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柯布-道格拉斯生产函数

柯布—道格拉斯生产函数(Cobb–Douglas production function)把产出表示为几种投入的幂之积。两投入形式常写作 Q=AKαLβ,其中 K,L>0 分别是资本与劳动投入,A>0 为技术或尺度参数,指数 α,β>0。这是一个在给定技术、计量口径下研究投入与产出关系的模型;指数需要由理论设定或数据估计,不是数学公式自行给出的常数。

同一产出由两种投入共同决定

设 Q=2K0.4L0.6,为便于演算,K,L 取按固定单位衡量的正数。K=L=100 时,Q=2×1000.4+0.6=200 件/期。固定劳动,只将资本从 100 加倍到 200,产出变为 200×20.4≈263.90,没有翻倍;这不是投入“无效”,而是劳动仍保持原样。

若目标产出为 200,代入函数并整理,得到等产量线上各点满足 K0.4L0.6=100,L=(100K0.4)1/0.6. 图中向右增加 K 的同时,可以减少 L 并保持相同产量。等产量线说明模型允许投入间替代;它尚未给出哪一点成本最低,因为还没有说明资本和劳动的价格。

横轴资本K纵轴劳动L,三条向右下方弯曲的等产量线,标出K与L都为一百时产出二百
沿同一曲线移动只变投入组合,不变模型中的产出。不同曲线代表不同产出水平。

边际产出与弹性

固定劳动 L,只让资本增加一小量,资本的边际产出是 ∂Q∂K=αAKα−1Lβ=αQK. 本例在 (K,L)=(100,100) 处为 0.4×200/100=0.8 件/每单位资本;同理劳动边际产出 ∂Q/∂L=βQ/L=1.2 件/每单位劳动。它们是该点附近的局部变化率,不是增加任意大数量时产出的精确差额;刚才资本加倍的实际增量约 63.90,而用起点导数乘增加的 100 会得到 80。

对正投入取对数,ln⁡Q=ln⁡A+αln⁡K+βln⁡L。固定 L 时两边对 ln⁡K 求导,得 ∂ln⁡Q/∂ln⁡K=α。因此 α 是资本投入的产出弹性:资本在附近变化 1%,产出约变化 α%。这里“约”来自微分近似;例如加倍时必须用 2α 算精确因子。

规模报酬与参数拟合

把资本和劳动同时放大 t>0 倍,直接代回: Q(tK,tL)=A(tK)α(tL)β=tα+βQ(K,L). 所以 α+β=1 为规模报酬不变,和大于 1、小于 1 分别对应规模报酬递增、递减。本例两者都加倍,Q 从 200 变成 400。规模报酬比较的是所有可变投入一同扩张;前节固定劳动时的资本边际产出递减,与此不矛盾。

给定产量下的成本选择

等产量线上还有许多可行的 (K,L) 组合。若一单位资本的价格为 r、一单位劳动的价格为 w,总成本是 rK+wL。沿等产量线移动一点,产出变化为 dQ=QKdK+QLdL=0,因而 dL/dK=−QK/QL。在内点最优处,等成本线斜率 −r/w 与这条斜率相同,即 QKQL=rw,KL=αwβr. 第二式由 QK=αQ/K、QL=βQ/L 代入并交叉相乘得到。对本例取 r=2,w=1 且要求 Q=200,就有 K/L=1/3。把 K=L/3 代回 2K0.4L0.6=200,得到 L=10030.4≈155.18、K≈51.73,成本约 258.64;原来 K=L=100 的组合虽也产出 200,成本却是 300。这个切线条件在正价格、正投入和所画凸向原点的等产量线下给出内点解;若还有产能、整数或固定开机成本,须另行核查可行边界。

取对数后的线性式可以用回归估计 ln⁡A,α,β,前提是投入、产出为正且误差与测量口径合适。产业数据常有技术变化、投入质量差异和投入量由预期产出决定的内生性;只凭一条拟合直线不能断言系数是因果贡献。模型由 Charles W. Cobb 与 Paul H. Douglas 在 1928 年的产出研究中推广为经典形式。

参考与延伸