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Estabilidad del equilibrio en estado estacionario para el modelo de generaciones superpuestas

Según la Proposición 9.4 de la Introducción al Crecimiento Económico Moderno de Daron Acemoglu:

En el modelo de generaciones superpuestas con hogares que viven dos períodos, tecnología Cobb-Douglas y preferencias CRRA, existe un equilibrio estacionario único con una ratio de capital-labor k* dada por (9.15) y siempre y cuando $\theta \geq 1$, este equilibrio estacionario es globalmente estable para todo k (0) > 0.

Donde (9.15) es: $$(1+n)[1+\beta^{-\frac{1}{\theta}}(\alpha(k^*)^{\alpha-1})^{\frac{\theta-1}{\theta}}] = (1-\alpha)(k^*)^{\alpha - 1}$$

¿Por qué $\theta$ tiene que ser mayor o igual a 1 para que el equilibrio estacionario sea globalmente estable?

Como se deriva en el texto (9.17): $$k(t+1)=\frac{(1-\alpha)k(t)^\alpha}{(1+n)[1+\beta^{-\frac{1}{\theta}}(\alpha k(t+1)^{\alpha-1})^{\frac{\theta-1}{\theta}}]}$$

Podemos rearranjar para obtener: $$\begin{align} k(t)&=\big[ \frac{1+n}{1-\alpha} [k(t+1)+\beta^{-\frac{1}{\theta}}\alpha^{\frac{\theta-1}{\theta}}k(t+1)^{(\alpha-1)(1-\frac{1}{\theta})+1}] \big]^\frac{1}{\alpha} \text{ .....(1)} \end{align} $$

Sea $n = 0.01$, $\alpha = 0.25$, $\beta = 0.75$.

Si $\theta = 1$, podemos trazar el gráfico: Introducir descripción de la imagen aquí

La línea azul es la ecuación (1) donde $\theta = 1$ y la línea roja es la línea de 45 grados. Se puede ver que para todo k > 0, k convergerá al equilibrio estacionario k*. El equilibrio estacionario es globalmente estable.

El caso es similar para $\theta > 1$, en el cual el equilibrio estacionario es globalmente estable.

Si $\theta < 1$, como $\theta = 0.5$, podemos trazar un gráfico similar a: Introducir descripción de la imagen aquí

El gráfico es similar a los gráficos para el caso en que $\theta \geq 1$. El equilibrio estacionario sigue siendo globalmente estable.

No he podido encontrar un caso en el que $\theta < 1$, pero el equilibrio estacionario no es globalmente estable. Parece que $\frac{1}{\alpha} > 1$ para $\alpha \in (0,1)$ determina la forma de la ecuación (1), haciendo que el equilibrio estacionario sea globalmente estable. Sería bueno si alguien pudiera mostrarme un contraejemplo donde $\theta < 1$, pero el equilibrio estacionario no es globalmente estable. Sería mejor si alguien pudiera mostrarme cómo demostrar formalmente la proposición 9.4.

Agradecimientos: Los gráficos son modificados de los generados por Wolframalpha.

Edición (19 de abril de 2017): Caso $\theta = 0": Nota que cuando el libro deriva (9.17), asume implícitamente que $\theta \neq 0$ (para la derivación de la ecuación de Euler para el consumo en P.333 de la edición de 2009 del libro). Cuando $\theta = 0$, la ecuación (1) ya no se aplica. Volviendo al problema de maximización de la utilidad con $\theta = 0$:

$$ \text{max } U(t) = c_1(t) + \beta(c_2(t+1)) \text{ tal que } c_1(t) + \frac{c_2(t+1)}{R(t+1)} = w(t) \\ \Leftrightarrow \text{max } U(t) = c_1(t) + \beta(w(t) - c_1(t))R(t+1) = c_1(t) (1 - \beta R(t+1)) + \beta R(t+1)w(t) \\ \text{ ...Se debe tratar R(t+1) como dado en el problema de optimización del consumidor} $$

s(t) tiene que ser no negativo para $k(t+1) = \frac{s(t)}{1+n}$ y k(t+1) es no negativo. $$ c_1(t)^* = \begin{cases} w(t)\text{, para }\beta R(t+1) <1 \\ [0, w(t)]\text{, para }\beta R(t+1) = 1 \\ 0\text{, para }\beta R(t+1) > 1 \\ \end{cases} $$ $$ s(t)^* = \begin{cases} 0\text{, para }\beta R(t+1) <1 \\ w(t) - c_1(t)^* \in [0, w(t)]\text{, para }\beta R(t+1) = 1 \\ w(t)\text{, para }\beta R(t+1) > 1 \\ \end{cases} $$ Para $R(t+1) = f'(k(t+1)) = \alpha k(t+1)^{\alpha - 1}$, $$ k(t+1) = \frac{s(t)}{1+n} = \begin{cases} 0\text{, para }\beta R(t+1) <1 \Leftrightarrow k(t+1) < (\alpha \beta)^{\frac{1}{1 - \alpha}} \\ \frac{w(t) - c_1(t)}{1+n} \in [0, \frac{w(t)}{1+n}]\text{, para }\beta R(t+1) = 1 \Leftrightarrow k(t+1) = (\alpha \beta)^{\frac{1}{1 - \alpha}}\\ \frac{w(t)}{1+n} = \frac{k(t)^\alpha - k(t)\alpha k(t)^{\alpha -1}}{1+n} = \frac{1-\alpha}{1+n}k(t)^\alpha\text{, otherwise} \Leftrightarrow k(t) > [\frac{1+n}{1 - \alpha} (\alpha \beta)^{\frac{1}{1 - \alpha}}]^{\frac{1}{\alpha}} \\ \end{cases} $$

Casos:
Caso 1: $\beta R(t+1) < 1 \Leftrightarrow R(t+1) < \frac{1}{\beta}$: Como la función de producción $f(k)$ es Cobb-Douglas, satisface la condición de Inada: $lim_{k(t) \to 0} f'(k(t)) = \infty$. Pero como $f'(k(t)) = R(t)$, $lim_{k(t) \to 0} R(t) < \infty$ para $R(t) < \frac{1}{\beta} < \infty$ ya que $\beta \in (0,1)$, lo cual viola la condición de Inada. Esta contradicción significa que este caso es imposible.

Caso 2: $\beta R(t+1) = 1 \Leftrightarrow \beta \alpha k(t+1)^{\alpha-1} = 1 \Leftrightarrow k(t+1)^{\alpha-1} = \frac{1}{\alpha \beta} \Leftrightarrow k(t+1)^{1-\alpha} = \alpha \beta$: Denotando la tasa de ahorro en t como $\mathcal{S}(t) = \frac{s(t)}{w(t)}$. $k(t+1) = \frac{s(t)}{1+n} = \frac{\mathcal{S}(t)w(t)}{1+n} = \frac{\mathcal{S}(t)(1-\alpha)k(t)^\alpha}{1+n}$. En estado estacionario, $k^* = \frac{\mathcal{S}^*(1-\alpha){k^*}^\alpha}{1+n}$, lo que significa que $\mathcal{S}^* = \frac{1+n}{1-\alpha}{k^*}^{1-\alpha} = \frac{1+n}{1-\alpha} \alpha \beta$. Para $\mathcal{S}^* > 1 \Leftrightarrow (1+n)\alpha\beta > 1 - \alpha \Leftrightarrow \beta > \frac{1 - \alpha}{\alpha (1+n)}$, lo cual es posible. Dado que la tasa de ahorro no puede ser mayor que 1, esta contradicción significa que este caso es imposible.

Caso 3: $\beta R(t+1) > 1$: Este caso es posible. $$ k(t+1) = \frac{1-\alpha}{1+n} k(t)^\alpha $$ Podemos trazar el gráfico:Introducir descripción de la imagen aquí
La línea roja es la línea de 45 grados. La línea azul es $k(t+1) = \frac{1-\alpha}{1+n} k(t)^\alpha$ donde $0 < \alpha < 1$. Para todo k(0) > 0, k convergerá al estado estable $k^* = \frac{1-\alpha}{1+n} {k^*}^\alpha \Leftrightarrow k^* = [\frac{1-\alpha}{1+n}]^{\frac{1}{1-\alpha}}$. El equilibrio estacionario es globalmente estable.

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Bernard Puntos 10700

En la página 334 del libro (edición de 2009), leí:

Proposición 9.4 En el modelo de generaciones superpuestas con hogares que viven dos períodos, tecnología Cobb-Douglas y preferencias CRRA, existe un equilibrio de estado estacionario único con la relación capital-trabajo $k^*$ dada por (9.15) y para cualquier $\theta >0 este equilibrio de estado estacionario es globalmente estable para todo $k(0) > 0.

...no dice "...siempre y cuando $\theta \geq 1$".

ADENDUM: El caso $\theta =0

El OP elaboró sobre el caso $\theta=0. Así que intentemos resolver esto.

Aquí, la utilidad intertemporal se vuelve lineal en el consumo. También permitimos que el consumo sea cero - asumimos que hay un endoso exógeno que se encarga de las necesidades biológicas de los individuos aquí y no puede usarse para ningún otro propósito, por lo que la elección de consumo no se trata de la supervivencia. Aún así, estamos interesados en casos económicamente interesantes, por lo que excluimos el caso $c_2=0$ porque eso significaría que el stock de capital será cero y la economía se detendrá. Así que solo permitimos $c_1=0$. Luego, incorporando la restricción de igualdad en la función objetivo, resolvemos

$$\max U = c_1(t) + \beta R(t+1)[w(t)-c_1(t)]\;\;\; s.t.\;\; 0\leq c_1(t) < w(t)$$

Entonces, el Lagrangiano es

$$\Lambda = c_1(t) + \beta R(t+1)[w(t)-c_1(t)] + \lambda c_1(t)$$

y la f.o.c. es

$$1 - \beta R(t+1) +\lambda \leq 0,\;\;\;\; (1 - \beta R(t+1) +\lambda)\cdot c_1(t) = 0$$

Ignoraré cuestiones de condiciones de segundo orden para un máximo.

CASO 1. Supongamos $$c_1^*(t) >0 \implies \lambda=0 \implies 1 = \beta R(t+1)$$

$$\implies 1 = \beta ak(t+1)^{a-1} \implies k(t+1) = (a\beta)^{1/(1-a)}$$

Pero esto debe mantenerse para todos los períodos de tiempo, por lo que solo puede mantenerse para un valor específico de endoso inicial de capital y no para todo $k(0) >0$. Entonces, ya vemos que este caso no satisface las condiciones para las cuales se establece la Proposición 9.4.

CASO 2. Supongamos $$c_1^*(t) =0 \implies \lambda>0 \implies 1 - \beta R(t+1) +\lambda \leq 0 \implies \beta R(t+1) > 1$$

$$\implies \beta ak(t+1)^{a-1} >1 \implies k(t+1) < (a\beta) ^{1/(1-a)}$$

Aquí, el stock de capital debe mantenerse por debajo de un nivel fijo en todos los períodos de tiempo. Nuevamente, esto impone restricciones sobre el valor del stock de capital inicial $k(0)$.

Entonces, en ambos casos, si existe un equilibrio de estado estacionario, no puede ser "globalmente estable, para todos $k(0) >0$".

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Parece que estoy leyendo la edición de 2007 del libro, que es la versión preliminar. Pero, incluso si $\theta = 0$, la ecuación 1 se convierte en $k(t) = [\frac{1+n}{1-\alpha}k(t+1)]^{\frac{1}{\alpha}}$, el gráfico con la ecuación 1 y la línea de 45 grados será similar a las mostradas en mi publicación, el equilibrio de estado estacionario seguirá siendo globalmente estable. ¿Estoy en lo correcto?

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@ChrisCheung Te sugeriría retroceder al inicio de este problema de optimización de utilidad y resolverlo con $\theta=0$, observando también qué sucede con la tasa de ahorro.

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Hice el siguiente cálculo: $$ \text{max } U(t) = c_1(t) + \beta(w(t) - c_1(t))R(t+1) \\ = w(t) - s(t) + \frac{\alpha\beta}{(1+n)^{\alpha - 1}} s(t)^\alpha $$ La condición de primer orden con respecto a $s(t)$ da: $s(t)^* = (1+n)(\alpha^2 \beta)^{\frac{1}{1 - \alpha}}$ Entonces, $ k(t+1) = \frac{s(t)}{1+n} = (\alpha^2 \beta)^{\frac{1}{1 - \alpha}}\text{ ,una constante}$. Esto significa que el equilibrio de estado estacionario donde $k^* = (\alpha^2 \beta)^{\frac{1}{1 - \alpha}}$ es globalmente estable ya que incluso si k se desvía de $k^*$ por un período, al siguiente período k volverá al estado estacionario $k^*$. ¿Estoy en lo correcto?

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