第4章 效用最大化与选择
1.三年级学生保罗每天在校用午餐,他只喜欢奶油小蛋糕(t)和橘子汁(s),他从中得到的效用为:
(1)如果每份奶油小蛋糕为0.1美元,每杯橘子汁0.25美元,为了使效用最大化,保罗应该如何将妈妈给他的1美元伙食费分配在这两种食物上?
(2)学校为了减少奶油小蛋糕的消费,将其价格提高到每份0.4美元,那么为了让保罗得到与(1)中相同的效用,妈妈要多给他多少美元伙食费?
解:(1)对效用函数进行单调变换,令
这并不改变偏好次序。
保罗效用最大化问题为:
设拉格朗日函数为:L(s,t,λ)=ts+λ(1-0.1t-0.25s)
一阶条件为:
解得:s=2,t=5。
因此,他所获得的效用:
(2)消费品奶油小蛋糕价格提高了,但效用水平却保持不变,则保罗面临如下的支出最小化问题:
设拉格朗日函数为:L(s,t,λ)=0.4t+0.25s+λ(10-ts)
一阶条件为:
由前两个一阶条件可得:s/t=1.6,又因为st=10,由此解得t=2.5,s=4,则最小支出为:m1=0.4×2.5+0.25×4=2,所以妈妈现在要多给他1美元伙食费使他的效用水平保持不变。
2.(1)一位年轻的品酒师欲支出600美元建一座小酒窖,他特别喜欢两种酒:一种是1997年生产的法国波尔多白葡萄酒(wF),每瓶价格为40美元;另一种是稍微便宜的2005年产的加利福利亚的酒(wC),每瓶8美元。如果他的效用函数如下式所示,则他应该在每种酒上花多少钱?
(2)当品酒师来到酒店时,他发现由于法郎贬值,法国波尔多白葡萄酒(wF)已经降到每瓶20美元,如果加利福尼亚酒依旧是8美元一瓶,此时,在价格已变的条件下,为达到最大效用,每种酒的购买量应为多少?
(3)解释为什么这个品酒师在(2)的情况下要比(1)更好。你如何用货币来衡量这个效用的增加?
解:(1)由题意得,该品酒师的效用最大化问题为:
根据消费者均衡条件得:
联立预算方程解得:
此时,消费者效用最大化时两种酒上的花费分别为:
即在法国波尔多白葡萄酒和加利福尼亚葡萄酒上的花费分别为400美元和200美元,此时该调酒师的效用达到最大化。
(2)法国波尔多白葡萄酒(wF)已经降到每瓶20美元,此时的预算约束方程可写为:20wF+8wC=600
利用(1)中的方法可得:
联立预算约束方程解得:
即调酒师效用最大化的每种酒的购买量分别为20,25。
(3)在(1)中,效用U(10,25)=102/3251/3≈13.6。在(2)中,效用U(20,25)=202/3251/3≈21.5。因此,U(10,25)<U(20,25),即这个品酒师在(2)的情况下要比(1)更好。法国波尔多白葡萄酒(wF)降价,使得该调酒师对波尔多白葡萄酒的实际购买力增加,此时,货币的边际效用变得更大。
3.(1)在某一个晚上,J.P.以下列函数的形式享用雪茄(c)和白兰地(b):U(c,b)=20c-c2+18b-3b2
那么他这天晚上要抽多少支雪茄,喝多少瓶白兰地酒才能得到最大效用(假定他不受预算约束)?
(2)后来,J.P.的医生告诫他:每天喝的白兰地与抽的雪茄加起来不能超出5单位。在这一条件约束下,他会喝多少白兰地,抽多少雪茄呢?
解:(1)在无约束下,J.P.的效用最大化问题为:max U(c,b)=20c-c2+18b-3b2
效用最大化的一阶条件为:
从而可知J.P.所获得的最大效用为:U=127。
(2)J.P.所受的约束为:b+c=5,此时他的效用最大化问题为:
max U(c,b)=20c-c2+18b-3b2
s.t.b+c=5
设拉格朗日函数为:L=20c-c2+18b-3b2+λ(5-c-b)
一阶条件为:
从而可以解得:b=1,c=4,U=79。
4.(1)Ball先生享用商品x和y所得的效用函数为:
如果px=3美元,py=4美元,而他的总收入为50美元,求他所能获得的最大效用?
提示:求U2的最大值要比求U的最大值方便得多,但这种方法为什么不影响计算结果呢?
(2)画出Ball的无差异曲线,并指出无差异曲线与预算线的切点,图形是如何描述Ball的行为的?你找到真正的最大值了吗?
解:(1)因为U2可由U经过单调变换得到,所以,最大化U2同时也就是使U最大化。因此,Ball的效用最大化问题可以表述为:
max U2(x,y)=x2+y2
s.t. 3x+4y=50
由U2(x,y)=x2+y2可知,每增加一单位x或每增加一单位y带给Ball先生的效用是一样的;由px=3<py=4可知,当y=0时,Ball先生所得效用最大,解得x=50/3,U=50/3。
(2)Ball的无差异曲线如图4-5所示,显然该无差异曲线没有递减的MRS。无差异曲线与预算线的切点如图4-5中的A点所示。在A点处,仅满足效用最大化的必要条件,但是不满足充分条件,因而A点不是一个局部最优点,效用最大化的点应该是B点,Ball将其所有的收入用于购买x,而y商品的购买为零。在这里,他的效用函数不是凸的,而是凹的。在偏好为凹的情况下,效用最大化点一定在边界上取得。
图4-5 Ball的无差异曲线
5.A先生从马丁尼酒(m)中所得的效用与马丁尼酒的消耗量成正比:U(m)=m。A先生特别喜欢马丁尼,但他只喜欢喝将杜松子酒(g)与苦艾酒(v)按2︰l的固定比例混合而成的马丁尼酒,因此,我们可以将A先生的效用函数改写为:
(1)画出A先生以g与v为变量的各种效用水平的无差异曲线,请说明无论这两种配料酒的价格如何,A先生永远不会改变他配制马丁尼酒的方法。
(2)求出对g与v的需求函数。
(3)利用(2)的结论,求出A先生的间接效用函数。
(4)试计算A先生的支出函数;对于每一种效用水平,将支出表示成杜松子酒的价格pg和苦艾酒苦艾酒的价格pv的函数。
提示:由于本题涉及固定比例效用函数,所以你不能利用微积分来求解效用最大化的决策。
解:(1)A先生的无差异曲线如图4-6所示。无论商品g与v的相对价格(即预算线的斜率)如何,效用最大化的点始终是无差异曲线的折点,即满足0.5g=v也即g=2v的点。
图4-6 A先生的无差异曲线
(2)将g=2v代入预算约束可得:pgg+pvv=I
从而可以解得:
(3)因为U=g/2=v,将
或
代入效用函数中,得间接效用函数为
(4)利用对偶性可得,支出函数为:E(pg,pv,V)=I=(2pg+pv)V
6.假设一位快餐爱好者的效用取决于三种商品:软饮料(x),汉堡包(y)和冰激凌圣代(z),根据柯布—道格拉斯效用函数,有U(x,y,z)=x0.5y0.5(1+z)0.5
同时假设这些商品的价格分别为:px=1,py=4,pz=8,且该消费者的收入为I=8。
(1)证明:当z=0时,效用最大化得到的的最优选择与例4.1相同。同时证明z>0(哪怕z非常小)时的任何选择都会使效用减少。
(2)你如何解释z=0时达到最优这一事实?
(3)为了购买z,这个人的收入要有多高?
解:(1)当z=0时,效用函数为U(x,y,z)=x0.5y0.5,根据柯布-道格拉斯效用函数的性质可得:
x*=αI/px=0.5×8/1=4
y*=βI/py=0.5×8/4=1
此时效用U=(4)0.5(1)0.5=2,与例4.1结果相同。
如果z=1,则U=0,因为x=y=0。
如果z略大于0(不妨设z=0.1),则利用柯布-道格拉斯效用函数的性质可得:
x=0.5×7.2/1=3.6
y=0.5×7.2/4=0.9
因而效用为:U=(3.6)0.5×(0.9)0.5×(1.1)0.5=1.89<U(z=0)=2
(2)在x=4,y=1,z=0处,有:MUx/px=MUy/py=0.25,MUZ/pz=0.125
因而在z=0处,从z获得的边际效用“不值”商品的价格。效用函数中的“1”导致了z在任何正的数量时已经具有递减的边际效用。商品满足“互补松弛”原理。
(3)如果收入I=40,则最优选择为:x=16,y=4,z=1(可以利用拉格朗日方法求解,此处略去)。为了找到在任何z处的购买量,可以利用柯布-道格拉斯函数的性质,即:pxx=pyy=pz(1+z)
代入预算约束可得:2pz(1+z)+pzz=I或3pzz=I-2pz,因此,对于z>0,必有I>2pz=16。
7.图4-7中所示的一次总付原则不仅可以应用于税收,也可以应用于转移支付。这个问题研究该原则在此政策下的应用。
图4-7 税收中的一次总付原则
(1)用与图4-7类似的图解释在政府花费相同的情况下,对一个人进行收入补贴比对物品x进行补贴提供了更多的效用。
(2)利用柯布-道格拉斯支出函数
计算需要多少额外购买力才能将这个人的效用从U=2提高至U=3。
(3)再次使用
估算为了将这个人的效用从U=2提升至U=3,需要对商品x进行补贴的程度,并和(2)中得到的结果进行比较。
(4)习题4.10要求你计算的支出函数是与比例4.4的情形更一般化的柯布-道格拉斯效用函数相对应的。当α=0.3(这个数字接近于低收入的人花费在食物上的收入份额)时,再次使用这个支出函数,回答(2)和(3)的问题。
(5)如果使用所示的固定比例情况下的支出函数,你应该如何修改对本问题的计算?
解:(1)如图4-8所示,收入补贴可以使消费者预算线向右平行移动,在新的最优点C处消费者的效用要大于对商品x进行补贴后消费者达到最优点B处的效用,因此,相同数额的收入补贴比对商品x的补贴能够给消费者带来更大的效用。
图4-8 一次性收入补贴与对商品x补贴下消费者境况的比较
(2)商品价格px=1,py=4。对于方程4.52中的柯布-道格拉斯函数而言,其支出函数为:
当效用为U=2时,支出E(1,4,2)=2×10.5×40.5×2=8
当效用为U=3时,支出E(1,4,3)=2×10.5×40.5×3=12
要使这个人的效用从U=2提高至U=3所需要增加的支出为:ΔE=E(1,4,3)-E(1,4,2)=12-8=4
(3)当效用为U=2时,支出E(1,4,2)=2×10.5×40.5×2=8,设在此条件下,对x的补贴为r时才能达到U=3的效用水平。即有:E(1-r,4,3)=2×(1-r)0.5×40.5×3=12(1-r)0.5=8
解得,对每单位x的补贴r=5/9。
在此补贴价格下,消费者将选择购买:
此时的总补贴金额为5/9×9=5,比(2)中的补贴额高5-4=1。
(4)当α=0.3时,效用函数U(x,y)=x0.3y0.7,最优的x和y的取值为:
将其带入效用函数,可求出对应的支出函数:
当个人的效用从U=2提高到U=3时,所需要增加的支出为:
ΔE=E(1,4,3)-E(1,4,2)=1.84×10.3×40.7×3-1.84×10.3×40.7×2≈14.57-9.71=4.86
同理可设在此条件下,对x的补贴为r时才能达到U=3的效用水平。即有:E(1-r,4,3)=1.84×(1-r)0.3×40.7×3=14.57(1-r)0.3=9.71
解得,对每单位x的补贴r≈0.74
在此补贴价格下,消费者将选择购买:
此时的总补贴金额为0.74×11.20≈8.29,比(2)中的补贴额高8.29-4.86=3.43。
(5)方程4.54中的柯布-道格拉斯函数,其支出函数为:E(px,py,U)=(px+0.25py)U
当效用为U=2时,支出E(1,4,2)=(1+0.25×4)×2=4
当效用为U=3时,支出E(1,4,3)=(1+0.25×4)×3=6
因而所需要增加的支出为2。
在支出为4时,要满足效用水平为3,需要政府对价格进行补贴,假设补贴后E(1-r,4,3)=(1-r+0.25×4)×3=4
解得r=2/3,故每单位需要补贴2/3。
在此价格下,消费者选择购买3个单位的x,政府补贴金额为2,价格补贴金额与在一次总付补贴下一致,因为固定比例下,消费者需求是固定比例,价格变化没有扭曲消费者行为。
8.考虑以下两个最简单的效用函数:
固定比例效用函数:U(x,y)=min[x,y]
完全替代效用函数:U(x,y)=x+y
(1)分别对以上两个效用函数,计算:对于x和y的需求函数、间接效用函数和支出函数。
(2)根据(1)中的计算结果,解释它们为什么会是那样的形式。
解:(1)设两种商品的价格分别为px、py,收入为m。
①对于固定比例效用函数U(x,y)=min[x,y],均衡的消费满足:
解得两种商品的需求函数分别为:
将上式带入效用函数可得间接效用函数:U(px,py,m)=m/(px+py)
反解间接效用函数可得支出函数:E(px,py,U)=(px+py)U
②对于完全替代效用函数U(x,y)=x+y,分三种情况讨论均衡的消费:
a.当px>py时,由于x和y相互替代,此时消费者只消费y,不消费x。
此时的需求函数:
间接效用函数:U(px,py,m)=m/py
支出函数:E(px,py,U)=pyU
b.当px<py时,由于x和y相互替代,此时消费者只消费x,不消费y。
此时的需求函数:
间接效用函数:U(px,py,m)=m/px
支出函数:E(px,py,U)=pxU
c.当px=py时,x和y无差异。
需求函数:x+y=m/px=m/py
间接效用函数:U(px,py,m)=m/px=m/py
支出函数:E(px,py,U)=pyU=pxU
(2)对于完全互补的两种商品来说,两种商品间按固定的比例进行消费,超出比例多消费任何一种商品都不会带来效用的增加,如果按1:1比例进行消费的两种商品,那么其效用函数为U(x,y)=min[x,y],如图4-9所示;而对于对于完全替代的两种商品来说,两种商品间相互替代的比率是不变的,其效用函数为U(x,y)=x+y,如图4-10所示;
图4-9 完全互补
图4-10 完全替代
9.考虑包含两种商品的线性效用函数:U(x,y)=ax+by。计算与之对应的支出函数。提示:不同的价格比例会造成支出函数的扭曲。
解:由于两种商品的效用函数U(x,y)=ax+by,即此两种商品为完全替代品。设两种商品的价格分别为px、py,收入为m,预算约束方程为pxx+pyy=m。下面分三种情况进行讨论:
(1)当px/py>a/b时,此时商品x比y昂贵,最优选择满足:
此时的支出函数为:E(px,py,U)=pyU/b
(2)当px/py<a/b时,此时商品x比y便宜,最优选择满足:
此时的支出函数为:E(px,py,U)=pxU/a
(3)当px/py=a/b时,此时商品x与y无差异。此时的支出函数为:E(px,py,U)=pxU/a=pyU/b
10.柯布—道格拉斯效用函数
在例4.1中,我们用到了柯布—道格拉斯效用函数U(x,y)=xαy1-α,其中0≤α≤1这个问题说明了该函数的一些其他属性。
(1)计算柯布-道格拉斯情况下的间接效用函数。
(2)计算这种情况下的支出函数。
(3)明确解释当x的价格上升时,为了抵消其影响所需的补偿是如何与指数α的大小相关的。
解:(1)对于柯布-道格拉斯效用函数,其相应的需求函数为:x=αI/px,y=(1-α)I/py
将需求函数代入效用函数中,得间接效用函数为:
其中B=αα(1-α)1-α
(2)利用对偶原理,可以从间接效用函数中解出支出函数为:
(3)支出关于价格px的弹性值为:
即:x在效用函数中越重要,则支出份额中用于补偿其价格上涨的比例也越大。
11.CES效用函数
一般的CES效用函数可以表示为:
(1)证明上述函数在约束条件下,效用最大化的一阶条件是消费者按一定比例选择商品,这个比例式为:
(2)前面在讨论一些问题时已经说过,对于柯布—道格拉斯函数(δ=0),消费者将在x与y之间平等分配费用,证明(1)中的结论也包含了这种情况。
(3)pxx/pyy的值与δ的值有什么关系?直观地解释你的结论。(如果要对此函数进行更深入的探讨,参见本章扩展E4.3)
(4)推导这种情况下的间接效用函数和支出函数,并运用齐次函数的性质加以检验。
解:(1)对于此CES效用函数而言,在效用最大化时,有:
从而可以解得:
其中,σ=1/(1-δ)。
(2)如果δ=0,则有x/y=py/px,因而有pxx=pyy=m/2,其中,m为消费者收入,即消费者将在x与y之间平等分配费用。
(3)由(1)可知
所以,当σ<1,即δ<0或δ>1时,收入中用于购买x的相对份额与其相对价格正相关;当σ>1,即0<δ<1时,收入中用于购买x的相对份额与其相对价格负相关;当σ=1,即δ=0时,消费者将在x和y商品之间平等分配收入,即
(4)支出最小化问题为:
设拉格朗日函数为:
一阶条件为:
从而可以解得:
所以,支出函数为:
利用对偶性可得,间接效用函数为:
由齐次函数的性质,对于任意的t>0,可得:
所以,此支出函数是商品价格的一次齐次函数,间接效用函数是商品价格和收入的零次齐次函数。
12.Stone—Geary效用函数
消费者需要一定量的食品(x)来维持生存,假设这个量为x0。一旦购买x0的食品,消费者将从x0与其他商品(y)得到效用:U(x,y)=(x-x0)αyβ
其中,α+β=1。
(1)证明:如果I>pxx0,则为了取得最大效用,消费者将会在食品x上花费α(I-pxx0)+pxx0,在商品y上花费β(I-pxx0)。解释这个结论。
(2)在这个问题中,如果收入增加,pxx/I,pyy/I的比值将会怎样变化?(有关此函数的进一步讨论请参见本章扩展E4.2。)
解:(1)如果x<x0,则效用值为负,因而消费者将会首先支出pxx0。对于剩余的收入I-pxx0,这是一个标准的柯布-道格拉斯效用函数最大化问题,从而有:px(x-x0)=α(I-pxx0)
解得:
pxx=α(I-pxx0)+pxx0
pyy=β(I-pxx0)
(2)由(1)以及预算约束条件可得:
因此,收入增加,则收入中用于购买x的比例将减少,用于购买y的比例将增加。
对I取极限可得:
13.CES间接效用函数和支出函数
现在,我们讨论形式更标准的CES效用函数的间接效用函数和支出函数,函数形式如下:U(x,y)=(xδ+yδ)1/δ,该函数的替代弹性σ=1/(1-δ)
(1)证明此函数的间接效用函数为:V=I(pxr+pyr)-1/r,其中,r=δ/(δ-1)=1-σ。
(2)证明(1)中计算出的函数是关于价格和收入的零次齐次函数。
(3)证明此函数是收入的严格递增函数。
(4)证明对于任何价格,该函数都是严格递减的。
(5)证明此种情况下的CES效用函数的支出函数为:E=V(pxr+pyr)1/r
(6)证明(5)中计算出的函数是关于商品价格的一次齐次函数。
(7)证明支出函数是关于任何价格的递增函数。
(8)证明函数是任何价格的凹函数。
解:(1)设两种商品的价格分别为px、py,收入为I,则消费者效用最大化问题:
构造拉格朗日函数:L=(xδ+yδ)1/δ+λ(I-pxx-pyy)
一阶条件:
解得:
将上式代入U(x,y)=(xδ+yδ)1/δ
得间接效用函数:V=I(pxr+pyr)-1/r(其中r=δ/(δ-1)=1-σ)
(2)对于任意正数t>0,有:
所以说,函数V=I(pxr+pyr)-1/r是关于价格和收入的零次齐次函数。
(3)∂V/∂I=(pxr+pyr)-1/r>0,所以说此函数是收入的严格递增函数。
(4)
同理可得,所以说,对于任何价格,此函数是严格递减的。
(5)反解间接效用函数得此函数的支出函数:E=U(pxr+pyr)1/r
(6)对于任意正数t>0,有:E(tpx,tpy,U)=U[(tpx)r+(tpy)r]1/r=t·E(px,py,U)。所以说,函数E=U(pxr+pyr)1/r是关于商品价格的一次齐次函数。
(7)
同理可得,所以说支出函数是关于任何价格的递增函数。
(8)对支出函数关于px求二阶偏导数得:
所以说,此函数是任何价格的凹函数。
14.利他主义
米歇尔有一个相对高的收入I,并且他十分同情生活贫困、收入很低的索菲亚。假设米歇尔的偏好可由以下效用函数表示:
此处c1、c2分别表示米歇尔和索菲亚的消费水平,函数形式和两商品的柯布-道格拉斯效用函数类似。假设米歇尔可以随意支配自己的收入,既可花在自己身上,也可花在索菲亚身上(通过慈善捐赠),并且1美元收入可为米歇尔或索菲亚带来1单位相等的效用(也就是说,消费的价格p1=p2=1)。
(1)说明通过讨论a=0和a=1时的极端情况,指数a可用于衡量“利他”程度。当a的值为多少时,米歇尔会是一个完美的利他主义者(把别人看作和自己同等重要)?
(2)求解米歇尔的最优化选择,并说明其如何随着a的变化而变化。
(3)假设所得税为t,求解此时米歇尔的最优化选择。在慈善捐款可税前扣除(用于慈善捐款的那部分收入不用缴纳所得税)的情况下,米歇尔的选择会发生怎样的变化?对于利他主义程度高和程度低的两种人,慈善捐款扣除对哪一种人的激励作用更大?
(4)回到没有税收的简单情况下,假设米歇尔的利他主义可由以下效用函数表示:
该式和扩展E3.4相似,根据定义,米歇尔直接关心索菲亚的效用水平,间接关心索菲亚的消费水平。
①若索菲亚的效用函数和米歇尔是对称的,即
计算米歇尔的最优选择,并和(2)中的结果加以对比,米歇尔的利他主义程度是更大还是更小?解释这一结果。
②若索菲亚的效用函数为U2(c2)=c2,重新分析上述问题。
说明:在查阅英文版教材后,本书认为第(3)问中的“所得税为t”是指所得税税率,并据此进行解答。
解:(1)当a=0和a=1时,此时米歇尔的效用函数分别为:
U1(c1,c2)=c1
U1(c1,c2)=c2
即当a=0时,米歇尔效用大小只取决于自己的消费,她是一个纯粹的利己主义者;而当a=1时,其效用大小完全取决于索菲亚的消费,她是一个纯粹的利他主义者。
当a=1/2时米歇尔会是一个完美的利他主义者(把别人看作和自己同等重要),其效用函数为:
(2)设米歇尔的收入为m,利用柯布—道格拉斯效用函数的性质可得米歇尔的最优选择为:
进一步可求得:
所以,随着a的提高,在米歇尔的最优选择处,米歇尔的消费水平会降低而索菲亚的消费水平会增加。
(3)如果所得税税率为t,此时米歇尔的最优化选择为:
设慈善捐款额为s(0<s<m),在慈善捐款可税前扣除(用于慈善捐款的那部分收入不用缴纳所得税)的情况下米歇尔的最优化问题为:
解得米歇尔的最优选择为:
在慈善捐款可税前扣除的情况下,慈善捐款额为s=c2=am,而用于慈善捐款的那部分收入也需要缴纳所得税的情况下,慈善捐款额为s=c2=am(1-t)。两种情况下慈善捐款额的变化为Δs=am-am(1-t)=amt,从而有
因此,利他主义程度越高,慈善捐款扣除对其的激励作用越大。
(4)①若米歇尔的效用函数
且索菲亚的效用函数
由此可以推出米歇尔的效用函数:
米歇尔的最优选择:
所以,随着的提高,在米歇尔的最优选择处,米歇尔的消费水平会降低而索菲亚的消费水平会增加。
②若索菲亚的效用函数为U2(c2)=c2,此时米歇尔的效用函数为
和(2)中的情况相同。