Zadania z ekonomii matematycznej Teoria produkcji
Transkrypt
Zadania z ekonomii matematycznej Teoria produkcji
Paweł Kliber Zadania z ekonomii matematycznej Teoria produkcji 1. Zadania Zad. 1 Dla podanych funkcji produkcji (a) f (k, z) = 2k + z 1 1 (b) f (k, z) = 6k 2 z 3 1 1 (c) f (k, z) = k 2 z 2 3 1 (d) f (k, z) = k 4 z 2 1 1 (e) f (k, z) = k 3 + z 2 wykonaj następujące polecenia: (A) Oblicz krańcowe produktywności czynników produkcji. Zinterpretuj wyniki. (B) Oblicz elastyczności produkcji czynników. Zinterpretuj wyniki. (C) Oblicz krańcową stopę substytucji i elastyczność substytucji pracy przez kapitał i kapitału przez pracę. Zinterpretuj wyniki. (D) Sprawdź, czy funkcja jest jednorodna. Jeśli tak – oblicz jej stopień jednorodności. Co otrzymany wynik mówi o efektach skali w przedsiębiorstwie? (E) Oblicz elastyczność produkcji względem skali nakładów. Co wynik mówi o efektach skali w przedsiębiorstwie? Zad. 2 Dla podanych funkcji produkcji 1 1 (a) f (k, z) = 6k 2 z 3 1 1 (b) f (k, z) = k 2 + z 2 1 1 (c) f (k, z) = k 4 z 4 1 1 (d) f (k, z) = k 2 + z 3 wykonaj następujące polecenia: (A) Zapisz zadanie maksymalizacji zysku. (B) Zapisz warunki konieczne maksimum (zerowanie się pochodnych). (C) Wyznacz punkt optymalny i optymalną produkcję. (D) Zapisz funkcje popytu produkcyjnego i podaży produkcyjnej. Zad. 3 Dla funkcji produkcji z poprzedniego zadania (za wyjątkiem funkcji z podpunktu (d)) wykonaj następujące polecenia: (A) Zapisz zadanie minimalizacji kosztów. (B) Zapisz warunki konieczne minimum dla tego zadania (warunki Kuhna-Tuckera). (C) Rozwiąż to zadanie. Zapisz funkcję warunkowego popytu i funkcję kosztów. (D) Zapisz zadanie maksymalizacji zysku wykorzystując funkcję kosztów. (E) Rozwiąż zadanie maksymalizacji zysku. Sprawdź, czy zgadza się z rozwiązaniem otrzymanym w poprzednim zadaniu. 1 2. Rozwiązania Zad. 1 (a) Krańcowa produktywność kapitału: ∂f = 2. ∂k Krańcowa produktywność pracy: ∂f = 1. ∂z Elastyczność kapitału: efk = 2k ∂f k · = . ∂k f 2k + z efz = ∂f z z · = . ∂z f 2k + z Elastyczność pracy: Krańcowa stopa substytucji pracy przez kapitał wynosi σzk = ∂f ∂z ∂f ∂k = 1 , 2 a elastyczność substytucji pracy przez kapitał jest równa z 1z z = = . k 2k 2k ezk = σzk Podobnie, krańcowa stopa substytucji kapitału przez pracę wynosi σkz = ∂f ∂k ∂f ∂z = 2 = 2, 1 a elastyczność substytucji kapitału przez pracę to ekz = σkz k 2k k =2 = . z z z Sprawdzamy jednorodność funkcji produkcji mnożąc wszystkie argumenty (tj. k i z) przez tę samą stałą λ > 0: f (λk, λz) = 2 (λk) + λz = λ · 2k + λ · z = λ (2k + z) = λf (k, z) = λ1 f (k, z) , a zatem funkcja jest jednorodna, a jej stopień jednorodności wynosi 1. W przedsiębiorstwie występują zatem stałe efekty skali. Pozostaje do obliczenia elastyczność względem skali nakładów. Funkcję f (λk, λz) obliczyliśmy wyżej. Teraz liczymy: ∂f (λk, λz) ∂ [λ (2k + z)] = = 2k + z, ∂λ ∂λ a zatem efλ = λ λ ∂f (λk, λz) = (2k + z) = 1. ∂λ f (λk, λz) λ (2k + z) W przedsiębiorstwie występują zatem stałe efekty skali. (b) Krańcowa produktywność kapitału wynosi 1 1 1 ∂f 1 1 = 6 · k 2 −1 z 3 = 3k − 2 z 3 , ∂k 2 2 a elastyczność kapitału to 1 efk 1 1 1 1 1 1 1 1 1 k 3k − 2 k 1 z 3 3k − 2 +1 z 3 3k 2 z 3 3 ∂f k 1 = = = = 3k − 2 z 3 1 1 = = . 1 1 1 1 1 1 = ∂k f 6 2 2 3 2 3 2 3 2 3 6k z 6k z 6k z 6k z Krańcowa produktywność pracy wynosi 1 1 1 2 1 1 1 2 ∂f = 6k 2 z 3 −1 = 6 · k 2 z − 3 = 2k 2 z − 3 , ∂z 3 3 a elastyczność pracy to 1 efz = 2 1 2 1 2 z 2k 2 z − 3 z 1 2k 2 z − 3 +1 2k 2 z 3 2 1 ∂f z = 2k 2 z − 3 1 1 = = = = . 1 1 1 1 1 1 = ∂z f 6 3 6k 2 z 3 6k 2 z 3 6k 2 z 3 6k 2 z 3 Krańcowa stopa substytucji kapitału przez pracę jest równa σkz = ∂f ∂k ∂f ∂z 1 = 1 1 1 3k − 2 z 3 2 2k 2 z − 3 = 1 1 2 3k − 2 − 2 z 3 + 3 3k −1 z 1 3z = = , 2 2 2k a elastyczność substytucji kapitału przez pracę jest równa ekz = σkz k 3z k 3 = = . z 2k z 2 Podobnie wyznaczamy krańcową stopę substytucji i elastyczność substytucji pracy przez kapitał: 2k , 3z σzk = ezk = 2 . 3 Sprawdzamy jednorodność funkcji produkcji mnożąc wszystkie argumenty (tj. k i z) przez tę samą stałą λ > 0: 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 5 1 1 5 f (λk, λz) = 6 (λk) 2 (λz) 3 = 6λ 2 k 2 λ 3 z 2 = λ 2 + 3 6k 2 z 3 = λ 6 6k 2 z 3 = λ 6 f (k, z) , a zatem funkcja jest jednorodna, a jej stopień jednorodności wynosi 65 . W przedsiębiorstwie występują zatem malejące efekty skali (bo 56 < 1). Pozostaje do obliczenia elastyczność względem skali nakładów. Funkcję f (λk, λz) obliczyliśmy wyżej. Teraz liczymy: h 5 1 1i ∂ λ 6 6k 2 z 3 1 1 1 ∂f (λk, λz) 5 1 1 1 = = λ− 6 6k 2 z 3 = 5λ− 6 k 2 z 3 , ∂λ ∂λ 6 a zatem 1 efλ 1 1 1 λ 5 λ − 6 λ1 ∂f (λk, λz) λ = = 5λ− 6 k 2 z 3 5 1 1 = 6 λ 56 ∂λ f (λk, λz) λ 6 6k 2 z 3 1 = 5 5 λ− 6 +1 5 λ6 5 = . 5 5 = 6 λ6 6 λ6 6 W przedsiębiorstwie występują zatem malejące efekty skali (bo (c) Krańcowe produktywności kapitału i pracy: 1 1 1 ∂f = k− 2 z 2 , ∂k 2 5 6 < 1). ∂f 1 1 1 = k 2 z− 2 . ∂z 2 Elastyczność kapitału i elastyczność pracy: efk = 1 , 2 efz = 1 . 2 Krańcowa stopa substytucji kapitału przez pracę oraz pracy przez kapitał: σkz = z , k σzk = 3 k , z a elastyczności substytucji wynoszą: ekz = 1, ekz = 1. Funkcja jest jednorodna stopnia 1. Elastyczność względem skali nakładów także wynosi 1 (efλ = 1). Zatem efekty skali są stałe — produkcja rośnie proporcjonalnie do nakładów. (d) Krańcowe produktywności kapitału i pracy: 3 1 1 ∂f = k− 4 z 2 , ∂k 4 ∂f 1 3 1 = k 4 z− 2 . ∂z 2 Elastyczność kapitału i elastyczność pracy: efk = 3 , 4 efz = 1 . 2 Krańcowa stopa substytucji kapitału przez pracę oraz pracy przez kapitał: σkz = 3z , 2k σzk = 2k , 3z ekz = 2 . 3 a elastyczności substytucji wynoszą: ekz = 3 , 2 Funkcja jest jednorodna stopnia 54 . Elastyczność względem skali nakładów także wynosi 54 (efλ = 54 ). Zatem efekty skali są rosnące (bo 54 > 1). (e) Krańcowe produktywności kapitału i pracy: ∂f 1 2 = k− 3 , ∂k 3 1 1 ∂f = z− 2 . ∂z 2 Elastyczność kapitału i elastyczność pracy: 1 efk = 1 1 k3 , 3 k 13 + z 12 efz = 1 z2 . 2 k 31 + z 12 Krańcowe stopy substytucji kapitału przez pracę oraz pracy przez kapitał są następujące: 1 σkz 2 2 z2 = , 3 k 23 σzk 3 k3 = , 2 z 21 a elastyczności substytucji wynoszą: 1 ekz = 1 2 k3 , 3 z 12 ekz = 3 z2 . 2 k 31 Funkcja nie jest jednorodna. Elastyczność względem skali nakładów wynosi f 5 5 6 (eλ = 6 ) (Jest to trudniejsze do obliczenia niż w poprzednich zadaniach. Trzeba tu skorzystać ze wzoru na efλ ze skryptu — tego z granicą przy λ → 1.) Zatem efekty skali są malejące (bo 65 < 1). Zad. 2 (a) Zysk producenta wynosi Π = pf (k, z) − v1 k − v2 z, gdzie p jest ceną produktu, v1 oznacza cenę kapitału, a v2 — cenę pracy. Zadanie maksymalizacji zysku ma zatem postać 1 1 max Π(k, z) = p6k 2 z 3 − v1 k − v2 z 4 pod warunkiem, że k, z > 0. Chwilowo zapominamy o warunku nieujemności zmiennych k i z i rozwiązujemy zadanie tak, jakby to było zadanie maksymalizacji bezwarunkowej, tzn. liczymy pochodne i przyrównujemy je do zera. Pochodne z funkcji zysku względem k i z wynoszą odpowiednio 1 1 1 1 1 ∂Π = p6 · k 2 −1 z 3 − v1 − 0 = p3k − 2 z 3 − v1 , ∂k 2 1 2 1 1 1 ∂Π = p6k 2 z 3 −1 − 0 − v2 = p2k 2 z − 3 − v2 . ∂z 3 Przyrównujemy obie pochodne do zera, tj. wykorzystujemy warunek konieczny maksymalizacji: ∂Π = 0, ∂k ∂Π = 0. ∂z Otrzymujemy w ten sposób układ dwóch równań: 1 1 p3k − 2 z 3 − v1 =0, 1 2 p2k 2 z − 3 − v2 =0. W pierwszym równaniu przenosimy na prawą stronę v1 , a w drugim robimy to samo z v2 . Otrzymujemy układ 1 1 p3k − 2 z 3 =v1 , 1 2 p2k z − 32 =v2 . (1) (2) Dzielimy równania stronami przez siebie otrzymując 1 1 p3k − 2 z 3 p2k 1 2 2 z− 3 = v1 . v2 Upraszczamy lewą stronę: 1 1 1 2 v1 3k − 2 − 2 z 3 + 3 = , 2 v2 czyli v1 3z = , 2k v2 a zatem z= 2v1 k. 3v2 (3) Podstawiamy ostatnią zależność do równania (1). Mamy wówczas p3k − 21 2v1 k 3v2 13 = v1 . Przekształcamy: p3k − 21 1 1 1 3 1 3 2 3 v13 3 v2 5 1 k 3 = v1 . Porządkujemy wykładniki po lewej stronie równania: 1 1 1− 31 k p3 − 12 + 13 2 3 v13 1 = v1 . v23 1 Przenosimy v1 na stronę lewą (dzielimy obie strony przez v13 ) i kończymy porządkowanie wykładników: 1 2 23 1 p3 3 k − 6 1 3 v2 1− 31 = v1 , a zatem 1 1 k− 6 p 2 23 · 33 1 3 v2 2 = v13 . Przenosimy k na stronę prawą, a v1 na stronę lewą (mnożymy obustronnie 2 1 razy k 6 i dzielimy przez v13 . Otrzymujemy: 1 2 p2 3 · 3 3 2 3 1 3 1 = k6. v1 v2 Pozostaje podnieść obie strony do potęgi 6 i otrzymamy optymalne k: !6 2 2·6 1 6 p2 3 · 3 3 p6 2 3 · 3 3 p6 22 · 34 k̄ = . = = 2 2·6 1 6 v14 v22 v13 v23 v1 3 v23 Podstawiamy otrzymane k̄ do równania (3) i otrzymamy optymalne z: z̄ = 2v1 p6 23 · 33 p6 22+1 · 34−1 2v1 p6 22 · 34 = = . k̄ = 4−1 2+1 4 2 3v2 3v2 v1 v2 v13 v23 v1 v2 Pozostaje obliczyć optymalną wielkość produkcji, ȳ. Podstawiamy otrzymane k̄ i z̄ do funkcji produkcji otrzymując ȳ = f k̄, z̄ = 6 p6 22 · 34 v14 v22 21 p6 23 · 33 v13 v23 13 = 2 · 3 · 2 · 32 p3 p2 2 · 3 23 · 34 p5 . = v12 v2 v1 v2 v13 v22 Funkcję popytu tworzą optymalne k̄ i z̄, a zatem funkcja popytu produkcyjnego ma postać: 6 2 4 6 3 3 p 2 ·3 p 2 ·3 , . ξ (p, v1 , v2 ) = v12 v22 v13 v23 Funkcję podaży tworzy optymalna wielkość produkcji ȳ, a zatem η (p, v1 , v2 ) = p5 23 · 34 . v13 v22 (b) Zadanie maksymalizacji zysku ma postać 1 1 max Π (k, z) = pk 2 + pz 2 − v1 k − v2 z. Warunki konieczne: 1 ∂Π 1 = pk − 2 − v1 = 0, ∂k 2 1 ∂Π 1 = pz − 2 − v2 = 0. ∂z 2 6 Po przeniesieniu v1 i v2 na prawą stronę daje to układ równań: 1 −1 pk 2 = v1 , 2 1 −1 pz 2 = v2 . 2 (4) (5) Oba równania rozwiązujemy podobnie. Zacznijmy od równania (4). Przeno1 simy k na stronę prawą (tj. mnożymy obustronnie przez k 2 ): 1 1 p = v1 k 2 . 2 Przenosimy v1 na stronę lewą (dzielimy obie strony przez v1 ): 1 p = k2. 2v1 Teraz wystarczy podnieść obie strony do kwadratu i otrzymamy optymalne k: 2 p p2 k̄ = = 2 2. 2v1 2 v1 Podobnie rozwiązujemy równanie (5): Najpierw przenosimy z na stronę prawą, potem v2 na stronę lewą, a na końcu podnosimy do kwadratu. Rozwiązaniem jest 2 p p2 z̄ = = 2 2. 2v2 2 v2 Aby otrzymać optymalną wielkość produkcji, podstawiamy k̄ i z̄ do funkcji produkcji. Otrzymujemy: 21 2 12 p p p2 p + = ȳ =f k̄, z̄ = + 2 2 2 2 2 v1 2 v2 2v1 2v2 pv2 pv1 p (v1 + v2 ) = + = . 2v1 v2 2v1 v2 2v1 v2 Możemy zatem zapisać funkcję popytu produkcyjnego : 2 p p2 ξ (p, v1 , v2 ) = , 22 v12 22 v22 i funkcję podaży: η (p, v1 , v2 ) = p (v1 + v2 ) . 2v1 v2 (c) Zadanie maksymalizacji zysku: 1 1 max Π (k, z) = pk 4 z 4 − v1 k − v2 z. Warunki konieczne: 3 1 ∂Π 1 = pk − 4 z 4 − v1 =0, ∂k 4 ∂Π 1 1 3 = pk 4 z − 4 − v2 =0. ∂z 4 Układ równań: 1 −3 1 pk 4 z 4 =v1 , 4 1 1 −3 pk 4 z 4 =v2 . 4 7 Po podzieleniu dostajemy z= v1 k. v2 Podstawiamy do pierwszego równania i otrzymujemy optymalne k: p2 k̄ = 3 1 . 24 v12 v22 Korzystając z poprzedniej zależności obliczamy optymalne z: p2 z̄ = 1 3 . 24 v12 v22 Optymalna produkcja: p ȳ = f k̄, z̄ = 1 . 1 22 v12 v22 Funkcja popytu produkcyjnego: p2 ξ (p, v1 , v2 ) = 3 , 1 ! p2 1 24 v12 v22 . 3 24 v12 v22 Funkcja podaży: p η (p, v1 , v2 ) = 1 1 . 22 v12 v22 (d) Zadanie maksymalizacji zysku: 1 1 max Π (k, z) = pk 2 + pz 3 − v1 k − v2 z. Funkcja popytu produkcyjnego: 3 p2 p2 , 3 3 2 2 2 v1 3 2 v 2 2 ξ (p, v1 , v2 ) = ! . Funkcja podaży: 1 1 η (p, v1 , v2 ) = 1 3 2 pv22 + 2p 2 v1 1 1 . 2 · 3 2 v1 v22 Zad. 3 (a) Zadanie minimalizacji kosztów ma postać min v1 k + v2 z pod warunkiem, że 1 1 6k 2 z 3 = y, gdzie v1 oznacza cenę kapitału, v2 – cenę pracy, a y jest ustalonym poziomem produkcji. Warunki Kuhna-Tuckera dla tego zadania są następujące: 1 1 ∂f = 3k − 2 z 3 = λv1 , ∂k 1 2 ∂f = 2k 2 z − 3 = λv2 , ∂k 1 1 6k 2 z 3 = y. 8 Mamy zatem następujący układ trzech równań z trzema niewiadomymi k, z i λ: 1 1 3k − 2 z 3 = λv1 , 1 2 2k z − 23 (6) = λv2 , 1 2 (7) 1 3 6k z = y. (8) Dzielimy dwa pierwsze równania przez siebie stronami: 1 1 3k − 2 z 3 1 2 2k λv1 . λv2 = 2 z− 3 Po prawej stronie skraca się λ. Przekształcamy stronę lewą: 3 3 − 1 − 1 13 −(− 23 ) 3z = k −1 z 1 = k 2 2z . 2 2 2k Mamy zatem: v1 3z = , 2k v2 czyli 2v1 k. 3v2 z= (9) Podstawiamy to do równania (8): 6k 1 2 2v1 k 3v2 31 = y, a zatem 1 6k 2 1 1 1 3 1 3 1 1 2 3 v13 1 k 3 = y, 3 v2 czyli 1 1 v13 1 21+ 3 31− 3 k 2 + 3 = y, 1 v23 zatem 1 4 3 2 3 2 3 k 5 6 v13 = y, 1 v23 a więc 1 yv23 5 k6 = 4 2 1 . 2 3 3 3 v13 Podnosimy obie strony do potęgi 56 . W ten sposób otrzymujemy optymalne k: 6 k̄ = 1 6 ·5 4 6 2 6 2 6 y 5 v23 1 6 ·5 2 3 · 5 3 3 · 5 v13 = y 5 v25 8 2 4 . 2 5 3 5 v15 Aby otrzymać optymalną wielkość z podstawiamy k̄ do równania 9. Mamy 6 2 1− 2 6 2v1 y 5 v25 v1 5 y 5 z̄ = = , 2 8 4 1− 2 3v2 2 85 3 54 v 5 2 5 −1 3 5 +1 v2 5 1 9 czyli ostatecznie 3 6 y 5 v15 z̄ = 3 . 3 9 2 5 3 5 v25 Obliczymy teraz najmniejszy koszt wyprodukowania y: 6 c̄ = v1 k̄ + v2 z̄ = v1 3 6 = = y5 3 4 6 3 3 2 2 y 5 v15 v25 4 35 25 3 6 2 6 y 5 v15 y5 v1 v25 3 v15 v2 2 + v2 3 = 3 2 + 3 4 4 9 8 3 5 3 5 2 5 2 55 v 5 2 5 3 5 v15 2 5 3 5 v25 3 5 v25 1 3 3 2 ! 2 6 v15 v25 y 5 v15 v25 1 1 = + = + 4 3 3 2 3 35 25 v15 v25 2 35 25 2 y 5 v25 6 3 ! = 2 5 y 5 v15 v25 5 = . 9 8 2·3 25 35 Otrzymaliśmy zatem funkcję popytu warunkowego: 2 6 f (y, v1 , v2 ) = 8 ! y 5 v15 , 2 4 3 6 y 5 v25 3 2 5 3 5 v15 3 9 2 5 3 5 v25 oraz funkcję kosztów 3 6 2 5y 5 v15 v25 c(y, v1 , v2 ) = 8 9 25 35 . Posługując się funkcję kosztów formułujemy zadanie maksymalizacji zysku: 6 max Π(y) = py − 3 2 5y 5 v15 v25 8 9 25 35 . Warunek konieczny maksimum to zerowanie się pochodnej: 3 2 1 3 6 1 3 2 6 5y 5 −1 v15 v25 y 5 v15 v25 Π (y) = p − · =p− = 0. 8 3 9 4 5 25 35 25 35 0 Otrzymujemy równanie p= 2 y 5 v15 v25 3 4 25 35 , czyli 1 y5 = 3 4 3 2 25 35 . v15 v25 Podnosimy obie strony do potęgi 5 i otrzymujemy rozwiązanie ȳ = 23 · 34 p5 . v13 v22 Funkcja podaży: η (p, v1 , v2 ) = 23 34 p5 . v13 v22 Jak widać, zgadza się to z rozwiązaniem otrzymanym w zadaniu 2. (b) Zadanie minimalizacji kosztów: min v1 k + v2 z 10 pod warunkiem, że 1 1 k 2 + z 2 = y. Warunki Kuhna-Tuckera dla tego zadania mają postać ∂f 1 1 = k − 2 = λv1 , ∂k 2 ∂f 1 1 = z − 2 = λv2 , ∂z 2 1 1 k 2 + z 2 = y. Mamy zatem układ trzech równań z trzema niewiadomymi k, z i λ. Dzielimy dwa pierwsze przez siebie otrzymując 1 z2 1 k2 = v1 , v2 czyli z= v12 k. v22 (10) Podstawiamy to do ostatniego równania. Mamy zatem 2 12 1 v1 2 k + k = y, v22 czyli 1 k2 1+ 1 k2 v1 v2 =y v1 + v2 = y. v2 Ostatecznie k̄ = y 2 v22 2. (v1 + v2 ) Korzystamy z (10): z̄ = y 2 v12 2. (v1 + v2 ) Obliczamy minimalny koszt: c̄ = v1 k̄ + v2 z̄ = y 2 v1 v2 (v1 + v2 ) 2 (v1 + v2 ) = y 2 v1 v2 . v1 + v2 Zadanie maksymalizacji zysku możemy teraz sformułować następująco: max Π(y) = py − y 2 v1 v2 . v1 + v2 Obliczamy pochodną i przyrównujemy ją do zera: Π0 (y) = p − 2yv1 v2 = 0. v1 + v2 Otrzymujemy równanie p= 2yv1 v2 , v1 + v2 czyli ȳ = p (v1 + v2 ) , 2v1 v2 co zgadza się z rozwiązaniem otrzymany w zadaniu 2. 11 (c) Zadanie minimalizacji kosztu: min v1 k + v2 z pod warunkiem, że 1 1 k 4 z 4 = y. Warunki Kuhna-Tuckera: 1 −3 1 k 4 z 4 = λv1 4 1 1 −3 k 4 z 4 = λv2 4 1 1 k 4 z 4 = y. Rozwiązując otrzymujemy 1 y 2 v22 k̄ = 1 v12 oraz 1 z̄ = y 2 v12 . 1 v22 Funkcja popytu warunkowego: 1 1 y 2 v22 f (y, v1 , v2 ) = , 1 y 2 v12 ! 1 v12 v22 Funkcja kosztów 1 1 c(y, v1 , v2 ) = 2y 2 v12 v22 . Zadanie maksymalizacji zysku ma postać 1 1 max Π(y) = py − 2y 2 v12 v22 , a jego rozwiązaniem jest p ȳ = 1 2 1 . 4v1 v22 Funkcja podaży ma zatem postać η (p, v1 , v2 ) = p 1 2 1 4v1 v22 czyli taką samą, jak w rozwiązaniu zadania 2. 12 , .