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| << | < | > | >> |IndicePrefazione xi Introduzione: alcune idee fondamentali 1 1 Relazioni 1 2 Funzioni 2 3 Ordinamenti 3 4 Estremo inferiore ed estremo superiore 4 5 Massimi e minimi di funzioni 5 Capitolo 1 Sommare e moltiplicare: gli spazi vettoriali 9 Introduzione 9 1.1 Spazi vettoriali: definizioni ed esempi 10 1.1.1 La definizione di spazio vettoriale 10 1.1.2 Le n-uple ordinate di numeri reali (R^n) 11 1.1.3 Le matrici di numeri reali di ordine (n x m) (M^nxm)13 1.1.4 Spazi vettoriali reali composti da funzioni 18 1.2 Basi e dimensione di uno spazio vettoriale 19 1.2.1 Combinazioni lineari, dipendenza lineare e basi 19 1.2.2 Dimensione di uno spazio vettoriale 21 1.3 Il prodotto scalare e il prodotto matriciale 23 1.3.1 Il prodotto tra matrici 23 1.3.2 Il prodotto tra matrici partizionate 25 1.3.3 La matrice inversa 26 1.4 Il prodotto matriciale come trasformazione lineare 28 1.5 Determinanti 32 1.5.1 Determinanti: preliminari e intuizioni geometriche 32 1.5.2 Calcolo del determinante di matrici 2 x 2 e 3 x 3 34 1.5.3 Minori e cofattori 36 1.5.4 Proprietà dei determinanti 37 1.5.5 Calcolo della matrice inversa 37 1.6 Sistemi di equazioni lineari 38 1.6.1 Sistemi la cui matrice dei coefficienti ha rango pieno 39 1.6.2 Sistemi la cui matrice dei coefficienti non ha rango pieno 42 1.6.3 Il calcolo della soluzione e la regola di Cramer 44 1.7 L'equazione caratteristica 45 1.7.1 Definizioni 45 1.7.2 Proprietà degli autovalori e autovettori 47 1.8 Forme quadratiche 50 Parole chiave 52 Capitolo 2 Distanze e variazioni: gli spazi metrici 55 Introduzione 55 2.1 Spazi metrici e spazi dotati di norma 56 2.2 Continuità e convergenza 60 2.3 Insiemi chiusi e aperti 62 2.4 L'assioma di continuità nella teoria dell'utilità 66 2.5 Differenziazione 68 2.5.1 Derivate e differenziali di una funzione di una sola variabile: una breve rassegna 68 2.5.2 Funzioni a più variabili e derivate parziali 71 2.5.3 La formula di Taylor 75 2.6 Derivate generalizzate 78 2.6.1 Derivate direzionali, di Gateaux e di Fréchet 78 2.6.2 Derivate di funzioni a valore vettoriale 81 2.7 Il teorema della funzione implicita e la statica comparata 82 2.8 Applicazioni della statica comparata: i modelli macroeconomici elementari 88 2.8.1 Il modello IS-LM 88 2.8.2 Un modello "classico" 91 Parole chiave 93 Capitolo 3 La forma delle funzioni: convessità, concavità e omogeneità 95 Introduzione 95 3.1 Insiemi convessi 96 3.1.1 Combinazioni convesse: definizione e interpretazione geometrica 96 3.1.2 Insiemi convessi 97 3.2 Funzioni concave e convesse 101 3.2.1 Funzioni concave 101 3.2.2 Funzioni convesse 103 3.3 Funzioni quasi-concave e quasi-convesse 104 3.3.1 Definizioni e proprietà 104 3.3.2 Quasi-convessità 105 3.4 Funzioni omogenee e omotetiche 106 3.5 Applicazioni microeconomiche 109 3.5.1 Proprietà cardinali e proprietà ordinali di una funzione di utilità 109 3.5.2 Avversione al rischio 110 3.5.3 Funzioni di supporto 113 3.5.4 Un esempio di quasi-convessità 115 Parole chiave 116 Capitolo 4 Equazioni e sistemi dinamici 117 Introduzione 117 4.1 Equazioni differenziali 118 4.1.1 Definizioni 118 4.1.2 Soluzioni 120 4.1.3 Alcune equazioni differenziali notevoli 122 4.1.4 Stabilità 127 4.2 Metodi diagrammatici 128 4.2.1 Curve di soluzione 129 4.2.2 Diagrannni di fase 131 4.2.3 Il modello di Solow 132 4.3 Sistemi di equazioni differenziali 136 4.3.1 Esistenza e unicità 137 4.3.2 Stabilità 137 4.4 Sistemi lineari di equazioni differenziali 138 4.4.1 Definizione e classificazione 138 4.4.2 Soluzioni generali e soluzioni particolari nei sistemi omogenei 140 4.4.3 La soluzione dei sistemi lineari omogenei a coefficienti costanti 141 4.4.4 Le equazioni differenziali lineari del secondo ordine 145 4.5 Sistemi lineari e stabilità 147 4.5.1 Radici reali distinte con lo stesso segno (nodi stabili e instabili) 147 4.5.2 Radici reali distinte con segni eterogenei (punti di sella) 149 4.5.3 Radici complesse (fuochi e centri) 150 4.5.4 Le radici ripetute (nodi impropri) 154 4.5.5 La condizione di Routh-Hurwitz 155 4.5.6 Un'applicazione: la dinamica del modello IS-LM 156 4.6 Sistemi non lineari 158 4.6.1 Linearizzazione 158 4.6.2 Diagrammi di fase 160 4.7 Un'applicazione economica: il diagramma di fase nel modello di Ramsey 168 4.8 Equazioni e sistemi di equazioni alle differenze 173 4.9 Sistemi di equazioni lineari alle differenze 174 4.9.1 Preliminari 174 4.9.2 Soluzioni 175 4.9.3 Stabilità 177 4.10 Metodi qualitativi e linearizzazione 179 4.10.1 Problemi a equazione singola 179 4.10.2 Sistemi di due equazioni 181 4.10.3 Linearizzazione 181 Parole chiave 182 Capitolo 5 La massimizzazione libera e il calcolo delle variazioni 185 Introduzione 185 5.1 Definizioni 186 5.1.1 Formulazione del problema e terminologia 186 5.1.2 Condizioni necessarie e condizioni sufficienti 189 5.2 Ottimizzazione libera in problemi a dimensione finita 189 5.2.1 Condizioni necessarie del primo ordine 190 5.2.2 Condizioni necessarie e condizioni sufficienti del secondo ordine 194 5.3 Estensioni e applicazioni dell'ottimizzazione libera 197 5.3.1 Statica comparata in un problema di ottimizzazione libera 197 5.3.2 Il lemma di Shephard 198 5.4 Ottimizzazione in spazi a dimensione infinita 199 5.4.1 La prospettiva generale 200 5.4.2 Una condizione necessaria 201 5.5 Il più semplice problema di calcolo delle variazioni 203 5.5.1 Formulazione e ipotesi 203 5.5.2 La condizione di Eulero 205 5.6 Altre condizioni necessarie e condizioni sufficienti 210 5.7 Condizioni terminali 211 5.7.1 Condizioni necessarie e condizioni terminali 211 5.7.2 Valori terminali fissi e liberi 214 5.8 Orizzonte di programmazione infinito 217 5.9 Un'estensione del dominio del funzionale obiettivo 220 5.10 Due modelli di risparmio ottimale 221 5.10.1 Il modello di Ramsey 221 5.10.2 Il modello AK 224 Parole chiave 228 Capitolo 6 La programmazione vincolata 229 Introduzione 229 6.1 Una prospettiva generale sui problemi vincolati 230 6.1.1 I problemi principali 231 6.1.2 Risolubilità locale 232 6.1.3 Una condizione necessaria 233 6.2 Il metodo dei moltiplicatori di Lagrange 236 6.2.1 Le condizioni di Kuhn-Tucker-Lagrange 236 6.2.2 Una prospettiva d'insieme sul metodo dei moltiplicatori di Lagrange 238 6.3 Problemi vincolati da diseguaglianze 240 6.3.1 Le condizioni di Kuhn-Tucker-Lagrange in un problema vincolato solo da diseguaglianze 240 6.3.2 Qualificazioni sui vincoli 242 6.3.3 Considerazioni sulle complementary slackness conditions 243 6.4 Problemi vincolati da eguaglianze 245 6.5 Osservazioni conclusive sulle condizioni del primo ordine 246 6.5.1 Mancanza di risolubilità 246 6.5.2 La condizione generalizzata di AHU 247 6.6 Condizioni necessarie del secondo ordine e condizioni sufficienti 248 6.7 Programmazione concava e quasi-concava 249 6.7.1 Programmazione concava 250 6.7.2 Programmazione quasi-concava 252 6.8 Statica comparata nei problemi di ottimizzazione vincolata 252 6.8.1 Differenziazione delle condizioni del primo ordine 253 6.8.2 Funzioni valore 255 6.8.3 Il teorema dell'inviluppo 257 6.9 La teoria del consumatore 258 6.9.1 Massimizzazione dell'utilità 258 6.9.2 Statica comparata del problema di massimizzazione dell'utilità 260 6.9.3 Il lemma di Roy 262 6.9.4 Minimizzazione della spesa 262 6.9.5 Statica comparata del problema di minimizzazione della spesa 263 6.9.6 Relazione tra i problemi di massimizzazione dell'utilità e minimizzazione della spesa 265 6.10 Una rivisitazione del modello di Ramsey con il metodo di Lagrange 268 6.10.1 Il modello di risparmio ottimale con tempo discreto 268 6.10.2 I moltiplicatori di Lagrange in un modello con tempo continuo 272 Parole chiave 274 Capitolo 7 La programmazione in spazi a dimensione infinita 275 Introduzione 275 7.1 I problemi di massimizzazione a dimensione infinita: una condizione necessaria 276 7.1.1 Enunciato e generalità 276 7.1.2 Spazi e coni duali 278 7.1.3 Il teorema di Karush-Kuhn-Tucker 279 7.2 Il problema di controllo ottimo 281 7.2.1 Enunciato e preliminari 281 7.2.2 L'applicazione del teorema KKT al problema di controllo ottimo 283 7.2.3 Il problema più semplice di calcolo delle variazioni in una nuova veste 289 7.2.4 Più variabili di stato e di controllo 290 7.2.5 La funzione hamiltoniana 290 7.3 Condizioni terminali alternative nel problema di controllo ottimo 294 7.3.1 Condizioni terminali alternative 294 7.3.2 Validità delle condizioni di Karush-Kuhn-Tucker 294 7.3.3 Altre condizioni necessarie 296 7.4 Problemi con orizzonte infinito 296 7.4.1 Condizioni necessarie 298 7.4.2 Condizioni terminali 299 7.4.3 Condizioni sufficienti 301 7.5 Una rivisitazione del modello di Ramsey e del modello AK 302 7.5.1 Il modello di Ramsey 303 7.5.2 Il modello AK 307 7.6 Il modello di Lucas 308 7.7 Altri vincoli 312 7.7.1 Vincolo in forma di integrale 312 7.7.2 Vincoli in forma di diseguaglianza 314 7.8 Un problema con vincolo in forma di integrale e di diseguaglianza: l'estrazione ottimale di una risorsa naturale 317 7.9 Diseguaglianze in un problema di controllo ottimo 318 7.9.1 Vincoli in forma di diseguaglianza sulle variabili di stato e di controllo 318 7.9.2 Un modello di crescita "sovietico" 319 7.10 Incentivi ottimali 326 7.10.1 Il problema economico e la soluzione con infonnazione simmetrica 327 7.10.2 La soluzione con informazione asimmetrica 330 Parole chiave 335 Appendice A Prova della proposizione 1.2.4 337 Appendice B La definizione di determinante 339 Appendice C Differenziazione in spazi di funzioni 341 Appendice D Teorema di separazione 347 Appendice E Prova della proposizione 5.5.2 (lemma di Dubois-Rémond) 351 Appendice F Prova della proposizione 6.3.3 353 Appendice G La definizione di lim inf 355 Soluzioni agli esercizi 357 Suggerimenti bibliografici e bibliografia 431 |
| << | < | > | >> |Pagina XIPrefazioneCome spesso avviene nel caso dei manuali, questo libro si è andato formando progressivamente a partire da appunti predisposti per cicli di lezioni. Nel mio caso, si è trattato delle lezioni tenute annualmente, a partire dal 1995, presso due corsi master postuniversitari: il MEC (Master in Economics) presso l'Università Commerciale "L. Bocconi" e il MEDEA (Master in Economia dell'Energia e dell'Ambiente) presso la Scuola Superiore "Enrico Mattei" - ENI. Inizialmente, con quelle lezioni mi proponevo di fornire, nelle prime fasi del programma master, niente più di alcuni strumenti matematici indispensabili per affrontare un corso di studi economici avanzati, con qualche cenno alle applicazioni economiche. Col passare del tempo e insieme ai miei colleghi, mi sono reso conto, da un lato, che una ideale lista degli strumenti indispensabili era più lunga di quanto pensassi; dall'altro, che nell' "indispensabile" non rientrava soltanto una serie di tecniche e di "ricette" da applicare meccanicamente alla soluzione di questo o quel problema, ma anche una certa familiarità con il ragionamento astratto, con la definizione rigorosa dei concetti, con la dimostrazione formale di proposizioni matematiche. Inoltre, in classi felicemente eterogenee, in cui laureati in economia si affiancano a ingegneri, fisici, laureati in altre scienze sociali o anche in materie puramente umanistiche, le applicazioni economiche hanno la funzione di motivare sia coloro che già conoscono bene la matematica, mostrando ciò che per essi può rivelarsi un nuovo e stimolante campo di applicazione, sia coloro che devono invece sforzarsi di colmare delle lacune in campo matematico, illustrando almeno parzialmente lo scopo di questo importante e spesso faticoso investimento intellettuale. È sotto questi stimoli che il testo è stato progressivamente elaborato; e se ormai gli argomenti trattati in questo libro eccedono certamente quelli che si possono ragionevolmente coprire in un unico corso introduttivo come quelli cui accennavo, la finalità perseguita rimane sostanzialmente la stessa: fornire gli strumenti indispensabili per chi voglia affrontare lo studio dell'economia a livello progredito, con un'attenzione costante alle interpretazioni economiche e cercando il più possibile di non appiattire la trattazione matematica al livello dell'applicazione meccanica di formule e tecniche. Nel quadro del nuovo ordinamento universitario, questo libro è destinato essenzialmente all'utilizzo appena descritto, nell'ambito dei corsi di laurea specialistica e dei master universitari di primo livello in materie economiche. In questi casi rimane infatti necessario omogeneizzare e consolidare il patrimonio di conoscenze matematiche di chi si accinge a diventare uno specialista in scienze economiche, sia come supporto ad un corso di matematica per economisti che come companion book per corsi specialistici nei vari campi dell'economia. Quali strumenti matematici sono dunque indispensabili per intraprendere lo studio dell'economia a livello specialistico, secondo questo libro? La risposta è nel fatto che gran parte dei problemi economici incorporano, in una forma o nell'altra, un problema decisionale. Lo strumento matematico indispensabile è costituito quindi dalla teoria e dalle tecniche dell'ottimizzazione. Naturalmente, l'impostazione e la soluzione di un problema di programmazione matematica richiedono un insieme di conoscenze preliminari e strumentali, relative ad altri campi della matematica, le quali possono peraltro avere a loro volta applicazioni economiche autonome. Il libro è dunque costruito come segue: dei sette capitoli che lo compongono, i capitoli 5, 6 e 7 affrontano i problemi di ottimizzazione, con livelli crescenti di difficoltà e di generalità. I capitoli da 1 a 4 forniscono invece gli strumenti preliminari e di supporto: nel capitolo 1 nozioni di algebra lineare; nel capitolo 2 i concetti di continuità e differenziazione; nel capitolo 3 i concetti di convessità; nel capitolo 4 le equazioni e i sistemi di equazioni dinamiche. Il lettore (o il docente) trascurerà i temi la cui conoscenza può dare per scontata, o che non ritiene utili per i propri scopi (ad esempio il capitolo 4 se è interessato solo alla programmazione matematica "statica"). I capitoli da 1 a 4, dal canto loro, possono naturalmente essere utilizzati senza riferimento allo studio dei capitoli successivi. Il libro è aperto da una introduzione, dedicata ad alcuni concetti fondamentali e di estrema generalità, che di norma si danno per scontati o per intuitivi, ma che è parso utile definire almeno una volta esplicitamente; è corredato infine da sette brevi appendici, in cui sono raccolti argomenti che avrebbero appesantito inutilmente il testo principale, pur essendo potenzialmente interessanti almeno per alcuni lettori o per alcuni tipi di approfondimento. Il libro contiene inoltre circa ottanta esercizi, tutti risolti e nella maggior parte dei casi discussi con un certo dettaglio. A parte un numero limitato di casi, non si tratta di esercizi volti semplicemente a sviluppare la destrezza o la velocità nel calcolo o la familiarità con le formule. Si punta invece sulla capacità di impostare un problema matematico, individuare gli strumenti di soluzione e capire gli esiti ottenuti. In altri termini, un esercizio "ideale" è quello che fa passare allo studente relativamente poco tempo con la penna in mano a eseguire calcoli e che invece lo costringe, prima, a chiedersi quali calcoli eseguire e poi a riflettere intensamente per interpretare i risultati. Le applicazioni economiche, con l'eccezione dell'introduzione e del capitolo 1, sono distribuite in tutto il libro. Esse seguono due filoni principali. Il primo è sostanzialmente un commento matematico alla teoria del consumatore: si comincia nel capitolo 2 con una discussione dell'assioma di continuità, si prosegue nel capitolo 3 con lo studio del ruolo del concetto di convessità nella teoria dell'utilità, per arrivare nel capitolo 6 a un riepilogo dei principali aspetti matematici della teoria del consumatore. Il secondo filone, invece, "commenta" alcuni modelli chiave della teoria della crescita: il modello di Solow (capitolo 4), il modello di Ramsey (in diverse versioni, nei capitoli da 4 a 7), il modello AK (capitoli 5 e 7) e il modello di crescita con capitale umano di Lucas. Altre applicazioni (statica comparata e dinamica del modello IS-LM e del modello "classico", un modello principale-agente, un modello di crescita a due settori, un problema di estrazione ottimale di una risorsa naturale) sono presentate nel corso del libro. | << | < | > | >> |Pagina 1855 La massimizzazione libera e il calcolo delle variazioni
Introduzione
In generale, un problema di ottimizzazione consiste nel trovare il punto (o i punti) di un insieme B, detto insieme ammissibile, in cui una funzione f(.): B -> R, detta funzione-obiettivo, raggiunge il valore più elevato tra tutti quelli che assume in B (punto o punti di massimo). In economia assumiamo che gli agenti economici scelgano, tra le alternative disponibili (che corrisponderebbero al nostro insieme B), quella che preferiscono. Per questo, nei casi in cui le preferenze si possono rappresentare mediante una funzione-obiettivo, possiamo dire che l'agente si comporta come se risolvesse ogni volta un problema di ottimizzazione. Dal punto di vista classificatorio, una prima distinzione rilevante è quella tra i casi in cui B è un sottoinsieme di uno spazio vettoriale a dimensione finita e quelli in cui la dimensione di tale spazio è infinita. In questo capitolo ci occuperemo di problemi di entrambi i tipi: i problemi a dimensione finita sono trattati nei paragrafi da 5.1 a 5.3 e gli altri nei paragrafi da 5.4 a 5.10. La seconda classificazione riguarda invece la distinzione tra i problemi in cui il massimo cercato è interno a B e quelli in cui si trova sulla frontiera di B (ammesso che questa appartenga a B). In questo capitolo ci limitiamo sostanzialmente ai problemi del primo tipo, detti anche problemi di massimizzazione libera. Per questo motivo, nei paragrafi da 5.4 a 5.10. studiamo essenzialmente un solo tipo di problema, quello noto come "problema più semplice di calcolo delle variazioni". Questo capitolo accosta quindi problemi convenzionalmente considerati "facili" (massimi liberi in R^n) a problemi generalmente considerati "avanzati" (calcolo delle variazioni "semplice"). Chi scrive è persuaso che le indubbie differenze tra i due tipi di problema attengano più alla definizione e al calcolo delle derivate nei due casi, che non al procedimento logico mediante il quale si arriva a caratterizzare un massimo interno "annullando" le derivate nel punto di ottimo, ossia la famosa "regola di Fermat". Nell'ambito del capitolo, comunque, la trattazione dei problemi più convenzionali è indipendente da quella dei problemi più avanzati. Sono state proposte applicazioni economiche per entrambi i tipi di problema. Il paragrafo 5.3 offre due applicazioni dell'ottimizzazione libera in R^n, che corrispondono ad altrettanti argomenti di microeconomia "base". Il paragrafo 5.10, invece, riprende il modello di Ramsey, introdotto nel capitolo precedente per illustrare la tecnica dei diagrammi di fase, e lo risolve come applicazione del problema più semplice di calcolo delle variazioni; inoltre, viene presentato e confrontato con il modello di Ramsey il cosiddetto "modello AK" di crescita endogena. | << | < | > | >> |Pagina 2757 La programmazione in spazi a dimensione infinita
Introduzione
Nel corso dei capitoli 5 e 6 sono state presentate varie versioni del problema di massimizzazione di una funzione obiettivo sotto un insieme di vincoli. In particolare, nel capitolo 5 (paragrafi da 5.1 a 5.3) abbiamo dapprima introdotto i problemi di massimizzazione libera a dimensione finita; nei successivi paragrafi (da 5.4 a 5.10) il cosiddetto problema più semplice del calcolo delle variazioni, che è un primo esempio di problema a dimensione infinita. Nel capitolo 6 abbiamo presentato il problema di massimizzazione vincolata nelle sue due versioni, a dimensione finita e a dimensione infinita. Il capitolo 6 è stato dedicato poi, in massima parte, allo studio del problema a dimensione finita. Uno studio più approfondito del problema di massimizzazione sotto vincoli a dimensione infinita (DI) è stato invece rinviato al presente capitolo. Si tratta di argomenti convenzionalmente considerati tra i più "difficili" tra quelli di qualche interesse per gli studenti di economia, ossia problemi di programmazione a dimensione infinita più generali rispetto al problema semplice di calcolo delle variazioni. Nella maggioranza dei corsi di matematica per economisti, la reale difficoltà insita in questi metodi non viene di solito neppure sfiorata. Tale difficoltà risiede nella strumentazione matematica richiesta per provare i diversi teoremi, mentre, se ci si limita alle applicazioni, si tratta di applicare formule e procedimenti non più complicati, nella sostanza, di tanti altri che si incontrano in campi apparentemente più "facili". Questo libro non fa eccezione alla regola. La teoria sottostante alle tecniche utilizzate non solo viene di rado approfondita mediante dimostrazioni, ma è anche enunciata in maniera necessariamente incompleta e discorsiva. Quello che si è tentato nel paragrafo 7.1 è di fare intuire al lettore, da un lato, la sostanziale analogia tra il metodo dei moltiplicatori di Lagrange utilizzato nella programmazione matematica a dimensione finita e le tecniche presentate nelle sezioni successive; dall'altro lato, di suggerire come le diverse "sembianze" assunte dai moltiplicatori di Lagrange a seconda del tipo di vincolo cui sono riferiti siano spiegabili in base a un unico principio. Siamo però assai lontani dal "provare" le affermazioni contenute nel paragrafo, cosa che sarebbe impossibile rimanendo nei limiti che il libro si è dato. Sotto il profilo teorico, il risultato principale del paragrafo (e di questo capitolo) è la proposizione 7.1.1, la quale stabilisce una condizione necessaria per una soluzione locale del problema di massimizzazione a dimensione infinita (problema DI). Tale condizione equivale, nel caso presente, alle condizioni di Kuhn-Tucker nel problema a dimensione finita e alla condizione di Eulero nel problema più semplice di calcolo delle variazioni. I paragrafi 7.2, 7.3 e 7.4 sono dedicati al problema di controllo ottimo. Più in particolare, il 7.2 espone il problema in forma standard; il paragrafo 7.3 approfondisce il tema delle condizioni terminali; il paragrafo 7.4 si occupa dei problemi a orizzonte infinito. I paragrafi 7.5 e 7.6 contengono tre applicazioni di economia della crescita: il 7.5 rivisita ulteriormente il modello di Ramsey e il modello AK; Il 7.6 presenta il modello di Lucas.
Il paragrafo 7.7 si occupa dell'introduzione nel problema di controllo
ottimo o in altri problemi a dimensione infinita di vincoli in forma di
diseguaglianza e in forma di integrale. I paragrafi 7.8, 7.9 e 7.10 presentano
tre applicazioni di quanto contenuto nel paragrafo 7.7: un modello di estrazione
ottimale di una risorsa naturale; un modello di crescita, desunto da Seierstaed
e Sydsaeter (1987); un modello principale-agente.
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