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投稿マクロ経済学中級

基本的なラムゼーの最適成長モデルの解き方

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基本的なラムゼーの最適成長モデルについて、ハミルトニアンを用いて、解き方を数式を交えて解説します。
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はじめに

 マクロ経済学における成長理論において、ラムゼーの最適成長モデルは、基本的なモデルと言ってもいいと思います。

 そして解法においては、ラグランジュ乗数法を用いるなど、いくつかのものがありますが、ハミルトニアンを用いた場合について、解説したいと思います。

ラムゼーの最適成長モデル

生産

 $ t$期の生産量を$ Y_t$とし、資本$ K_t$と人口$ N_t$を用いて、生産します。

  $ Y_t = F(K_t \, , \, N_t) \quad \cdots \quad (1)$

 この生産量を消費$ C_t$に回すか、貯蓄するかのいずれかを行います。ここで、貯蓄はすべて投資に使われるとし、投資は$ dK_t/dt$と表せる(投資は時間に対する限界的な資本増加と表せる)ので、

  $ \displaystyle Y_t = C_t + \dfrac{dK_t}{dt} \quad \cdots \quad (2)$

となり、$ (1)(2)$式を用いると、

  $ F(K_t \, , \, N_t) = C_t + \dfrac{dK_t}{dt} \quad \cdots \quad (3)$

が得られます。

 1人当たりで考えるため、1人当たりの資本を$ k_t$、1人当たりの消費を$ c_t$とし、生産関数は$ F(K_t \, , \, N_t)$は1次同次と仮定すると、$ (3)$式は、

  $ F(k_t \, , \, 1) = c_t + \dfrac{dK_t}{N dt} \quad \cdots \quad (4)$

となります。$ (4)$式の右辺第2項を整理するため、1人当たり資本$ k_t$の増加を考え、

  $ dk = dK_t N^{-1} – dN_t K$

であることから、式変形すると、

  $ dK_t = N_t dk + d N_t K_t N_t \quad \cdots \quad (5)$

が得られます。ここで、人口増加率を

  $ \displaystyle n = \dfrac{dN_t/dt}{N_t}$

とし、生産関数を$ F(K_t \, , \, N_t) = f(k_t)$と定義します。そうすると、$ (5)$式を用いて、$ (4)$式を変形すると、

  $ \displaystyle f(k_t) = c_t + \dfrac{dk_t}{dt} + n k_t \quad \cdots \quad (6)$

が得られます。

 なお、境界条件を設定するため、生産関数$ f(k_t)$は、稲田条件に従っているとします。

  $ f(0) = 0 \quad , \quad f'(k_t)\gt0 \quad , \quad f'(0)=\infty \quad , \quad f'(\infty)=0$

家計

 各期の効用を$ u(c_t)$とし、$ \rho$を時間選好率とすると、全期間の効用$ U$は、次のようになります。

  $ \displaystyle U = \int^{\infty}_0 u(c_t) exp(-\rho t) dt \quad \cdots \quad (7)$

最適化問題

 以上を求めると、$ (6)(7)$式から、次のような最適化問題を解くことになります。

  $ max \, \displaystyle U = \int^{\infty}_0 u(c_t) exp(-\rho t) dt \quad \cdots \quad (8)$
  $ s.t. \, \displaystyle \dfrac{dk_t}{dt} = f(k_t) – c_t – n k_t$

 そして、共役変数を$ \mu_t$とし、ハミルトン関数$ H_t$を用いると、

  $ H_t = u(c_t) exp(-\rho t) + \mu_t (f(k_t) – c_t – n k_t) \quad \cdots \quad (9)$

を解くことになります。

 ここで、$ exp(-\rho t)$の取り扱いが厄介なので、

  $ \lambda_t = \mu_t exp(\rho t) \quad (10)$

と定義すると、$ (9)$式は、

  $ H_t = [u(c_t) + \lambda_t (f(k_t) – c_t – n k_t)] exp(-\rho t) \quad \cdots \quad (11)$

となります($ exp(-\rho t)$が[]の外に出ていることに注意)。

最適化条件

 $ (9)$式から、最適化の条件としては、次の3つのようになります。

  $ \displaystyle \dfrac{dH_t}{dc_t} = 0 \quad \cdots \quad (12)$
  $ \displaystyle \dfrac{d \mu_t}{dt} = -\dfrac{dH_t}{dk_t} \quad \cdots \quad (13)$
  $ \displaystyle \lim_{t \rightarrow \infty} k_t \mu_t = 0 \quad \cdots \quad (14)$

 ここで、$ (10)$式において、

  $ \displaystyle \dfrac{d \lambda_t}{dt} = \dfrac{d \mu_t}{dt} exp(\rho t) + \rho \mu_t exp(\rho t) = \dfrac{d \mu_t}{dt} exp(\rho t) + \rho \lambda \quad \cdots \quad (15)$

が成立していることに注意し、$ (12)(13)(14)$を解くと、

  $ \displaystyle u'(c_t) = \lambda_t \quad \cdots \quad (16)$
  $ \displaystyle \dfrac{d \lambda_t}{dt} = \lambda_t [ \rho + n – f'(k_t)] \quad \cdots \quad (17)$
  $ \displaystyle \lim_{t \rightarrow \infty} k_t u'(c_t) exp(-\rho t) = 0 \quad \cdots \quad (18)$

が得られます。

(16)式の導出方法
 $ (12)$式から、$ dH_t/dc_t = 0$であり、$ (11)$式を$ c_t$で微分すれば得られます。

(17)式の導出方法
 $ (15)$式から、

  $ \displaystyle \dfrac{d \lambda_t}{dt} = \dfrac{d \mu_t}{dt} exp(\rho t) + \rho \lambda$

であり、$ (13)$式を代入すると、

  $ \displaystyle \dfrac{d \lambda_t}{dt} = -\dfrac{dH_t}{dk_t} exp(\rho t) + \rho \lambda$

となります。

 ここで、$ (11)$式を$ k_t$で微分すると、

  $ \dfrac{dH_t}{dk_t} = \lambda_t (f'(k_t) – n] exp(-\rho t)$

が得られるので、上記の式に代入すると、

  $ \displaystyle \dfrac{d \lambda_t}{dt} = -\lambda_t (f'(k_t) – n] exp(-\rho t) exp(\rho t) + \rho \lambda$

であり、整理すると、

  $ \displaystyle \dfrac{d \lambda_t}{dt} = \lambda_t [ \rho + n – f'(k_t)]$

が得られます。

(18)式の導出方法
 $ (14)$式において、

  $ \displaystyle \lim_{t \rightarrow \infty} k_t \mu_t = 0$

であり、$ (10)$式の$ \mu_t = \lambda_t exp(-\rho t)$を使うと、

  $ \displaystyle \lim_{t \rightarrow \infty} k_t \lambda_t exp(-\rho t) = 0$

となり、$ (16)$式の$ u'(c_t) = \lambda_t$を用いると、$ (18)$式が得られます。

 更に、$ (17)(18)$式より、$ \lambda_t$をキャンセルすると、

  $ \displaystyle \dfrac{du'(c_t)/dt}{u'(c_t)} = \rho + n – f'(k_t) \quad \cdots \quad (19)$

が得られます。

定常状態

 定常状態における1人当たりの消費を$ c^*$、資本を$ k^*$とすると、定常状態では$ dlambda_t/dt = 0$となるので、$ (17)$式から、

  $ f'(k^*) = \rho + n$

となり、定常状態では、限界生産力は、時間選好率と人口増加率の合計に等しくなります。

 また、$ (6)$式を用いて、$ dk_t/dt =0$に注意すると、

  $ c^* = f(k^*) – n k^*$

と、消費水準も決定します。

参考

   Olivier Blanchard, Stanley Fischer『Lectures on Macroeconomics

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