background image

R.Rempała . Materiały dydaktyczne.  

 

301 

 

Wykłady 3-4. a) c.d. Wykładu 2, funkcja użyteczności, 

krańcowa stopa substytucji, użyteczność krańcowa, 

optymalne wybory.

 

 

Ad. a)  

1. Zajmowaliśmy się relacją słabej preferencji  ( ). Jest to 

relacja określona w zbiorze konsumpcyjnym Z, która ma 

trzy własności, jest  zwrotna,  przechodnia i zupełna. 

Ekonomiści  uważają, że taka relacja dobrze opisuje 

upodobania konsumentów w odniesieniu do koszyków ze 

zbioru Z. Przechodniośd i zwrotnośd  oznaczają  

niesprzecznośd gustów konsument , 

(tzn. (x   

  y    y    z) 

  ( x     z),  oraz, że  x   ). Zupełność oznacza, iż dla 

dowolnej pary koszyków (x,y)   Z,  konsument potrafi wyrazić 

swoje upodobanie (x 

   y    x) .  

2. 

Relacja słabej preferencji (dla uproszczenia wygodnie jest 

słabą preferencję nazywać krótko preferencją), w naturalny 

sposób wyznacza dwie inne relację:  indyferencji (

 x ~ y 

   

    

 y   y  x) 

i ścisłej (silnej) preferencji. (

 y 

   

    x  y  

 

   x)

;    

 y 

   x

  

oznacza: nie prawda, że 

 

   x.

 

 

background image

R.Rempała. Materiały dydaktyczne( 2015. Wykłady 3-4).  

 

302 

 

3. Można pokazać, że relacja indyferencji jest relacją 

równoważności (tzn. jest zwrotna symetryczna i 

przechodnia). Z zasady abstrakcji (znana w matematyce 

własność relacji równoważności)  wynika, że  zbiór Z rozpada 

się na  rozłączne  podzbiory. Podzbiorami są klasy 

równoważności relacji indyferencji). 

  W przypadku 2-

wymiarowych koszyków podzbiory te nazywają 

się krzywymi obojętności. Uzasadnialiśmy, że dwie różne 

krzywe obojętności  nie mogą się przecinać.  Między koszykami 

na różnych krzywych mamy zatem  ścisłe relacje. Można 

powiedzieć, że krzywe prezentują różne poziomy 

preferencji.  

                            

 lub 

 

 

 

 

4. Wprowadzili

śmy pojęcie wypukłości relacji  ścisłej wypukłości 

oraz  monotoniczności.    Dla  relacji  monotonicznych  i  ściśle 

wypukłych mamy następujący” rysunkowy” opis relacji   

                                                              

   

            

   a

                           

 

                        

 

             

             

Krzywe obojętności 

Koszyki lepsze niż a. Zbiór F(a)={x; x   } 

jest  wypukły.  Krzywe  indyferencji  nie 

mogą mieć „płaskich miejsc” . 

background image

R.Rempała. Materiały dydaktyczne( 2015. Wykłady 3-4).  

 

303 

 

 

 

                            a                              

     

                         

 

 

 

 

 

 

Rys. 

Rysunek przedstawia relację, która jest wypukła, ale nie jest ściśle 

wypukła. Krzywe obojętności mogą mieć płaskie fragmenty.                                                                                                                                                                       

                              Koszyki optymalne 

Zauważmy, że w przypadku relacji zaznaczonych na rysunku 

koszyk optymalny  

znajduje się w zbiorze budżetowym na 

„najwyższej” krzywej obojętności. 

 

 

 

                                                                                     

 

 

 

 

Rys.      Przykłady wyznaczania koszyków optymalnych. 

 

 

 

Koszyki  lepsze  niż  a.  Zbiór 

F(a)={x; x

   } jest wypukły.  

Relacja jest wypukła ale nie 

jest ściśle wypukła.

 

background image

R.Rempała. Materiały dydaktyczne( 2015. Wykłady 3-4).  

 

304 

 

  

Przykład rachunkowy. 

Zb={x=(x

1

,x

2

)

2

R :  x

+ x

2

 

d

}, p

1

=p

2

=1.  

Zbiór konsumpcyjny Z =

2

R  

Relacja preferencji jest

        określona następująco: 

x  

 

def

a

1

x

1

+a

2

x

2

 a

1

y

1

+a

2

y

2

,    a

1

,a

2

 

– stałe dodatnie 

 

Zadanie. 

1) Wyznaczyć rodzinę krzywych obojętności. 2) Czy relacja jest 

monotoniczna?  3) Czy relacja jest wypukła?  4) Czy relacja jest ściśle wypukła?  

5) Wyznaczyć koszyki optymalne w Zb.  

x ~ y 

gdy x 

  y  i  y   x 

 a

1

x

1

+a

2

x

2

 = a

1

y

1

+a

2

y

2

 

Ad 1

Krzywe obojętności

: {x=(x

1

,x

2

): a

1

x

1

+a

2

x

2

 = s}, s>0. 

            

x

2

 

         s/a

 

                                               s/a

1

        

x

Rys. Dobra są substytutami. Konsument skłonny jest zamienić jedno na drugie 

według stałej stopy.   

  

Zauważmy, że preferencje rosną przy oddalaniu koszyków od początku układu. 

Ad 2)-

4). Relacja jest monotoniczna i wypukła. Nie jest ściśle wypukła. 

Ad  5)  Koszyki  optymalne  leżą  na  tej  krzywej  obojętności,  która  jest 

najbardziej  odległej  od  środka  układu  i  ma  niepuste  przecięcie  ze 

zbiorem budżetowym Zb. 

 

Rys.I

 a

1

/a

<1        

x

2

 

                                                                 

optimum 

x

(0,d)

 

 

background image

R.Rempała. Materiały dydaktyczne( 2015. Wykłady 3-4).  

 

305 

 

                                                                    

 

Rys.II

.

..

a

1

/a

> 1     

x

2

 

                                                                  

optimum 

x

(d,0) 

                                                                    

x

 

 

 

                                 

x

2

 

                               

                                                              

optimum 

 

 

RysIII

.  a

1

/a

= 1 

                                                    d                   

x

 

 

Optymalne są wszystkie koszyki z odcinka łączącego (0,d) z (d,0).

          

 

Założenie.  W  dalszych  rozważaniach  będziemy  przyjmowali,  że  zbiór 

konsumpcyjny Z= 

m

R

  

Uwaga . 

W przypadku relacji monotonicznej koszyki optymalne znajdują 

się na hiperpłaszczyźnie budżetowej. ( Dla m=2 na linii budżetowej.) 

Zadania. Zestaw  2 podany jest na ostatniej stronie.  

UŻYTECZNOŚĆ 

Funkcja  użyteczności  jest  liczbową  charakterystyką 

relacji preferencji. 

Def. 

R

R

u

m

:

 

jest  funkcją  użyteczności  jeśli  dla 

dowolnej pary koszyków x,y

m

R

 

spełnia warunki: 

1. u(x) > u(y) 

  y 

background image

R.Rempała. Materiały dydaktyczne( 2015. Wykłady 3-4).  

 

306 

 

2. u(x) = u(y) 

 x ~ y  

 

Wniosek. Ponieważ x   y

x~ y lub x 

  y, to z definicji 

wynika, że u(x)

u(y) 

 x

 y. 

Wartość u(x) nazywa się użytecznością koszyka x. 

{y: u(y)=u(x)} 

– koszyki obojętne względem x,  

{y: u(y)>u(x)} 

– koszyki lepsze niż x, 

{y: u(y)

u(x)} 

– koszyki nie gorsze niż x. 

Funkcja  u  oddaje  kierunek  wzrostu  preferencji.-  inna 

nazwa 

– użyteczność porządkowa. 

Użyteczność  porządkową  można  opisać  na  wiele 

sposobów, np.: 

x   

    y   

     z 

u

1

 :    1          2          3 

u

2

 :    7          8          9 

u

3 :

    -2       -1          0 

Def.

  Niech  R

~

R

  Funkcja  (transformacja)   

R

R

f

~

:

 

nazywa  się  monotonicznie  rosnąca  na  R

~

 

jeśli  spełnia 

warunek: 

(u

1

, u

2

, R

~

, u

1

 > u

2

 )   

  f(u

1

) > f(u

2

Ważna własność użyteczności. 

background image

R.Rempała. Materiały dydaktyczne( 2015. Wykłady 3-4).  

 

307 

 

Jeśli  funkcja  u  jest  użytecznością,  a  funkcja  f  jest 

monotonicznie  rosnąca  na  zbiorze  wartości  u  to  nowa 

funkcja  v(x)=  f(u(x))  jest 

też  funkcją  użytecznością 

opisującą tę samą relację preferencji, którą opisywała u. 

 

Innymi  słowy:  monotonicznie  rosnąca  transformacja  funkcji 

użyteczności jest znowu funkcją użyteczności.    

Konstrukcja funkcji użyteczności, m=2.  

Wykorzystuje się następujące własności: 

 

Funkcja  użyteczności  na  krzywych  obojętności  jest 

stała. 

 

Różnym krzywym przypisuje różne wartości. 

 

Krzywe  bardziej  preferowane  otrzymują  większe 

wartości. 

Przypadek preferencji monotonicznych 

                                           x

1

=x

2

  

 

     a                          

 

                       

Rys.Krzywe obojętności przecinają prostą : x

2

=x

1

Z monotoniczności  relacji wynika, że  punkt przecięcia jest jedyny.

Niech 

K

a

={x=(x

1

,x

2

) : (x

1

,

x

2

) ~ (a,a)}, a>0.u(x)

def

 a 2  dla x

K

a

 

background image

R.Rempała. Materiały dydaktyczne( 2015. Wykłady 3-4).  

 

308 

 

Wyznaczanie krzywych obojętności przy znanej 

użyteczności u(x) 

Krzywa obojętności = {x : u(x)= const.} 

Przykład:  u(x

1

,x

2

)=x

1

 x

Rodzina krzywych obojętności {x: x

1

x

2

 = s} s 0

Uwaga. Funkcja v(x

1

,x

2

) = x

1

2

x

2

 

opisuje tę samą relację bo 

v(x)=(u(x))

2

. Funkcja kwadratowa na R

 

jest ściśle rosnąca (

). 

Optymalny wybór 

W języku funkcji użyteczności: optymalny wybór to koszyk 

x

 

o maksymalnej użyteczności w zbiorze budżetowym; 

Innymi  słowy:  optymalny  wybór  to  taki  koszyk,  którego 

użyteczność jest nie mniejsza niż użyteczność każdego innego 

koszyka ze zbioru budżetowego (tzn. u(

x

)

u(x)). 

Poszukiwanie 

x

 

Problem:  Znaleźć koszyk 

x

 

rozwiązujący następujący problem 

optymalizacyjny  

u(x)     

  

max

Zb

x

 

Innymi słowy: 

u(x)     

  max 

przy warunkach ograniczających

d

x

p

x

p

x

p

m

m

2

2

1

1

...

x

1

,

0

  

x

2

,

0

.    ...

, x

m

,

0

 

gdzie   p

1

, p

2

,  ...,p

m

 

– ceny,   d – dochód. 

Terminologia 

background image

R.Rempała. Materiały dydaktyczne( 2015. Wykłady 3-4).  

 

309 

 

    

 u(x) 

– funkcja celu, 

 

zbiór  rozwiązań  dopuszczalnych  -  zbiór  koszyków 

spełniających warunki ograniczające, 

w  zbiorze  rozwiązań  dopuszczalnych  poszukujemy 

koszyka, który maksymalizuje funkcję celu. 

  

Uwaga.  a)  W  przypadku  relacji  monotonicznej  koszyki  optymalne 

znajdują  się  na  hiperpłaszczyźnie  budżetowej.  (  Dla  m=2  na  linii 

budżetowej; por. Rys. ) 

 

                            x                    

Wniosek.  w  przypadku  relacji  monotonicznych    zbiór  rozwiązań 

dopuszczalnych wystarczy ograniczyć do tych koszyków, które spełniają 

warunki:             

d

x

p

x

p

x

p

m

m

2

2

1

1

...

x

1

,

0

  

x

2

,

0

.    ...

, x

m

0

.

 

Przykład.               u(x

1

,x

2

)=x

1

x

2     

  max, 

.                     

x

+ x

= 2,              1 

                 x

,

0

 x

2

,

0

 

 

Rozwiązanie: 

x

=(1,1) 

                                                         

   

Rys. W punkcie optymalnego  wyboru krzywa  obojętności  jest styczna 

do  linii  budżetu.  Innymi  słowy:  nachylenie  stycznej  =  nachylenie  linii 

budżetu.  

 

 Warunek  konieczny  optymalnego  wyboru

J

eśli  koszyk 

optymalny jest punktem wewnętrznym linii budżetu ( tzn. obie współrzędne są 

background image

R.Rempała. Materiały dydaktyczne( 2015. Wykłady 3-4).  

 

310 

 

dodatnie),  to    w  przypadku    relacji  monotonicznej    (  i  przy      krzywych 

obojętności  opisanych  funkcją  różniczkowalną)  w  punkcie  tym  nachylenie 

krzywej obojętności = nachyleniu linii budżetu.  

Wynika  to z faktu, 

że krzywa obojętności,  w punkcie optymalnego wyboru, nie 

mo

że przecinać linii budżetu. 

Uwaga

.  a)  Warunek  ten  nie  musi  być  spełniony  w  przypadku  optimum 

brzegowego oraz w przy 

braku regularności krzywych obojętności. 

 b) Warunek ten nie jest warunkiem wystarcz

ającym. 

c)  W  dalszym  toku  wykładu    będziemy  badali  dokładniej  warunki 

konieczne i dostateczne optymalnego wyboru koszyka.  

 

            

  

Krańcowa stopa substytucji (KSS) przy m=2 

Rozważmy przypadek, w którym krzywa obojętności daje się 

zapisać za pomocą różniczkowalnej funkcji x

2

=g(x

1

).  

Krańcowa 

stopa substytucji dobra pierwszego przez drugie w punkcie 

(x

1

,x

2

)  (KSS)

1,2

(x

1

,x

) w przypadku m=2 jest poch

odną funkcji 

g(x

1

).  

 

X

 

 

                          

 . 

                                                         

x

1

            

1

2

x

x

 - 

wyraża nachylenie siecznej. 

background image

R.Rempała. Materiały dydaktyczne( 2015. Wykłady 3-4).  

 

311 

 

0

1

x

lim

1

2

x

x

 - 

wyraża nachylenie stycznej w punkcie (x

1

,x

2

).  

KSS

1,2

 

opisuje  krańcową  stopę  według,  której  konsument 

zamieni dobro 1 na dobro 2. 

 

Z

a  marginalną  ilość 

1

x

   

„  jesteśmy  skłonni  płacić    drugim 

dobrem

” -  

1

2

1

2

x

KSS

x

,

 

Nie  mylić  z  ceną!  Cena  –  to  co  musimy  zapłacić.  Ile  mamy  ochotę 

zapłacić zależy od preferencji.

 

Wniosek.    Warunek  konieczny  optymalnego  wyboru  oznacza, 

że w punkcie optymalnego wyboru ( przy optimum wewnętrzny i 

przy r

egularnych krzywych obojętności)  KSS

1,2

=-p

1

/p

 

Przykład. Wyznaczanie KSS 

 Niech  u(x

1

,x

2

) = x

1

x

2

 

Krzywa obojętności (KO) = {x  

 

 

: x

1

x

2

=s},  s 

– stała. 

x

= s/x

1

. ,  g(x

1

)=s/x

1

,   

   

  

 

  

1

2

x

x

  = 

'

g

(x

1

)  =  -s/

2

1

x

=  KSS

1,2

(x

1

,x

2

)  na  krzywej  z 

parametrem s. 

 

Zadanie. 

Znaleźć    KSS

1,2

  dobra  pierwszego  przez  drugie    w  koszyku 

(x

1

,x

2

) = (1,2). 

Rozwiązanie.  Koszyk  (1,2)  znajduje  się  na  krzywej  z 

parametrem s = 2 

background image

R.Rempała. Materiały dydaktyczne( 2015. Wykłady 3-4).  

 

312 

 

KSS

1,2

= -s/

2

1

x

 =- 2/1=-2. 

 

Użyteczne pojęcia matematyczne. 

 

1. 

Ciągłość funkcji. 

Funkcja u:

R

R

m

 

jest ciągła w punkcie x=(x

1

,x

2

,...,x

m

) jeżeli  dla 

każdego ciągu {x

n

}, x

n

 

m

R

 

jeśli x

n

 

x  to  u(x

n

 u(x) 

(Przypominamy x

n

 

d(x

n

,x) 

0, d oznacza odległość.) 

Funkcja u:

R

R

m

 

jest ciągła na 

m

R

 

jeśli jest ciągła w każdym 

punkcie x

m

R

 

2. 

Funkcje wklęsłe

Funkcję u:

R

R

m

 

nazywamy wklęsłą na 

m

R

 

jeśli dla każdego 

]

1

,

0

[

 

i każdej pary punktów x,y 

m

R

 

spełniony jest warunek (*) 

(*)  u(

x + (1-

)y) 

 

u(x) +(1-

)u(y) 

 

 

3.

Funkcje silnie (ściśle) wklęsłe 

Jeżeli w poprzedniej definicji warunek (*) spełniony jest z ostrą 

nierównością  dla 

)

1

,

0

(

to funkcję nazywamy ściśle wklęsłą. 

(Por. Rysunek dla u: 

R

R

). 

 

 

 

 

background image

R.Rempała. Materiały dydaktyczne( 2015. Wykłady 3-4).  

 

313 

 

 

4  

Rosnące użyteczności

 

Funkcja użyteczności nazywa się rosnąca na R

m

 

jeśli dla dowolnej pary 

koszyków x,y prawdziwy jest warunek: 

   

x

  

x

 y  

  u(x) > u(y),

 

co  

oznacza, że : jeśli  x

1

y

1

,...,x

m

y

m

  i  co najmniej jedna z 

nierówności jest ostra to u(x) > u(y) 

 

Związek rosnących funkcji użyteczności z relacjami 

monotonicznymi. 

 

Wniosek z definicji. 

Jeżeli funkcja użyteczności jest rosnąca to 

relacja użyteczności, którą ta funkcja opisuje jest monotoniczna. 

 

Związek wklęsłych użyteczności z relacjami wypukłymi. 

 

Twierdzenie1. 

Jeżeli  funkcja  użyteczności  u:

R

R

m

    jest  

wklęsła  (silnie  wklęsła)  na 

m

R

 

to  relacja  preferencji,  którą  ta 

funkcja opisuje jest wypukła ( silnie wypukła). 

 

Dowód. Rozważmy taką  parę takich koszyków x,y , że  

 

y. 

 

Należy wykazać, że  

(**)   

x + (1-

)y 

 

 y 

Z założenia wiadomo, że  

background image

R.Rempała. Materiały dydaktyczne( 2015. Wykłady 3-4).  

 

314 

 

1. x 

 

 y 

  u(x) 

 u(y), ( z definicji u) 

2. u(

x + (1-

)y) 

 

u(x) +(1-

)u(y) 

(z wklęsłości u) 

Zatem z 1 i 2 wynika, że 

u(

x + (1-

)y) 

 

u(x) +(1-

)u(y) 

 

u(y) +(1-

)u(y) = u(y). 

Z definicji funkcji użyteczności mamy więc   

x + (1-

)y 

 

 y, co 

oznacza wypukłość  relacji  

 ”

 . 

Użyteczność krańcowa 

 

Rozważmy koszyk x = (x

1

,x

2

,...,x

m

). Załóżmy, że zmieniamy ilość i-tego 

towaru o 

i

x

. Pozostałe zawartości nie zmieniają się. Wywołuje to 

zmianę użyteczności:  u(x

1

,x

2

,. x

i

+

i

x

...,x

m

) - u(x

1

,x

2

,...,x

m

). 

 

Definicja użyteczności krańcowej 

Krańcową użytecznością i-tego towaru w koszyku x nazywamy 

pochodną cząstkową 

  

i

x

x

u

)

(

=

0

i

x

lim

i

m

2

1

m

i

i

2

1

x

)

x

,...,

x

,

x

(

u

)

x

,...,

x

x

,...

x

,

x

(

u

 

Uwaga. Można wykazać, że jeżeli u: 

 

 

   

 

 

jest rosnąca i silnie wklęsła,  

to, dla każdego x>0  

i

x

)

x

(

u

>0, i=1,2,…,n 

Komentarz. 

Krańcową użytecznością i-tego towaru w koszyku x 

informuje o ile , w przybliżeniu, zmieni się użyteczność  koszyka 

x  jeśli    ilość  i-tego      towaru  zmieni  się  o  jednostkę,  a  ilości 

pozostałych towarów nie ulegnie zmianie.

 

background image

R.Rempała. Materiały dydaktyczne( 2015. Wykłady 3-4).  

 

315 

 

Przykłady. 

1. u(x

1

,x

2

,...,x

m

) = x

1

+2x

2

+...+mx

1

x

x

u

)

(

=1, 

2

x

x

u

)

(

=2,    , 

i

x

x

u

)

(

=i,...... 

m

x

x

u

)

(

=m 

2. u(x

1

,x

2

)= 

3

2

2

1

x

x

,  

1

x

x

u

)

(

=

3

2

1

x

x

2

;   

2

x

x

u

)

(

=

2
2

2

1

x

3

x

 

Zadanie.  Wyznaczyć  użyteczność  krańcową  drugiego  dobra  w  koszyku  

x = (1,3) 

Przykład 1. 

2

x

x

u

)

(

|

(1,3)

 

= 2     Przykład 2. 

2

x

x

u

)

(

|

(1,3)

 = 1

3

3

= 27 

Użyteczność krańcowa i-tego dobra informuje w przybliżeniu jak zmienia się 

użyteczność koszyka x jeśli ilość i-tego dobra w koszyku x zmieni się o jednostkę. 

Użyteczności różniczkowalne  

Definicja. a) 

Funkcję u: 

m

R

 

R nazywamy różniczkowalną jeśli istnieją 

wszystkie pochodne  

i

x

)

x

(

u

 

i=1,2,...,m i pochodne te są funkcjami 

ciągłymi na 

m

R

b) Funkcję u: 

m

R

 

R nazywamy dwukrotnie   różniczkowalną jeżli 

istnieją wszystkie pochodne czastkowe drugiego rzędu   

j

i

2

x

x

)

x

(

u

 

(i,j=1,2,...,m) i pochodne te są funkcjami ciągłymi na 

m

R

W dalszym ciągu  będziemy zakładać, że u  

 

(

m

R

 

R). 

Przypominamy. a) Macierz drugich pochodnych  nazywamy hesjanem 

(H(x)). 

b) Z t

wierdzenia Schwarza wynika, że hesjan jest macierzą symetryczną. 

background image

R.Rempała. Materiały dydaktyczne( 2015. Wykłady 3-4).  

 

316 

 

c) Mowimy, że hesjan  jest niedodatnio (ujemnie ) określony jeśli  dla 

każdej pary koszyków x,y   

m

R

y

    mamy  

 

 

             

 

                       (*) 

d) Twierdzenie 

Sylvestera podaje warunki na spełnienie (*). 

e) 

Funkcja użyteczności u  

 

(

m

R

 

R) jest wklęsła na 

m

R

 wtedy i 

tylko wtedy gdy jej hesja H(x

) jest niedodatnio określony na 

m

R

f) Jeżeli  funkcja użyteczności u  

 

(

m

R

 

R) i jej hesjan H(x) jest  

ujemnie określony na  określony na 

m

R

, to jest ona silnie wklęsła na 

m

R

.  

( W przypadku funkcji silnie wklęsłych dla pewnych  izolowanych 

punktów hesja  nie musi być ujemnie określony). 

 

Twierdzenie 2. ( Prawo Gossena) 

Jeżeli funkcja użyteczności u  

 

(

m

R

 

R) i jej hesjan jest ujemnie 

określony na 

m

R

to  dla każdego x  

m

R

 , 

m

,...,

2

,

1

i

,

0

x

)

x

(

u

2

i

2

Dowód. Niech  

 

 

= [0,…,0,1,0,      będzie i-tym wersolem 

.

R

m

 Z 

ujemnej określoności  hesjanu  wynika, że   

 

 

H(x)

  

 

                        

 

Komentarz.  

Zauważmy, że własność ta oznacza , że użyteczność 

krańcowa i-tego towaru maleje wraz ze wzrostem ilości i-tego towaru w 

koszyku x przy ustalonych  

ilościach pozostałych towarów. 

W ekonomii  własność ta nazywa się prawem Gossena.  

Prawo to dotyczy realnych sytuacji życiowych. (Ekonomiści w tym 

kontekście  dają taki przykład:” im więcej zjedliśmy szynki ,to każdy 

dodatkowy plasterek  smakuje mniej

”).  

background image

R.Rempała. Materiały dydaktyczne( 2015. Wykłady 3-4).  

 

317 

 

W dalszych rozważaniach przyjmiemy następujące założenia o funkcji 

u

żyteczności 

 

Założenia o funkcji użyteczności     (ZoFU)  

 

Funkcja użyteczności   u    

 

(

m

R

 

R

jest rosnąca i silnie 

wklęsła  a jej hesjan h(x) jest ujemnie określony przynajmniej  na  

int 

m

R

  Do  

rozważanej klasy  funkcji użyteczności  dołączamy też funkcje 

u  

określone na  int

m

R

 

i spełniające powyższe założenia, tzn.                     

   

 

(int

m

R

 

R

, u jest rosnąca, a jej hesjan jest ujemnie 

określony. 

 

Związek krańcowej stopy substytucji z użytecznościami 

krańcowymi.  

 

P

rzykład. 

u(x

1

,x

2

) = x

2

 + 

2

1

x

 . Oblicz KSS pierwszego dobra 

przez drugie w koszyku (1,1). 

x

2

 + 

2

1

x

 = s,  s > 0  

-  

rodzina krzywych obojętności. 

Interesuje nas krzywa  obojętności z parametrem s=2. 

  x

2

 = 2-

2

1

x

,  x

2

 = g(x

1

) = 2 -

2

1

x

'

g

(x

1

) = -2x

1

,  

KSS

1,2

 =

'

g

(1) = -2

 

 

Inny sposób wyznaczania KSS, gdy x

2

 traktujemy jak 

funkcją uwikłaną zmiennej x

background image

R.Rempała. Materiały dydaktyczne( 2015. Wykłady 3-4).  

 

318 

 

u(x

1

,x

2

)= u(x

1

,g(x

1

))=2. Zatem 

1

x

x

u

)

(

+

2

x

x

u

)

(

'

g

(x

1

)=0. 

Stąd 

'

g

(x

1

)= - 

1

x

x

u

)

(

2

x

x

u

)

(

,     

1

x

x

u

)

(

=2x

1

,  

2

x

x

u

)

(

=1,  

a więc 

'

g

 (x

1

) = - 

1

x

2

1

 KSS

1,2

'

g

(1) = -2

Mamy następujące ogólne  twierdzenie 

 

Twierdzenie 3. 

Jeśli  funkcja użyteczności u spełnia założenia 

ZoFU

, to dla każdego  x

   int

m

R

spe

łniona jest równość

 

                      KSS

i,j

(x)= - 

i

x

x

u

)

(

j

x

x

u

)

(

 

 

W przykładzie dla x=(1,1) mamy:    

1

x

x

u

)

(

|

(1,1)

=

2

,                                            

2

x

x

u

)

(

|

(1,1)

=

1. 

Zatem KSS

1,2

(1,1) = - 2.

  

Komentarz.

 Definicj

ę KSS dobra i przez j określamy tak jak w 

przypadku m=2. Okazuje si

ę, że przy przyjętych założeniach  ZoFU 

istnieje takie   otoczenie  ka

żdego punktu        int

m

R

że funkcja u(x)=c, 

c=const. daje si

ę, w tym otoczeniu,  rozwikłać względem j-tej zmiennej, 

tzn. x

j  

daje si

ę zapisać jako :  

 

     

 

   

 

       

   

   

   

   

 

  dla pewnej 

r

óżniczkowalnej funkcji g. Krańcową stopę substytucji dobra i – tego 

przez j-te w koszyku

 x definiuje 

się jako: 

background image

R.Rempała. Materiały dydaktyczne( 2015. Wykłady 3-4).  

 

319 

 

KSS

i,j

(x) 

 

i

j

x

x

   

  

 

  

  

 

  

 

 

Twierdzenie 3 daje spos

ób wyznaczania KSS za pomocą 

pochodnych cz

ąstkowych. 

 

Optymalne wybory c.d. 

Twierdzenie.4.(O  je

dyności  optymalnego  wyboru)    Jeżeli 

funkcja użyteczności u:

m

R

 

R

   

jest ciągła i silnie wklęsła, to 

dla każdego dochodu d i dla każdego wektora cen p=(p

1

, p

2

,

 

 

 

) > 0 istnieje dokładnie jeden koszyk      spełniający warunek 

u(

           

dla  każdego  x  ze  zbioru  budżetowego 

wyznaczonego przez d i p.

 

 

 

 

Dowód (Podręczniki  pozycja [1]). 

Wniosek 

a) 

Z  Twierdzenia  4  wynika,  że      jest  rozwiązaniem 

następującego zadania maksymalizacji użytecznosci (ZMaxU): 

u(x)     

  max 

przy warunkach ograniczających 

d

x

p

x

p

x

p

m

m

2

2

1

1

...

x

1

,

0

  

x

2

,

0

.    ...

, x

m

.

0

 

b) W przypadku gdy dodatkowo u jest funkcja rosnącą , to 

    znajduje się na hiperpłaszczyźnie budżetowej.  

d

x

p

...

x

p

x

p

m

m

2

2

1

1

 

background image

R.Rempała. Materiały dydaktyczne( 2015. Wykłady 3-4).  

 

320 

 

x

1

,

0

  

x

2

,

0

.    ...

, x

m

.

0

 

Twierdzenie 5.  ( Warunek konieczny i dostateczny ZMaxU) 

Jeżeli funkcja użyteczności u:

m

R

 

R

   

jest rosnąca, 

różniczkowalna i silnie wklęsła na int 

m

R

, to koszyk 

   >0 jest 

rozwiązaniem ZMaxU wtedy i tylko wtedy gdy istnieje        że 

para (

       spełnia układ n+1 równań: 

 (a)                    

i

x

)

x

(

u

 

  

 

 

 =

  

 

   

i=1,2,…,m 

(b)                         

d

x

p

...

x

p

x

p

m

m

2

2

1

1

 

Dowód wynika z Twierdzenia Kuhna-Tuckera (Literatura [2] str. 

785). 

Wnioski z Twierdzenia 5.  

a)Z Twierdzenia 3 o KSS i warunku (a) Twierdzenia 5  wynika, 

że KSS

i,j

(

   = - 

i

x

)

x

(

u

 

  

 

 

 : 

j

x

)

x

(

u

 

  

 

 

 = 

 

 

 

 

 

 

 

b)  

Zauważmy, że wynik ten jest zaskakujący. Oznacza on, ze 

przy różnych funkcjach użyteczności spełniających założenia  

Tw.5 

mogą być różne koszyki optymalne przy tych samych 

cenach, 

a krańcowa stopa substytucji pozostaje taka sama. 

    KSS

i,j

 (

x

)=-p

i

/p

j

 

 c)  Stosunek 

–p

i

/p

j

 

jest stopą wymiany oferowaną przez 

rynek.  

 

background image

R.Rempała. Materiały dydaktyczne( 2015. Wykłady 3-4).  

 

321 

 

Ważny przykład. Funkcja użyteczności Cobba-Douglasa  

u(x

1

,x

2

) = x

a

1

b

2

x

  ;   a > 0,   b > 0.    

 

Rys.a=b=1/2 

 

Równoważny opis preferencji:   

1.

  u(x

1

,x

2

) = ln(x

a

1

b

2

x

) = a ln x

1

 +b ln x

2.

  u(x

1

,x

2

) = (x

a

1

b

2

x

)

b

a

1

 =

b

a

b

2

b

a

a

1

x

x

 

 

Preferencje opisane użytecznością C-D są silnie wypukłe i 

monotoniczne.  Funkcja s

pełnia też założenia Tw. 5. 

 

Optymalny wybór jest optimum wewnętrznym.

 

 

Zadanie z użytecznością C-D 

Znaleźć koszyk popytu w przypadku użyteczności C-D 

a ln x

1

 +b ln x

2

    

  max 

przy warunkach ograniczających 

d

x

p

x

p

2

2

1

1

x

1

,

0

  

x

2

,

0

.   

 

Wystarczy rozważyć koszyki dla których   

(*) KSS

1,2

(x)= -p

1

/p

2

Liczymy KSS wy

korzystując użyteczności krańcowe

 

krzywe 

obojętności 

background image

R.Rempała. Materiały dydaktyczne( 2015. Wykłady 3-4).  

 

322 

 

  

1

x

x

u

)

(

1

x

a

,   

2

x

x

u

)

(

=

2

x

b

  

 Zatem  KSS

1,2

(x)= - (

1

x

a

) / (

2

x

b

)= - 

1

2

x

b

x

a

(*) i faktu, że poszukiwany koszyk znajduje się na linii 

budżetowej wynika, że koszyk spełnia równania: 

1

2

x

b

x

a

.=

 

-p

1

/p

d

x

p

x

p

2

2

1

1

 

Po rozwiązaniu układu otrzymujemy koszyk popytu : 

)

(

b

a

a

p

d

x

1

1

   

b

a

a

d

x

p

1

1

udział wydatków na dobro 1 

)

(

b

a

b

p

d

x

2

2

     

b

a

b

d

x

p

2

2

.

udział  wydatków  na  dobro  2 

Inny sposób rozwiązania zadania z użytecznością C-D

 

Pokażemy, że jeżeli pewien koszyk 

x

=(

x

1

,

x

2

) > 0 

 (tzn. 

x

1

>0,

x

2

  >0)  i  pewna  liczba 

>  0  spełniają 

następujący układ równości: 

1

x

x

u

)

(

|

x

x

=

p

1

 

2

x

x

u

)

(

|

x

x

=

p

d

x

p

x

p

2

2

1

1

 

background image

R.Rempała. Materiały dydaktyczne( 2015. Wykłady 3-4).  

 

323 

 

to  

x

=(

x

1

,

x

2

) jest rozwiązaniem poprzedniego zadania z 

użytecznością. C-D. 

Uzasadnienie

.

1

x

a

p

1       

                  

2

x

b

=

p

2                                

               

1

2

x

b

x

a

.=

 

p

1

/p

2

 

                  

d

x

p

x

p

2

2

1

1

                         

d

x

p

x

p

2

2

1

1

 

Otrzymaliśmy  ten  sam  układ  równań,  który  wyznaczał 

koszyk 

x

 

w poprzednich rozważaniach.  

Drugi sposób rozwiązywania nazywa się metodą mnożników Lagrange’a 

 

Ćwiczenia. Zestaw 2 

1. 

Zbiór X składa się z czterech koszyków. X= {a,b,c,d}.  Sprawdź czy 

następująca relacja:  

r

def

{(a,a), (a,b), (a,d), (b,b), (b,c), (c,a), (c,c), (d,b), (d,c), (d,d)}  

a)  jest zwrotna, b)czy jest symetryczna c) czy jest  

b) 

przechodnia, d)  czy jest zupełna? 

2. 

Sprawdź czy koszyk z= (11, 32) należy do odcinka łączącego 

koszyki x=(5,20) i y=(20,50). 

3.  Czy relacja x  

 

 y 

def

x

1

+2x

2

 

y

+ 2y

2

 jest 

a) 

monotoniczna b) wypukła c) ściśle wypukła. 

Jaką funkcją użyteczności można opisać tę relację?  

Podaj równania krzywej obojętności przechodzącej przez 

(x

1

,x

2

)=(1,1). Podaj wartość krańcowej stopy substytucji dobra 1 

background image

R.Rempała. Materiały dydaktyczne( 2015. Wykłady 3-4).  

 

324 

 

przez 2 w punkcie (1,1). Wyznacz koszyk optymalny przy 

cenach (p

1

,p

2

)=(1,1) i dochodzie d=10. 

 

4.  Czy funkcje: u(x

1

, x

2

) = 2 (x

1

+2x

2

),  u(x

1

, x

2

) =log (2 x

1

+4x

2

) dla 

(x

1

,x

2

)

(0,0)  są funkcjami użyteczności opisującymi relację z 

punktu 3.  

5.  Niech u(x

1

, x

2

) = x

1

+2x

2

. Wyznacz użyteczności krańcowe dobra 1 i 

2 w punk

cie (2,1). Wykorzystując wynik podaj KSS

1,2 

 w punkcie 

(2,1).  

    6. Rozwa

żmy funkcję użyteczności  u(x

1

, x

2

) = lnx

1

+2 lnx

2

. Rozwi

ąż 

        ZMaxU traktuj

ąc ceny i dochód jako parametry. 

   7. Rozwi

ąż  zadanie 6 przy u(x

1

, x

2

) = x

1

+2 lnx

2