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范里安高级微观经济分析第1章技术(含习题解答)_曹乾高级微观经济学27讲.pdf

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'范里安《微观经济分析》(第3版)曹乾高级微观经济学27讲第1讲:技术曹乾(东南大学caoqianseu@163.com)MicroeconomicAnalysis(3e)微观经济分析(第3版)范里安(著)曹乾(译)(密歇根大学安娜堡)(东南大学南京)第1章技术(含全部习题解答)东大青椒工作室制作曹乾(东南大学caoqianseu@163.com)1东大青椒工作室制作 范里安《微观经济分析》(第3版)1技术刻画厂商技术最简单和最常见方法是生产函数,中级微观经济学课程中一般已研究生产函数。然而,刻画厂商的技术还有另外一些方法,这些方法在某些场景下更一般而且更有用。本章我们将讨论几种表示厂商成产可能性的方法,以及用经济学的语言描述与厂商技术相关的问题。1.1投入与产出的衡量厂商使用各种投入的组合生产产出。为了研究厂商的选择,我们需要一种概括厂商生产可能性的简便方法,即哪种投入和产出的组合在技术上是可行的。用流量..(flows)衡量投入和产出通常最令人满意:单位时段的一定数量的投入被用于生产单位时段的一定数量的产出。在描述投入和产出时,最好说明时间尺度。如果你这么做,你就不大可能犯诸如以下的低级错误:使用了不可比较的单位;混淆了存量和流量;等等。例如,如果我们用每周多少小时计量劳动时间,我们要保证资本运行时间也用每周多少小时衡量,产量用每周多少单位衡量。然而,当我们抽象地讨论技术选择时,比如本章,我们通常省略时间尺度。我们可能还希望按以下几个方面区分投入和产出:何时得到它们的;何地得到它们的;甚至在什么样的环境下才能得到它们。使用何时和何地修饰投入和产出,我们可以描述生产的时间或空间性质。例如,某既定年份得到的混粘土可用于建筑某幢大楼,这幢大楼将于下一年完工。类似地,在某地点购买的混凝土可用于其它地点的建筑施工。“混凝土”这种投入应被认为是某特定等级、在某特定地点和特定时间得到的混凝土。在有些情形下,我们甚至需要把上述限定条件再加上诸如“如果气候干燥”这样的条件,也就是是说,我们可能考虑混凝土是在什么样的环境或者自然状态下得到的。至于应该对投入和产出描述到什么样的细致程度,取决于我们具体研究的问题,但是我们应该意识到,如果需要,我们就能将某特定投入和产出描述得非常详尽。1.2对技术的说明i假设厂商有n种可能的商品,这n种商品可以被用作投入和/或产出。如果某厂商使用yjooi单位的商品j作为投入,生产y单位的产出,则商品j的净产出(netout)为y=y-y。j...jjj如果商品j的净产出为正,则表明厂商正在生产的商品j的数量多于将其用作投入品的数量;如果净产出为负,则表明厂商正在使用商品j作为投入品的数量多于他生产的该商品数量。n一个生产方案......(Aproductionplan)就是一组不同商品的净产出数值。我们可以用R中的向量y表示某个生产方案,其中:y为负若商品j是净投入,y为正若商品j是净产出。jj所有技术上可行的生产方案组成的集合称为厂商的生产可能集.....(productionpossibilitiesnset),我们用R中的子集Y表示。集合Y描述了投入和产出的所有技术上可行的模式。生曹乾(东南大学caoqianseu@163.com)2东大青椒工作室制作 范里安《微观经济分析》(第3版)产可能集Y完整地描述了厂商面对的技术可行性。当我们研究处于某特定经济环境下厂商的行为时,我们希望将生产方案区分为“立即可行”的方案和“最终可行”的方案。例如,在短期(shortrun),厂商的某些投入是固定不变的,因此,只有与这些固定投入要素相容的方案才是可行的。在长期(longrun),这些固定投入是可变的,因此商场的技术可能性也可能改变。n我们一般假设上述限制可用R中的向量z表示。例如,向量z是某特定时期下的一组各种投入和产出的最大数值。受限的生产可能集或称短期生产可能集用Y(z)表示;该集合由所有满足约束条件z的可行净产出束(netoutputbundles)组成。例如,假设要素n在短期的数量固定为y,则Y(y)={Y中的y:y=y}。注意,Y(z)是Y的子集,这是因为Ynnnn包含了所有生产可行方案,这意味着Y(z)包含在Y中而且Y(z)还要满足某些额外条件。例子:必要投入集假设我们要研究的厂商只生产一种产品。在这种情形下,我们将净产出束写为(y,-x),其中x为生产y单位产品的投入向量。这样,我们可以定义一种特殊的受限生产可能集,即必要投入集(inputrequirementset):nV(y)={R中的x(:y,-x)在Y中}+必要投入集是能至少生产y单位产出的所有投入束组成的集合。..注意,此处定义的投入必要集中,投入用正数表示,而在生产可能集中我们用负数表示净投入。例子:等产量集根据前面的例子,我们可以定义一个等产量集:nQ(y)={R中的x:x在V(y)中但不在V(y¢)中,其中y¢>y}+等产量集由恰好生产y单位产出的所有投入束组成。例子:短期生产可能集假设某企业使用劳动以及某类机器(我们将其称为“资本”)生产某些产出。于是,生产方案为(y,-,1-k),其中:y为产出水平,1为劳动投入两,k为资本投入量。假设在短期,劳动可以立即改变但资本固定在水平k。则Y(k)={Y中的(y,-,1-k:)k=k}就是短期生产可能的一个例子。例子:生产函数如果厂商只有一种产出,我们可以将生产函数定义为f(x)={R中的y:y是与-x关联的最大产出,其中y和-x都在Y中}.曹乾(东南大学caoqianseu@163.com)3东大青椒工作室制作 范里安《微观经济分析》(第3版)例子:转换函数类比一元生产函数,我们可以定义n-维“生产函数”,这个函数在研究一般均衡理论时将非常有用。Y中的某个生产方案y是有效率的(efficient),如果我们无法在Y中找到y¢(y¢¹y)使得y¢³y成立;也即是说如果对于某生产方案来说,已无法使用相同的投入生产更多的产出,或者已无法使用更少的投入生产相同的产出,则该生产方案是有效率的。(仔细注意投入的符号规则)。我们通常假设可将技术上有效率的生产方案用某个转换函数n(transformationfunction)T:R®R表示,其中T(y)=0当且仅当y是有效率的。正如生产函数选取最大的标量产出(scalaroutput)作为投入的生产函数一样,转换函数选取的是最大的净产出向量。例子:柯布-道格拉斯技术令参数a满足0,0b>0,则里昂惕夫(Leontief)技术可用以下各种方式定义。请见图1.1B。曹乾(东南大学caoqianseu@163.com)4东大青椒工作室制作 范里安《微观经济分析》(第3版)3Y={R中的(y,-x,-x):y£min{ax,bx}}12122V(y)={R中的(x,x:)y£min{ax,bx}}+12122Q(y)={R中的(x,x:)y=min{ax,bx}}+1212T(y,x,x)=y-min{ax,bx}1212f(x,x)=min{ax,bx}1212在本章,我们主要分析只生产一种产出的厂商;因此,我们通常用必要投入集或生产函数描述它们的生产技术。以后我们再使用生产集和转换函数。1.3生产技术分析描述生产或必要生产集的最简单的方法,就是列举各种可行的生产方案。例如,假设我们可用要素1和2生产一种产品。生产方法有两种不同的途径..(activities)或技术..(techniques):技术A:一单位要素1和两单位要素2能产出一单位产品。技术B:两单位要素1和一单位要素2能产出一单位产品。令产出为商品1,投入要素为商品2和3,则我们可以将上述两种技术暗含的生产可能性用下列生产集表示Y={(,1-,1-2),,1(-,2-1)}或用下列必要投入集表示..V)1(={(2,1),1,2()}.该必要投入集请见图1.2A。在生产y单位产出时,有可能出现下面的情形,即每种要素的投入量恰好是生产一单位产出所需要素的y倍,其中y=1,2…。在这种情形下,你可能会认为生产y单位产出的所有可行方法的集合为V(y)={(y2,y),2(y,y)}.但是,上述集合漏掉了部分可行生产方法。的确,若使用技术A,则(y2,y)能生产y单位的产出;若使用技术B,则2(y,y)也能生产y单位产出。但是,你忘了我们还可以同时使用这两种方法进行生产。在这种情形下,为避免混淆,我们使用y表示技术A的产量,y表示技术B的产量。AB于是V(y)可用下列集合表示V(y)={(y+2y),(y+2y:)y=y+y}.ABBAAB曹乾(东南大学caoqianseu@163.com)5东大青椒工作室制作 范里安《微观经济分析》(第3版)因此,例如V)2(={(4,2),2,4(),3,3()},如图1.2B所示。注意投入束)3,3(也能生产两单位产出:技术A生产了一单位,技术B生产了一单位。图1.2:必要投入集必要投入集。A图表示V(1);B图表示V(2);C图表示V(y),其中y为更大的产量。1.4单调的技术我们继续分析上一节介绍的两种生产技术的例子。假设我们有个投入向量(3,2)。它足以生产一单位产出吗?我们可能认为,既然可以去掉2单位要素1,这样只剩下(1,2),因此技术A可确保(3,2)能成产一单位产出。所以,如果允许这样的自由取舍....(freedisposal),则当然可以认为:如果投入向量x是能生产y单位产出的一种可行方法,并且投入向量x¢中的每种投入都至少和x一样多,则x¢也是生产y单位产出的可行方法。因此,必要投入集在下列意义上是单调的...(monotonic):单调性(monotonicity)。若x在V(y)中且x¢³x,则x¢也在V(y)中。............如果我们假设了单调性,则图1.2中的必要投入集现在变为图1.3中的相应集合。图1.3:单调性单调性。在单调性假设下,图1.2中的必要投入集就相应呈现上图的形状。单调性对于生产集来说通常是个合适的假设。在生产集中,我们通常假设如果y在Y中而且若y¢£y,则y¢必定也在Y中。提醒你注意此处的符号规则。y¢£y表示向量y¢的每个分量都小于或等于向量y的相应分量。这意味着与y代表的生产方案相比,y¢代表的生产方案使用至少一样多的所有各种投入,但生产出的产量相同或者更少。因此,自然可以曹乾(东南大学caoqianseu@163.com)6东大青椒工作室制作 范里安《微观经济分析》(第3版)假设如果y可行,则y¢也可行。1.5凸的技术现在我们考虑如果生产100单位的产出,必要投入集将会呈现什么样的形状。作为第一步,我们可能认为若我们将向量(1,2)和(2,1)乘以标量100,我们应该能复制(replicate)..前面介绍的两种技术,因此可以生产100倍得产量。显然不是所有的生产过程都能允许这样的复制,但是在很多环境下,复制似乎是合理的。如果上述复制可行,我们可以断言(100,200)和(200,100)都在V(100)中。还有没其他可能方式来生产100单位产出?有,我们可以将技术A和B各复制50次,即使用150单位要素1和150单位要素2生产100单位产出;因此,(150,150)也应该在必要投入集之中。类似地,我们可以将技术A复制25次将技术B复制75次。这意味着.025(100,200)+.075(200,100)=(175,125)应该在V(100)中。更一般地,t(100,200)+1(-t)(200,100)=(100t+2001(-t),200t+1001(-t))应该也在V(100)中,其中t=.0,001.0,02,...,.1我们不妨作出明显近似处理,令t取闭区间[0,1]内的任何小数,则可以得到图1.4A形状的生产集。下一个定义准确介绍了这个性质:凸性(Convexity)。若若若x和和和x¢都在V(y)中中中,中,,,则则则则tx+1(-t)x¢也在V(y)中中中,中,,,其中其中0£t£1。。。..也就是说V(y)是个凸集(((convexset)))。)图图图1.4:::凸的必要投入集:凸的必要投入集。如果x和x¢都可以生产y单位产出,则任何加权平均tx+1(-t)x¢也能生产y单位产出。图A中的凸必要投入集是两种生产技术下的情形;图B中的凸必要投入集是很多种生产技术下的情形。生产技术可以复制驱使我们作出凸性的假设。如果我们想生产“大量的”产出,并且如果我们可以复制“小的”生产过程,那么假设技术为凸就比较合理。然而,如果生产技术的规模相对很大,而想要生产的产量却相对较小,那么这种情形下再假设技术为凸就不合理了。然而,我们还有其他的理由说明为何凸性在某些环境下是合理的假设。例如,假设我曹乾(东南大学caoqianseu@163.com)7东大青椒工作室制作 范里安《微观经济分析》(第3版)们考虑的是每月的产出。如果一个投入向量x生产y单位的产生每月,另外一个向量x¢也可以生产y单位的产出每月,则我们可以用x和x¢各生产半个月。如果转换生产方法不会产生任何问题,我们有理由认为产出为y单位。我们曾将上述论断应用于必要投入集,但类似的论断也可以用于生产集。通常可以假设y和y¢都在Y中,则ty+1(-t)y¢也在Y中,其中0£t£1;换句话说,Y是一个凸集。然而,需要指出的是,与假设必要投入集为凸相比,假设生产集为凸的问题更大些。例如,凸生产集排除了“启动成本”(startupcosts)和其他形式的规模报酬。我们稍后会更详细地分析这个问题。现在我们只简单描述V(y)的凸性、生产函数的曲率和Y的凸性之间的一些关系。定理(凸生产集蕴涵着凸必要投入集集集):::若生产集:若生产集Y是一个凸集,,,则与其相关的,则与其相关的必要投入集V(y),,,也是一个凸集,也是一个凸集。。。证明。若Y是个凸集,这意味着对于任何x和x¢,只要(y,-x)和(y,-x¢)都在Y中,则(ty+1(-t)y,-tx-1(-t)x¢)必然也在Y中。这只是要求(y,-(tx+1(-t)x¢))也在Y中。由此可见,若x和x¢都在V(y)中,则tx+1(-t)x¢也在V(y)中,这表明V(y)是凸集。■定理(((凸必要投入集等价于拟凹生产函数(凸必要投入集等价于拟凹生产函数):V(y)是一个凸集当且仅当生产集f(x)是一个拟凹函数。。。证明。V(y)={x:f(x)³y},这正好是f(x)的上等高集上等高集(uppercontourset)。但一个函数....是拟凹的当且仅当它又一个凸的上等高集;参见第27章拟凹函数和拟凸函数那一节。■1.6正则技术最后我们考虑关于V(y)的一种弱正则条件(aweakregularitycondition)。正则性。。。V(y)对于所有y³0来说是闭的非空集合。。。V(y)是非空的这个假设,要求对于任何既定的产出水平都有法生产。这个要求只是想避免每次都需要强调“假设y能够被生产出。”作出V(y)是闭的这个假设是基于技术原因,在多数情形下这个假设是合理的。假设nV(y)为闭的一种解释是:假设我们的投入束序列(x)中每一个投入束都可以生产y单位产00出,而且这个序列收敛于投入束x。也就是说,这个序列中的投入束无限接近于x。若V(y)0是一个闭集则该极限投入束x必然能成产出y。大致来说,必要投入集必定“包含自身的边界。”1.7技术的参数表示假设我们有很多种方法生产某既定产出水平。则我们自然可以将这个投入集用图1.5中的“平滑的”投入集表示。也就是说我们想用良好的曲线拟合穿过可能生产点的曲线。如果生产既定产量产出的方法的确有很多,则这样的平滑化的过程就不会带来比较大的问题。曹乾(东南大学caoqianseu@163.com)8东大青椒工作室制作 范里安《微观经济分析》(第3版)图1.5:将等产量线平滑化。一个必要投入集及其“平滑”近似。如果我们用这样的近似去“光滑”必要投入集,自然我们想寻求表示技术的一种简便方法,即带有若干未知参数的参数方程。例如,前面提到过的柯布-道格拉斯技术蕴涵着,ab满足xx³y的任何投入束(x,x)都能生产至少y单位的产量。1212你不应该将这些参数技术表示仅看作为生产可能性的文字描述。生产可能性是描述实际生产方案的工程数据。这些工程数据完全有可能用比较方便的函数形式比如柯布-道格拉斯函数表述。如果行得通,这样的参数描述将会非常有用。在绝大多数应用中,我们只关心是在某些特定投入和产出水平范围内,能否找到对某技术的参数化描述,而且通常用相对简单形式的函数去做参数化近似。这些参数化表示是非常简便的教学工具,因此我们通常假设我们的技术能用这样的参数表示。这样,我们就可以使用微积分和代数工具区分析企业的生产选择决策。1.8技术替代率假设我们的技术可以用一个平滑的生产函数表示,而且我们在某个特定点***y=f(x,x)进行生产。假设为维持产量水平不变,我们想增加要素1的投入量减少要素122的投入量。我们如何确定这两种要素之间的技术替代率.....(technicalrateofsubstitution,TRS)?在二维情形下,技术替代率就是等产量线的斜率:当x微小变动时,你应该怎样调整1x才能使产量不变,如图1.6所示。在n维情形下,技术替代率是等产量面在特定方向上的2斜率。令x(x)表示隐函数,这个函数告诉我们如果我们投入x单位要素1,则还需要投入多211少x才能生产y单位产量。于是根据定义可知,函数x(x)必定满足下列不等式221f(x,x(x))ºy121*我们想要的是¶x(x/)¶x的表达式。对上式微分可得211曹乾(东南大学caoqianseu@163.com)9东大青椒工作室制作 范里安《微观经济分析》(第3版)***¶x(x)¶x(x)¶x(x)2221+¶x¶x¶x111**¶x(x)¶f(x/)¶x211=-.*¶x¶f(x/)¶x12***其中x=(x,x(x))。121这样我们就得到了技术替代率的显性表达式。图图图1.6:::技术替代率:技术替代率。技术替代率衡量当一种投入变动时,我们必须如何调整另外一种投入才能使产量不变。下面我们介绍推导技术替代率的另外一种方法。考虑投入向量的在投入水平上的(微小)变化,我们将其记为dx=(dx,dx)。相应的产出变化近似为12¶f¶fdy=dx+dx.12¶x¶x12上述表达式称为函数f(x)的全微分。考虑只有要素1和要素2变动的这种特殊情形,而且要素投入量的这种变动不会改变产量大小。也就是说,dx和dx“沿着等产量线”调整。12由于产量维持不变,可得¶f¶f0=dx+dx,12¶x¶x12从该式可以解得dx¶f/¶x21=-.dx¶f/¶x12在计算技术替代率时,我们可以使用隐函数的方法,也可以使用全微分的方法。隐函数的方法相对严格一些,但是全微分的方法可能相对直观。例子:柯布-道格拉斯的技术替代率曹乾(东南大学caoqianseu@163.com)10东大青椒工作室制作 范里安《微观经济分析》(第3版)a1-a给定函数f(x,x)=xx,求导可得1212¶f(x)a-11-ax21-a=axx=a[]12¶xx11¶f(x)a-ax1a=1(-a)xx=1(-a)[].12¶xx22由此可得¶x(x)¶f/¶xax2112=-=-.¶x¶f/¶x1-ax1211.9替代弹性技术替代率衡量无差异曲线的斜率。替代弹性衡量等产量线的曲率。更具体地说,替代弹性衡量在产量维持不变的情形下,要素投入比率的变动百分比除以TRS变动百分比。如果令D(x/x)表示要素投入比率的变动,令DTRS表示技术替代率的变动,我们可以将替21代弹性表达为D(x/x)21x/x21s=DTRSTRS这是曲率的相对自然的衡量方法:它问的是当等产量线的斜率变动时,要素投入比率如何变动。如果斜率的较小变动引起要素投入比率相对较大的变动,则等产量是相对平坦的——替代弹性较大。在实践中,我们可以将变动百分比想象为非常小,并对上述表达式求当DTRS趋于0时的极限。因此,替代弹性s的表达式变为TRSd(x/x)21s=.(x/x)dTRS21用对数形式的导数计算替代弹性通常比较方便。一般来说,若y=g(x),则y对于x的弹性是指x的(微小)变动百分比引起的y变动的百分比。dy/ydyxe==.dx/xdxy如果x和y均为正,则这个导数可以写为dlnye=,dlnx下面证明这个结论。由链式法则可知曹乾(东南大学caoqianseu@163.com)11东大青椒工作室制作 范里安《微观经济分析》(第3版)dlnydlnxdlny=.dlnxdxdx将等式左右两端的项分别计算可得dlny11dy=,dlnxxydxdlnyxdy=。dlnxydx另外一种证明方法是使用全微分:1dlny=dyy1dlnx=dx,x因此dlnydyxe=º.dlnxdxy同样,第一种方法比较严格,但第二种方法比较直观。将上述表达式应用于替代弹性可得dln(x/x)21s=.dlnTRS(分母中的绝对值符号是将TRS转换为正数,从而使取对数有意义。)例子:柯布-道格拉斯生产函数的替代弹性我们已经知道ax2TRS=-121-ax1或xa2=-TRS12x1-a1由此可得x1-a2ln=ln+lnTRS.12xa1这又意味着曹乾(东南大学caoqianseu@163.com)12东大青椒工作室制作 范里安《微观经济分析》(第3版)dln(x/x)21s==1.dlnTRS1.10规模报酬假设我们使用某个投入向量x生产某既定的产量y,现在我们决定将所有投入按比例同时增加或减少,使其变为原来的t倍,产量将怎样变化?在前面的情形中,我们只希望产量等比例增加(scaleup),我们通常假设只要将以前的..生产模式复制,就能生产出t倍的产量。如果这种等比例增加总是可行,我们说生产技术呈现规模报酬不变......(constantreturnstoscale)的现象。更正式地,定义(((规模报酬不变(规模报酬不变):某生产技术呈现规模报酬不变的现象,,,若它满足下列条件,若它满足下列条件:::(((1)))y在在在Y中蕴涵着ty也在Y中中中,中,,,其中其中t³0;;;(((2)))x在在在V(y)中蕴涵着tx在在在V(ty)中中中,中,,,其中其中t³0;;;(((3)))f(tx)=tf(x),,,其中,其中t³0;;;即生产函数是;即生产函数是f(x)是一阶齐次函数。。。上述技术可以复制的论断表明,规模报酬不变通常是对技术的一种合理假设。然而,在某些情形下,再假设规模报酬不变就不合理了。例如,当我们试图“细分”(subdivide)生产过程时,规模报酬不变的假设就不再成立。即使我们能将生产过程以整数倍复制,但可能无法做到将生产过程细分n倍。例如,某种生产技术可能存在最小生产规模,如果产量低于该最小生产规模,可能需要使用不同的技术。一旦产量超过最小生产规模,我们就可以复制这种生产技术生产更多的产量。规模报酬不变假设不再合理的另外一种情形是,当生产过程复制的倍数不是整数时。当然,前面所说的整数倍的复制很简单,如果我们要复制1.5倍,应该怎么做?这两种情形下,只有当生产规模相对于最小产出规模比较小时,规模报酬不变的假设才不合理。规模报酬不变假设不合理的第三种情形是,当所有投入都翻倍,但此时出现了更有效率的生产方法。复制是说将投入翻倍产出也翻倍,但也有可能存在生产更多产量的方法。例如,某企业在两点之间铺设油管,使用的投入为劳动、及其设备和钢材。我们可以使用油管线路的运输能力作为该企业的产出。显然如果我们将所有投入翻一番,则产量将不止翻一番,(一)因为油管的表面积变为原来的2倍,则体积变为原来的4倍。在这种情形下,产量增加的倍数超过投入增加的倍数,我们说这样的技术是规模报酬递增......的(increasingreturnstoscale)。定义(((规模报酬递增(规模报酬递增):若若若f(tx)>tf(x)(((其中(其中t>1),则该技术是规模报酬递增的。。。规模报酬假设不合理的第四种情形是有些产出是不能复制的。例如,考虑某100亩农田。..(一)当然,体积更大的油管更难制造,因此我们不需要认为产量一定恰好变为原来的4倍。但是,产量很有可能大于原来的2倍。曹乾(东南大学caoqianseu@163.com)13东大青椒工作室制作 范里安《微观经济分析》(第3版)如果我们希望产量变为原来的2倍,则每种要素投入量也要变为原来的2倍。但这意味着土地面积也应变为原来的2倍。在这种情形下,可能我们无法得到那么大的土地面积。尽管所所所.有有有投入增加相同比例,技术可能会呈现规模报酬不变的特征,但是这种情形下,我们通常说,.对于受限制的投入来说,技术呈现规模报酬递减(decreasingreturntoscale)的特征。更.........准确地说,我们有:定义(规模报酬递减):若若若若若f(tx)1),则该技术是规模报酬递减的的的。的规模报酬递减的最自然情形是我们无法复制某些投入。因此,我们应该预期受限(restricted)生产集通常会具有规模报酬递减的特征。可以证明,规模报酬递减总是由于某些投入是固定不变而引起的。为证明这个结论,假设f(x)是k种要素的生产函数,并且具有规模报酬递减的性质。那么,我们可以引入一种新的“虚构的”投入,用z表示它的投入数量。定义一个新的生产函数F(z,x)=zf(x/z).注意,函数F具有规模报酬不变性质。如果我们将所有投入(x和z)同乘以t³0,则产量也变为原来的t倍。如果我们将z固定为1,此时的技术和以前一样(即F(x)=f(x)),因此,我们可以认为原来的规模报酬递减技术f(x),是由对规模报酬不变的技术F(z,x)施加z=1的这个限制而得到的。最后,需要指出,前面介绍的几种规模报酬在本质上是全局(global)性质的,比如在定义域内技术为规模报酬不变的,等等。但是很有可能出现下列现象:某种技术对于某些x值来说是规模报酬递增的,但对另外一些x值来说又是规模报酬递减的。因此,在很多情形下,刻画规模报酬的局部(local)性质就比较有用。规模弹性....(elasticityofscale)衡量所有投入同时增加1%(即由于规模增加)引起的产量增加百分比。..令y=f(x)表示生产函数,t为一个正的标量。考虑函数y(t)=f(tx)。若t=1,则生产模就是我们当前的生产规模;若t>1,则我们将所有投入都增加为原来的t倍;若t<1,则所有投入都减少为原来的t倍。规模弹性的表达式为dy(t)y(t)e(x)=dtt将上式变形并计算t=1时的数值可得dy(t)tdf(tx)te(x)==.t=1t=1y(t)ydtf(tx)注意,在计算点x的规模弹性时,我们必须计算该表达式在t=1时的数值。当e(x)大于、等于或小于1时,我们说技术分别呈现规模报酬局部递增、局部不变或局部递减的性质。例子:规模报酬和柯布-道格拉斯技术曹乾(东南大学caoqianseu@163.com)14东大青椒工作室制作 范里安《微观经济分析》(第3版)ababa+baba+b假设y=xx。则f(tx,tx)=(tx)(tx)=txx=tf(x,x)。因此1212121212f(tx,tx)=tf(x,x)当且仅当a+b=1时。类似地,a+b>1意味着规模报酬递增,1212a+b<1意味着规模报酬递减。事实上,柯布-道格拉斯技术的规模弹性恰好为a+b。为了证明这一点,我们应用规模弹性的定义:aba+babd(tx1)(tx2)dtx1x2a+b-1ab==(a+b)txx.12dtdtab计算t=1时的数值,再除以f(x,x)=xx即可得到我们想要的结果。12121.11齐次技术和位似技术k函数f(x)称为k次齐次的,若f(tx)=tf(x)对于所有t>0成立。经济学中最重要的齐次函数是零次齐次和一次齐次的。零次齐次函数具有f(tx)=f(x)的性质,而一次齐次函数则具有f(tx)=tf(x)的性质。将一次齐次函数的定义与规模报酬不变的定义相比较可知,某技术是规模报酬不变的当且仅当它的生产函数是一次齐次的。函数g:R®R称为正单调变换.....(positivemonotonictransformation)若g是一个严格递增的函数;也就是说,对于该函数来说x>y蕴涵着g(x)>g(y)。(正单调变换还是负单调变换可从上下文判断出)。位似函数....(homotheticfunction)是一次齐次函数的正单调变换。换句话说,f(x)是位似的当且仅当它可以写为f(x)=g(h(x)),其中h×)(是一次齐次函数,g×)(是个单调函数。图1.7提供了几何解释。图1.7:齐次函数和位似函数。A图中的函数为一次齐次的。若x和x¢都可以生产出y单位的产量,则2x和2x¢都可以生产出2y单位的产量;B图中的函数为位似函数。若若x和x¢都可以生产出相同水平的产量——y单位的产量,则2x和2x¢都可以生产出相同单位的产....量,但未必是2y单位的产量。你可以将单调变换看成用不同单位来衡量产出的一种方法。例如,我们可以用升或毫曹乾(东南大学caoqianseu@163.com)15东大青椒工作室制作 范里安《微观经济分析》(第3版)升衡量液体产量。在这种情形下,不同单位之间的转换非常简单——我们只要乘以1000或者处以1000即可。一种更奇怪的单调变换是我们用“升的平方”衡量产出。根据这种解释,..位似技术是衡量产出的一种方法,使得这种技术“看上去类似”规模报酬不变。我们对齐次函数和位似函数感兴趣,这是因为当产量变化时它们的等产量线的变化比较简单。在齐次函数的情形下,等产量线族就象是由一条等产量线相应“扩大”(blownup)而得到的。如果f(x)是一次齐次的,则若x和x¢都可以生产出y单位的产量,那么tx和xt¢都可以生产出ty单位的产量,如图1.7A所示。位似函数具有几乎完全相同的性质:若x和x¢都可以生产出相同单位的产量,则tx和xt¢生产出的产量也相同——但未必是原来产量的t倍。位似技术的等产量线和齐次技术的等产量线非常类似,唯一区别是等产量线代表的产量水平是不同的。齐次函数和位似函数比较有趣的原因是,它们对技术替代率施加了限制——当生产规模变化时,技术替代率是如何变化的。特别地,对于这两种函数来说,技术替代率和生产规模无关。这个结论可以直接从第26章齐次函数的知识推导出,在那里我们指出若f(x)是一次齐次的,则¶f(x/)¶x是零次齐次的,这正是我们想要的结果。i例子:CES生产函数不变替代弹性(constantelasticityofsubstitution,CES)生产函数的表达式为.........1rrry=[ax+ax].1122容易验证,CES函数具有规模报酬不变性质。对参数r取不同的数值,我们就可以得到几个著名的生产函数的特例。我们将这些函数介绍如下,并用图1.8描述这些函数。在我们的讨论中,令参数a=a=1将非常方便。12(1)线性生产函数(r=1)。将r=1代入CES生产函数可得y=x+x.12(2)柯布-道格拉斯生产函数(r=0)。当r=0时CES生产函数无定义,因为除数为零。然而我们可以证明当r趋近于零时,CES的等产量线看上去非常象柯布-道格拉斯生产函数的等产量线。使用技术替代率很容易看清这一点。直接计算可得,x1r-1TRS=-().(1.1)12x2当r趋近于零时,上式趋近于极限x2TRS=-,12x1这正是柯布-道格拉斯生产函数的TRS。曹乾(东南大学caoqianseu@163.com)16东大青椒工作室制作 范里安《微观经济分析》(第3版)图1.8:CES生产函数。CES生产函数的形状有多种,这取决于参数r的取值。A图中的情形为r=1;B图中的情形为r=0,C图中的情形为r=-¥。(3)里昂惕夫生产函数(r=-¥)。我们已经知道CES生产函数的TRS可由(1.1)式计算。当r®-¥时,(1.1)式趋近于x1-¥x2¥TRS=-()=-().12xx21若x>x,则TRS是(负)无穷;若x0。1.7教材中断言,如果f(x)是位似技术而且x和x¢生产的产量水平相同,则tx和xt¢生产的产量水平也相同。你能严格证明这个结论吗?1.8令f(x,x)是位似函数。证明它在(x,x)点的技术替代率等于在(tx,tx)点的技术替121212代率。rr/1r1.9考虑CES技术f(x,x)=[ax+ax]。证明我们总可以将这个式子写为121122rr/1rf(x,x)=A(r)[bx+1(-b)x]的形式。12121.10令Y为一个生产集。如果y和y¢都在Y中蕴涵y+y¢也在Y中,那么我们说技术是可加的。如果y在Y中蕴涵ty也在Y中(其中0£t£1),那么我们说该技术是可分的。证明如果某技术既是可加的又是可分的,则Y必定是凸的,而且它是规模报酬不变的。1.11对于每个必要投入集,确定它是正则的(regular)、单调的和/或凸的。假设参数a和b以及产量水平都是严格正的。(a)V(y)={x,x:ax³logy,bx³logy}1212(b)V(y)={x,x:ax+bx³y,x³}012121(c)V(y)={x,x:ax+xx+bx³y}121122(d)V(y)={x,x:ax+bx³y}1212(e)V(y)={x,x:x1(-y)³a,x1(-y)³b}1212(f)V(y)={x,x:ax-xx+bx³y}121122(g)V(y)={x,x:x+min(x,x)³3y}121121.12为简单起见,线性齐次生产函数通常用“人均”(percapita)表示,方法很简单:将函曹乾(东南大学caoqianseu@163.com)18东大青椒工作室制作 范里安《微观经济分析》(第3版)数表达式中的一种生产要素作为公因子提取出来(这种要素通常为劳动,因此说人均)。例如,考虑函数y=f(x,x),其中f(x,x)是一次齐次的。如果将x提取出来,可12122以定义如下的新函数f(X):Y=xf((x/x)1),ºxf(X)(1)2122其中,Xºx/x,或者,(Y/x)=f(X)是以x表示的人均生产函数(percapitaproduction1222function)。(a)在产品y的价格为1的假设前提下,将利润最大化条件表达为含有w,w和f(X)的12式子。(b)证明f¢(X)[f(X)-Xf¢(X)]s=(2)Xf(X)f¢¢(X)(c)证明如果f(x,x)是一个标准的CES生产函数,即12rr/1ry=f(x,x)=(ax+1(-a)x)1212证明(b)中的表达式将为s=1/(r-)1(2¢)1.13假设有两种产品:投入品z和产出品q。生产函数为q=f(z)。假设生产函数f×)(是规模报酬递增的。(a)假设f×)(是可微的,那么f×)(规模报酬递增是否意味着平均产量随着投入增加是非递减的?边际产量的情形又是如何的?(b)假设存在一个代表性消费者,他的效用函数为u(q)-z(负号表示从他那里拿走投入品)。假设q=f(z)是个生产计划,它的目标是使代表性消费者的效用最大化。请以数学形式或经济学形式(不需要考虑边界解)说明这个最大化问题的必要条件为边际效用等于边际成本。(c)在(b)中,边际效用等于边际成本也是该最大化问题的充分条件吗?习题解答1.1.对还是错?若V(y)是一个凸集,则相应的生产集Y必定为凸。【知识回顾】生产集为凸意味着必要投入集为凸,但反过来说不成立。定理(凸生产集蕴涵着凸必要投入集):::若生产集:若生产集Y是一个凸集,,,则与其相关的必要投入集,则与其相关的必要投入集V(y),,,也是一个凸集,也是一个凸集。。。证明。若Y是个凸集,这意味着对于任何x和x¢,只要(y,-x)和(y,-x¢)都在Y中,则(ty+1(-t)y,-tx-1(-t)x¢)必然也在Y中。这只是要求(y,-(tx+1(-t)x¢))也在Y中。由此可见,若x和x¢都在V(y)中,则tx+1(-t)x¢也在V(y)中,这表明V(y)是凸集。曹乾(东南大学caoqianseu@163.com)19东大青椒工作室制作 范里安《微观经济分析》(第3版)【参考答案】这种说法是错误的,因为生产集为凸意味着必要投入集为凸,但反过来说不成立。2我们举一个反例说明。考虑由生产函数f(x)=x生成的技术。必要投入集2V(y)={x:x³y}是一个凸集,但生产集Y={(y,-x:)y£x}显然不是凸的。1rrr1.2.当a¹a时,一般CES技术y=[ax+ax]的替代弹性为多大?121122TRSd(x/x)21【知识回顾】替代弹性的两种计算方法,一是s=;二是(x/x)dTRS21dln(x/x)21s=。dlnTRSdln(x/x)21【参考答案】我们使用第二种方法即s=计算替代弹性。dlnTRSr-1¶f/¶xax111TRS=-=-⇒lnTRS=ln(a/a)+1(-r)ln(x/x)r-a1221¶f/¶xax222dln(x/x)dln(x/x)dln(x/x)1212121s====.dlnTRSd[ln(a/a)+1(-r)ln(x/x)]1(-r)dln(x/x)1-r1221211.3.定义要素i的产出弹性为¶f(x)xie(x)=.i¶xf(x)iab如果f(x)=xx,每种要素的产出弹性为多大?12【参考答案】ab¶f(x)a-1b¶f(x)ab-1f(x)=xx⇒=axx;=bxx121212¶x¶x12¶f(x)x1a-1bx1e(x)==(axx)=a;类似地可计算出e(x)=b.112ab2¶xf(x)xx112n1.4如果e(x)是规模弹性,e(x)是要素i的产出弹性,证明e(x)=e(x)。i∑ii=1【知识回顾】令y=f(x)表示生产函数,t为一个正的标量。考虑函数y(t)=f(tx)。规模dy(t/)y(t)弹性的表达式为e(x)=。在计算点x的规模弹性时,我们必须计算该表达式在dt/tdy(t)tdf(tx)tt=1时的数值。e(x)==。t=1t=1y(t)ydtf(tx)【参考答案】曹乾(东南大学caoqianseu@163.com)20东大青椒工作室制作 范里安《微观经济分析》(第3版)令y=f(x)表示生产函数,t为一个正的标量。考虑函数y(t)=f(tx)。nnndy(t)tdf(tx)t1¶f(x)¶f(x)xie(x)===x==e(x)t=1t=1∑i∑∑iy(t)ydtf(tx)f(x)i=1¶xii=1¶xif(x)i=1¶f(x)xi其中最后一个等式用到了要素i的产出弹性的定义e(x)=。i¶xf(x)irr/1r1.5CES技术f(x,x)=(x+x)的规模弹性为多大?1212【参考答案】方法一:rr/1rrr/1rf(tx,tx)=[(tx)+(tx)]=t(x+x)=tf(x,x)12121212这表明CES生产函数的规模报酬是不变的,因此规模弹性为1。dy(t)tdf(tx)t方法二:使用规模弹性的定义e(x)==计算t=1t=1y(t)ydtf(tx)rr/1rdf(tx)d[(tx)+(tx)]d[tf(x)]f(x)dt12====f(x)dtdtdtdtdy(t)tdf(tx)t1e(x)===f(x)=1。t=1t=1y(t)ydtf(tx)f(x)1.6对还是错?可微函数g(x)为严格递增的当且仅当g¢(x)>0。【参考答案】这种说法是错误的。这是因为,如果g¢(x)>0则可微函数g(x)为严格递增的,3但反过来未必成立。例如,g(x)=x是严格递增的,但g¢)0(=0。1.7教材中断言,如果f(x)是位似技术而且x和x¢生产的产量水平相同,则tx和xt¢生产的产量水平也相同。你能严格证明这个结论吗?【知识回顾】函数g:R®R称为正单调变换(positivemonotonictransformation)若g是一个严格递增的函数;也就是说,对于该函数来说x>y蕴涵着g(x)>g(y)。位似函数(homotheticfunction)是一次齐次函数的正单调变换。换句话说,f(x)是位似的当且仅当它可以写为f(x)=g(h(x)),其中h×)(是一次齐次函数,g×)(是个单调函数。【参考答案】令f(x)=g(h(x))并假设g(h(x))=g(h(x¢))。由于g×)(是个单调函数,必有h(x)=h(x¢)。由于h×)(是一次齐次的即h(tx)=th(x),从而:g(h(tx))=g(th(x));g(h(xt¢))=g(th(x¢))。所以有g(h(tx))=g(h(xt¢)),这表明tx和xt¢生产的产量水平是相同的。1.8令f(x,x)是位似函数。证明它在(x,x)点的技术替代率等于在(tx,tx)点的技术替121212代率。曹乾(东南大学caoqianseu@163.com)21东大青椒工作室制作 范里安《微观经济分析》(第3版)【知识回顾】位似函数;技术替代率;【参考答案】f(x)是位似的当且仅当它可以写为f(x)=g(h(x)),其中h×)(是一次齐次函数,g×)(是个单调函数。因此位似函数f(x,x)的技术替代率表达式为12¶f¶h¶h¶f/¶x1¶h¶x1¶x1-=-=-¶f/¶x¶f¶h¶h2¶h¶x¶x22注意在上式中我们用到了链式法则。从上式可以看出,位似函数f的替代率与相应的一次齐次函数h的替代率是相等的。而我们已经知道,一次齐次函数在(x,x)点的技术替代率12等于在(tx,tx)点的技术替代率是相等的,因此就得到了题目中的结论。12rr/1r1.9考虑CES技术f(x,x)=[ax+ax]。证明我们总可以将这个式子写为121122rr/1rf(x,x)=A(r)[bx+1(-b)x]的形式。1212【参考答案】rr/1r/1ra1ra2r/1r注意,我们可以将[ax+ax]写为(a+a)[x+x]。11221212a+aa+a1212/1ra1a2现在令A(r)=(a+a),令b=(从而1-b=),这样f(x,x)就可以1212a+aa+a1212rr/1r写为A(r)[bx+1(-b)x]的形式。121.10令Y为一个生产集。如果y和y¢都在Y中蕴涵y+y¢也在Y中,那么我们说技术是可加的。如果y在Y中蕴涵ty也在Y中(其中0£t£1),那么我们说该技术是可分的。证明如果某技术既是可加的又是可分的,则Y必定是凸的,而且它是规模报酬不变的。【参考答案】要证明凸性,我们必须证明:对于Y中的所有y和y¢以及所有0£t£1,ty+1(-t)y¢必定在Y中。但可分性意味着ty和1(-t)y¢都在Y中,使用可加性可知ty+1(-t)y¢在Y中,这样就证明了凸性。为了证明规模报酬不变,我们必须证明如果y在Y中,则sy(其中s>0)也在Y中。给定任何s>0,令n为满足n³s³n-1的非负整数。由可加性可知,ny在Y中;由于s/n£1,根据可分性可知,(s/n)ny=sy在Y中。这样就证明了规模报酬不变。1.11对于每个必要投入集,确定它是正则的(regular)、单调的和/或凸的。假设参数a和b以及产量水平都是严格正的。(a)V(y)={x,x:ax³logy,bx³logy}1212曹乾(东南大学caoqianseu@163.com)22东大青椒工作室制作 范里安《微观经济分析》(第3版)(b)V(y)={x,x:ax+bx³y,x³}012121(c)V(y)={x,x:ax+xx+bx³y}121122(d)V(y)={x,x:ax+bx³y}1212(e)V(y)={x,x:x1(-y)³a,x1(-y)³b}1212(f)V(y)={x,x:ax-xx+bx³y}121122(g)V(y)={x,x:x+min(x,x)³3y}12112【知识回顾】单调性:若x在V(y)中且x¢³x,则x¢也在V(y)中。凸性:若x和x¢都在V(y)中,则tx+1(-t)x¢也在V(y)中,其中0£t£1。也就是说V(y)是个凸集(convexset)。正则性:对于所有y³0,V(y)是闭的非空集合。【参考答案】(a)这个集合对于所有y>0是闭的和非空的(如果要素投入可为负),因此是正则的。等产量线类似里昂惕夫技术,唯一的区别是我们用logy而不是y衡量单位产量。由此可知该技术是单调的和凸的。(b)这个必要投入集是非空的但是开的,因此不是正则的;它是单调的和凸的。(c)该必要投入集为非空且为闭的,因此是正则的。函数f(x,x)的偏导数都是正的,因12此,该技术是单调的。为了使等产量线凸向原点,只要生产函数为凹函数即可(注意凹函数是等产量线凸向原点的充分但非必要条件)。为了检验这一点,使用生产函数的二阶导数构建一个矩阵,看看它是不是负半定的。Hessian矩阵的第一个主子阵的行列式必定为负,第二个主子式的行列式必定是非负的。检验可知,结果的确是这样的,因此题目中的必要投入集为凸的。(d)是正则的,单调的和凸的;(e)它是非空的,但它无法生产任何y>1的产量。它是单调的和弱凸的。(f)它是正则的。为了检验单调性,将生产函数写出来f(x,x)=ax-xx+bx,则1211221-2/12/11¶f/¶x=a-xx。只有当a>x/x式,这个偏导数才为正,因此题目中的这1122122个必要投入集并不总是单调的。现在来看f(x,x)的Hessian矩阵,它的行列式为零,第一个主子式为正,因此f不是凹的。12但这不能说明必要投入集不是凸的。但是由于f是凸的,因此所有具有下列形式的集合{x,x:ax-xx+bx£y}121122都是凸的。注意到上述凸集除了边界上的点之外,它是我们题目中必要投入集的补集。作为曹乾(东南大学caoqianseu@163.com)23东大青椒工作室制作 范里安《微观经济分析》(第3版)凸集的补集,题目中的必要投入集不可能是凸的。(g)这个函数是一个线性函数加上一个里昂惕夫函数,因此它具有这两类函数的性质,当然包括正则性、单调性和凸性。1.12为简单起见,线性齐次生产函数通常用“人均”(percapita)表示,方法很简单:将函数表达式中的一种生产要素作为公因子提取出来(这种要素通常为劳动,因此说人均)。例如,考虑函数y=f(x,x),其中f(x,x)是一次齐次的。如果将x提取出来,可12122以定义如下的新函数f(X):Y=xf((x/x)1),ºxf(X)(1)2122其中,Xºx/x,或者,(Y/x)=f(X)是以x表示的人均生产函数(percapitaproduction1222function)。(a)在产品y的价格为1的假设前提下,将利润最大化条件表达为含有w,w和f(X)的12式子。(b)证明f¢(X)[f(X)-Xf¢(X)]s=(2)Xf(X)f¢¢(X)(c)证明如果f(x,x)是一个标准的CES生产函数,即12rr/1ry=f(x,x)=(ax+1(-a)x)1212证明(b)中的表达式将为s=1/(r-)1(2¢)【参考答案】(a)利润最大化问题为maxpf(x,x)-wx-wx,p=1,利润最大化的一阶条件为121122¶f(x1,x2)¶[x2f(X)]=¢-1=¢w==xf(X)xf(X)(3)122¶x¶x11¶f(x,x)¶[xf(X)]122=-¢=-¢w==f(x)f(X)(x/x)f(X)Xf(x)(4)212¶x¶x22-1(b)鉴于(a)中的w和w的表达式形式,先求s是方便的12曹乾(东南大学caoqianseu@163.com)24东大青椒工作室制作 范里安《微观经济分析》(第3版)-1¶(w1/w2)xs=¶xw/w12(f-Xf¢)f¢¢+Xff¢¢¢X(f-Xf¢)=2(f-Xf¢)f¢Xff¢¢=f¢(f-Xf¢)f¢(X)[f(X)-Xf¢(X)]所以,s=。Xf(X)f¢¢(X)(c)对于标准的CES函数r/1rf(X)=[(aX+1(-a)](6)从(3)和(4)可知1-rw=f¢(X)=a(f(X/)X)11-rw=f(X)-Xf¢(x)=f(X)-aX(f(X/)X)21-rw2Xr因此,=()f-X(7)wa1最后,使用(6)式,可得1-r1-rw2XrX1-a1-r=()aX+()(1-a)-X=()Xwaaa1而且,由于f-rXf¢-ff¢¢(X)=a()()2XX-rXf¢-f注意到ff¢¢X=a(f/X)()(1-r)2X由(2)式可知,f¢(f)-Xf¢1s==ff¢¢Xr-11.13假设有两种产品:投入品z和产出品q。生产函数为q=f(z)。假设生产函数f×)(是规模报酬递增的。(a)假设f×)(是可微的,那么f×)(规模报酬递增是否意味着平均产量随着投入增加是非递减的?边际产量的情形又是如何的?(b)假设存在一个代表性消费者,他的效用函数为u(q)-z(负号表示从他那里拿走投入品)。假设q=f(z)是个生产计划,它的目标是使代表性消费者的效用最大化。请以数学形曹乾(东南大学caoqianseu@163.com)25东大青椒工作室制作 范里安《微观经济分析》(第3版)式或经济学形式(不需要考虑边界解)说明这个最大化问题的必要条件为边际效用等于边际成本。(c)在(b)中,边际效用等于边际成本也是该最大化问题的充分条件吗?【参考答案】(a)生产函数f×)(规模报酬递增当且仅当f(lz)³lf(z)对于所有z和所有l³1成立。因此,如果z¢³z>0,那么/1(z¢)f(z¢¢)=/1(z¢)f[(z¢/z)z]³/1(z¢)(z¢/z)f(z)=/1(z)f(z)因此平均产量是非减的。然而,边际产量可能在某个产量区间递减,如图1所示。图1:规模报酬递增不意味着边际产量递增(b)消费者的最大化问题为maxu(f(z)-zz³0-1一阶必要条件为u¢[(f(z)]f¢(z)=1,变形可得u¢[(f(z)]=[f¢(z)]。由于成本函数为-1-1z=f(q),边际成本等于[f¢(z)],因此边际成本等于边际效用是这个最大化问题的必要条件。(c)不是。即使在某个投入水平上边际成本和边际效用相等,也可能存在着使得消费者效用更高的另外一个投入水平。原因在于当生产函数为规模报酬递增(它产生的可行集是非凸的)时,一阶必要条件不是充分条件。请自行画下图。曹乾(东南大学caoqianseu@163.com)26东大青椒工作室制作'