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效用函数

一、核心定义

效用函数(Utility Function)是将消费束映射到实数的函数 u:XR,用于表示消费者的偏好关系。对于任意两个消费束 xy:

xyu(x)u(y)

效用函数是序数(Ordinal)概念,只有排序意义,数值大小本身无实际含义。任何单调递增变换 f(u) (其中 f>0)都表示相同的偏好。

二、理论推导 / 核心逻辑

效用表示定理:若偏好关系 满足完备性、传递性和连续性,则存在连续效用函数 u 表示该偏好。

单调变换不变性:若 u(x) 表示某偏好,则对任意严格单调递增函数 f,v(x)=f(u(x)) 表示相同偏好。

例如,若 u(x1,x2)=x1x2,则以下函数表示相同偏好:

  • v(x1,x2)=ln(x1x2)=lnx1+lnx2
  • w(x1,x2)=(x1x2)2

准线性效用:形式为 u(x1,x2)=v(x1)+x2,其中 v 严格凹。特点是对商品2的边际效用恒为1。

位似效用:满足 u(tx)=tku(x) 对所有 t>0。柯布-道格拉斯效用是典型例子。

三、关键结论

  1. 效用是序数概念,只有排序意义
  2. 效用函数不唯一,单调变换保持偏好
  3. 常见效用函数形式:柯布-道格拉斯、CES、拟线性、完全替代、完全互补
  4. 效用函数的凹性反映了风险态度
  5. 边际效用递减是常见假设,但非必需
  6. 可加性效用(如 u=u1(x1)+u2(x2))意味着商品间无互补性

四、图形解释

效用函数的图形表示:

  • 三维图:在 (x1,x2,u) 空间中,效用函数是一个曲面
  • 等高线:曲面的等高线投影到 (x1,x2) 平面即为无差异曲线
  • 曲面形状:凹函数对应凸向原点的无差异曲线

不同效用函数的无差异曲线:

  • 柯布-道格拉斯:双曲线形
  • 完全替代:直线
  • 完全互补:L形
  • CES:介于直线和L形之间

五、例子(现实或数值)

例子1:柯布-道格拉斯效用

u(x1,x2)=x1αx21α,0<α<1

或对数形式: v(x1,x2)=αlnx1+(1α)lnx2

参数 α 表示对商品1的偏好强度。

例子2:CES效用

u(x1,x2)=(x1ρ+x2ρ)1/ρ,ρ1,ρ0

替代弹性 σ=11ρ:

  • ρ:完全互补 (Leontief)
  • ρ=0:柯布-道格拉斯 (取极限)
  • ρ=1:完全替代

例子3:拟线性效用

u(x1,x2)=x1+x2

对商品1边际效用递减,对商品2边际效用恒为1。常用于分析收入效应为零的情况。

数值例子: 若 u(x1,x2)=x10.6x20.4,则:

  • u(10,20)=100.6×200.413.57
  • u(20,10)=200.6×100.412.57

消费者偏好 (10,20) 胜过 (20,10)

六、相关知识

七、现实应用

  1. 需求分析:从效用函数推导需求函数
  2. 福利测度:使用补偿变化(CV)和等价变化(EV)评估政策
  3. 风险决策:冯·诺依曼-摩根斯坦效用函数分析不确定性下的选择
  4. 时间偏好:跨期效用函数分析储蓄和消费决策
  5. 实验经济学:通过选择实验估计效用函数参数

八、小结

效用函数是偏好的数值表示,为消费者理论提供了数学分析工具。效用是序数概念,函数形式不唯一。常见的效用函数(如柯布-道格拉斯、CES)具有不同的替代弹性和数学性质,适用于不同的经济分析场景。

经济学知识库