5.2. оптимизационная модель макроэкономической динамики. магистральная теория
5.2. оптимизационная модель макроэкономической динамики. магистральная теория
В качестве практического применения достаточных условий оптимальности {см. разд. 3.1) рассмотрим однопродуктовую экономическую систему, непрерывную во времени, близкую к модели Солоу—Свана [11, с. 523].
С формальной точки зрения данная модель представляет пример задачи, линейной по управлению, с ограничениями на управление. В содержательном отношении — это характерная модель экономической динамики.
Итак, пусть в экономической системе производится в единицу времени валовой продукт Х9 который в соответствии с уравнением межотраслевого баланса разделяется на две части:
Х= аХ+ У, (5.9)
где аХ — часть валового продукта, необходимая для производства (например, используется в качестве сырья или полуфабрикатов для последующего производства); 0<я<1 коэффициент прямых затрат;
Y конечный продукт, используемый в непроизводственной сфере (для обеспечения жизнедеятельности общества, создания запасов и резервов, обороны, внешней торговли, в инвестиционной деятельности и др.).
В структуре конечного продукта выделим две важнейшие составляющие:
Г=С+/, (5.10)
где С часть конечного продукта, идущая на непроизводственное текущее потребление; / часть, идущая на инвестиции.
В формуле (5.10) можно выделить и другие составляющие (например, инвестиции, идущие на развитие науки и техники и влияющие на развитие научно-технического прогресса, так называемого овеществленного), однако они не являются структурными составляющими создаваемой модели, и мы ограничиваемся формулой (5.10).
Обозначим K(i) количество основных производственных
фондов (капитал) в системе в момент /. Будем считать, что прирост капитала в единицу времени _ равен количеству инвесdt
тиций / в момент / минус их часть, идущая на амортизацию:
^ = 1<0-|*(0. (5-11)
dt
где ц коэффициент амортизации, заданное число.
Допустим, как уже отмечалось в разд. 5.1, задана отвечающая автономному НТП производственная функция
X(t) = FK(t)y L(t),t), (5.12)
где L(t) количество трудовых ресурсов в момент /.
Таким образом, в соответствии с формулами (5.9) (5.12) получаем
its
X=F{K,L,t) Y =(-а)Х = С + /; /= — + хК,
dt
откуда
(-a)F(K,Lj) = C + — + иК, dt
или
— = (l-a)F(K,L,t)-[iK-C, (5.13) dt
где L — внешний фактор, количество трудовых ресурсов, которое будем считать заданным; К — состояние; С — управление.
Формула (5.13) в соответствии с формулой (4.8) представляет уравнение процесса.
Таким образом, сущность управления отвечает принимаемому в момент / решению, какую часть конечного продукта Кследу-ет направить на текущее потребление, а какую — на инвестиции.
Продолжим формирование оптимизационной модели. С одной стороны, С > 0, а с другой —
С< Y= (1-а) Х= (-a)F(K, Ly t),
поэтому имеем ограничения на управление
0< С<(-а) F(K, U 0. (5.14)
Будем считать, что L(t) = L0ent, п — темп роста народонаселения.
В течение рассматриваемого периода времени / є [О, Т будем предполагать п = const.
Функция F(K, Ly t) имеет вид
F = F0Kayl}-aeV.
(5.15) 91
В этом случае согласно выражению (5.2) имеем дело с ПФ Кобба—Дугласа с учетом автономного научно-технического прогресса, что соответствует нормальному развитию экономики.
В результате всех проведенных выкладок имеем
= (1 -аЩКа{^т)х-а^-ііК-С dt
или
— = (1 a)F0I^a^+n &)'К« -\,К-С, (5.16) dt
где Р = 1-а.
Пусть заданы начальное и конечное условия:
K(0) = K0; K{T) = KV (5.17)
Таким образом, объединяя формулы (5.14) (5.17), получаем:
а) уравнение процесса:
= (1 a) F0lkae{p+n ^Ка-мКС; dt
б) ограничение на состояние:
K(t) > 0;
в) ограничение на управление:
0<C<(l-a)F0LPe(p+,lP)rA:a;
г) граничные условия К(0) = К0; К(Т) = Кх
д) при ограничениях п. а — г в качестве критерия оптимальности управления принимаем максимизацию дисконтированного
средневзвешенного душевого потребления в течение планового
периода Т.
т
J = J — е dt -> max,
0L
где 5=0,05—0,1 коэффициент дисконтирования, указывающий, что с возрастанием величины / степень важности потребления благ уменьшается в аспекте планирования в настоящий момент.
Теперь в виде соотношения п. а — д задача поставлена полностью.
Чтобы иметь возможность в дальнейшем сопоставлять уровни экономического развития больших и малых стран, перейдем в поставленной задаче к показателям на душу населения. Введем обозначения:
^ фондовооруженность на одного работающего; L
с = £. _ потребление на душу населения. L
Итак,
K=kL = kL0cnt; С = с^т.
— = — Utnt+kUntnt. dt dt4* ^
Соответственно ограничения п. а — г и функционал п. д преобразуются следующим образом:
а) уравнение процесса:
file
— + (я + i)k = (1 a)F0kacQt с; dt
б) ограничение на состояние:
k(t) > 0;
в) ограничение на управление:
0<c<(l-a)F0ka<?'
г) граничные условия:
А:(0) = *0; к(Т) = к{
д) функционал:
т
J =-Jce dt -» min. о
Условия п. а — д представляют задачу, линейную относительно управления с, с ограничениями на управление п. в.
Для построения «усов» y.j (t) (на рис. 4.2 и 4.3 соответствующие обозначения аД/), а2(Г), РД/), P2(f)) необходимо решить уравнение процесса п. а для вариантов
с = с{= 0 и с = с2 = (І-^/^еР'.
Если с = Ср получаем нелинейное дифференциальное уравнение Бернулли
+ (n + ii)k = (-a)F0eVka. <5-18) dt
Его линеаризация осуществляется посредством следующей подстановки:
,1-а_7. . _ ,1/1-а. dk _ 1 щ-сГ1 Ф _ 1 _al-gdz (5.19)
t/r 1-а dt 1-а t/r
Выражения (5.19) подставляем в уравнение (5.18) и после сокращения на zan~a получаем относительно / линейное неоднородное дифференциальное уравнение первого порядка:
+ (1 а)(п + i)z = (1 а)(1 a)F0epr. (5.20) dt
Общее решение неоднородного уравнения (5.20) zOH состоит из суммы общего решения однородного уравнения zOQ и частного решения неоднородного уравнения z4H:
*<ж = *оо+*,н(5-21)
Для нахождения общего решения однородного уравнения составляем характеристическое уравнение типа (1.7):
х+ (-а)(п + ц) = 0, (5.22)
откуда
х = (-а)(п + ц).
Общее решение однородного уравнения (5.21) имеет вид
где с, произвольная постоянная интегрирования.
В соответствии с видом правой части уравнения (5.20) частное решение неоднородного уравнения ищем в виде
гчн = ЛеР', <5-24>
где А — искомая величина, подлежащая определению.
Подставляем выражение (5.24) в уравнение (5.20), сокращаем слагаемые в левой и правой частях на ер/ и получаем
д_ (l-g)(l-fl)F0 (5.25) р + (1-а)(п + ц)'
Используя формулы (5.21), (5.23) (5.25), получаем общее решение неоднородного уравнения:
z(/) = ce(1_a)(n+fl)f | (l-a)(l-fl)^o ср/ (5.26)
1 p + (l-a)(/i + ji)
Согласно выражениям (5.19) и (5.26) формула для фондовооруженности имеет вид
£(r) = zl/l-a = [с е-(1-а)(/і+ц)/ + (1-СХ)(1-д)/Ч) £pf ji/i-a (5 27)
1 p + (l-a)(/i + ji)
Обратим внимание, что при / -> «> (асимптотическое поведение) при любом значении с, первое слагаемое в формуле (5.27) стремится к нулю, а второе к бесконечности. Из начального условия к(0) = к0 определяем с, и тем самым получаем уравнение кривой Yio(0Заметим, что аналитическое вычисление произвольной постоянной интегрирования с, вряд ли возможно, но численным методом сх можно рассчитать с приемлемой точностью.
Аналогичным образом с, определяем из конечного условия к(Т) = кх и тем самым получаем уравнение «уса» Уц(0Для построения «усов» у20(0 и y2I(/) подставим в уравнение процесса п. а
с= с2 = (-a)F0 AW
и получим дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными
^ + (« + й)А = 0. (5-28) dt
Его общее решение
*(0 = с3е-<я+«'. <529)
Значение произвольной постоянной с3 вычислим два раза, исходя из условий
к(0) = к0 и к(7) = к{у
при этом k(t) определяется по формуле (5.29). В конечном итоге будем иметь:
ї2о(0 = ^0е"(Л+и)г; Y2i =*іе(я+цХ7,'/)(5,30)
Теперь перейдем к построению функции R(t,k). Согласно формулам (4.35), (4.37) и условиям задачи п. а д имеем:
P = -(„+^)* + (l-a)F0*aep'; Q =-1; ^о=0; Qo=-e"5'Подставляя последние два выражения в формулу (4.43), получаем
(e) Q («О = [-(8 + п + і)к + (1 a)F0*aep' ]е~Ы.
Максимизация функции R(t,k) осуществляется по к при фиксированном значении t є (0,7), поэтому множитель е~б/> 0 при фиксированном значении t можно опустить и рассматривать функцию
Rx (t ,к) = -(8 + п + л)к + (1 a)F0*aep'. <5-32)
Формула (5.32) состоит из двух слагаемых:
линейной части
-(8 + n + i)k = R\
нелинейной части
(l-a)F0kacpt =Яр Их графики и сумма показаны на рис. 5.3.
В точке Ц = о. В ней достигается единственный
безусловный максимум функции Rx(tyk). Проведем соответствующие вычисления:
dR(t,k) Л, п ,
—= -(6+п + ц) + (1 a) F0 е р/ ак а~1 = О, ок
откуда
где р = 1-а.
£(Г)-[(8 + /| + 'А)е Р/]1/<*-1 _[(1-Д)^0а]1/Зсв'
(l-a)F0a 5 + п + ц
(5.33)
Определенную по формуле (5.33) функцию k(t) называют уравнением магистрали.
Магистраль — это такая зависимость k(t), по которой шло бы развитие фондовооруженности при отсутствии ограничений на душевое потребление. Согласно формуле (4.35) функция k{t) играет роль управления.
Магистраль представляет собой равномерный рост фондовооруженности с темпом р/р. В частности, если НТП отсутствует, т.е. р = 0, k(t) = const.
Определим, чему равно на магистрали управление (душевое потребление). Из уравнения процесса п. а имеем
с = (1 -a)F0*V — -(п + Ю*. <5-34)
dk
Подставляя в формулу (5.34) вместо к значение (5.33),
получаем
S + n+l & + n + l кэ.ээ)
_£[(1-^]1/р_(п+ц)[(1-£)^]1/Р}
P O + n+ll 8 + /2+Ц
Как видно из формулы (5.35), на магистрали относительное душевое потребление растет с тем же темпом р/р, что и фондовооруженность. Если р=0 (нет НТП), душевое потребление на магистрали с = const.
Аналитический вид функции /:*(/) задается формулой
у10(0, 0</<г,; ic(t), r,<r<r2; у21(0. t2<t<T.
(5.36)
Функция оптимального душевого потребления с*(0 имеет вид
с*(г) =
О, 0<г<г,;
с(0, h <t<t2
(l-<z)F0ep', t2<t<T.
(5.37)
Если магистраль проходит выше начального условия к0 и ниже конечного kv а именно этот случай содержательно наиболее интересен, то оптимальный режим управления экономикой заключается в следующем: сначала максимально развиваются производственные фонды (капитал), а потребление равно нулю, форсированно доходим до магистрали в момент Г,. Далее до момента t2 развитие идет по магистрали: с постоянным темпом (формула (5.34)) растут потребление и фондовооруженность. При t2< t < Т весь конечный продукт может тратиться на потребление. Читателю предлагается самостоятельно рассмотреть случаи к0>к(0)ик{ >к(Т).
Глядя на рис. 5.4, можно образно представить суть магистрали и магистрального функционирования экономики. Допустим, мы находимся в начальном пункте к0 и нам нужно на автомобиле переехать в конечный пункт к{. Неподалеку от к0 проходит автотрасса — аналог в данном случае магистрали. Мы оптимальным образом от к0 по местной дороге у10 доезжаем до автотрассы, далее в момент t{ выезжаем на магистраль и едем по ней до момента /2, после чего съезжаем с магистрали и по местной дороге у21 добираемся до конечного пункта к{. Эта интерпретация дает интуитивное представление об оптимальном развитии экономики.
Экспериментальные расчеты по оценке оптимального развития США за 22 года (1947-1968 гг.) на примерах внутренней частной и несельскохозяйственной экономики были проведены согласно изложенной методике и отражены в [12, разд. 6.3,
с. 151-199].
Результаты расчетов отличаются от реального развития экономики США за этот период, но на качественном уровне их можно считать приемлемыми. Расчетные данные оказались примерно в 2 раза более оптимистичными, чем фактические. Это объясняется, по-видимому, не вполне точным совпадением фактических и расчетных данных, касающихся принятых в модели показателей, прежде всего качественной оценки производственных функций и средств описания НТП.
Вопросы для самопроверки
Как определяется производственная функция (ПФ)?
Какие свойства имеет ПФ? Объясните их экономический смысл.
Что такое автономный научно-технический прогресс (НТП) и как он отражается в ПФ?
Каковы достоинства и недостатки автономного НТП?
В чем проявляется нелинейность рассмотренной в настоящем разделе задачи? Как она преодолевается?
Как определяется магистраль? Почему она так называется?
Каковы свойства развития экономики на магистрали?
Как представляется качественное развитие экономики при переключении режимов с ограничения на магистраль и обратно?
В чем, по вашему мнению, заключаются трудности использования на практике моделей магистрального типа?
10. По каким исходным данным строятся ПФ?
Обсуждение Оптимальное управление в экономике: теория и приложения
Комментарии, рецензии и отзывы