%7D%20L%5Cright)%20%3D%20p

%20mL%20%5Cleft(1%20%2B%20%5Cfrac%7B%5Cbeta%7D%7B%5Calpha%7D%20%5Cright)%20%3D%20p

L%20%3D%20%5Cfrac%7B%5Calpha%7D%7B%5Calpha%20%2B%20%5Cbeta%7D%20%5Ccdot%20%5Cfrac%7Bp%7D%7Bm%7D%20

K%20%3D%20%5Cfrac%7B%5Cbeta%20m%7D%7B%5Calpha%20n%7D%20%5Ccdot%20%5Cfrac%7B%5Calpha%7D%7B%5Calpha%20%2B%20%5Cbeta%7D%20%5Ccdot%20%5Cfrac%7Bp%7D%7Bm%7D%20


因此,最大化生产集解是

%5Cleft(L%2C%20K%20%5Cright)%20%3D%20%5Cleft(%5Cfrac%7B%5Calpha%7D%7B%5Calpha%20%2B%20%5Cbeta%7D%20%5Ccdot%20%5Cfrac%7Bp%7D%7Bm%7D%2C%20%5Cfrac%7B%5Cbeta%7D%7B%5Calpha%20%2B%20%5Cbeta%7D%20%5Ccdot%20%5Cfrac%7Bp%7D%7Bn%7D%20%5Cright)



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