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第一章 动态分析的数学基础
本章主要介绍与 Romer 的高级宏观经济学直接相关的数学基础,主要包括
动态系统、动态最优化原理。
第一节 动态系统基本理论
一、基本概念
(一)基本概念
变量为导数的方程称为微分方程。如果方程只有一个变量,则被称为常微
分方程(ODE ),否则,称为偏微分方程。ODE 的阶是方程中最高阶导数的阶数,
如一个 ODE 的最高阶导数为n 阶,则称它是一个 n 阶 ODE 。当方程的函数关系
是线性时,就称为线性 ODE 。如果方程涉及到多个变量的微分方程组,并且被
解释变量为时间,我们称该方程组为动态系统。经济学中大量的问题涉及的都是
经济现象在时间上的演变特征,动态系统成为分析这类问题的有力工具。
此时,微分方程都涉及到变量对时间的导数。如:
a1 y (t) +a2 y (t) +x (t) =0 (1)
方程中a1 和a2 是常数,x (t) 为已知的关于时间的函数,y (t) 描述了变量在不
同时点的状态,称为状态变量,若y (t) 是向量则为状态向量。由于a1 和a2 是常
数,称方程为常系数一阶线性方程。
假定方程(1)中变量关于时间是连续的,称为连续时间微分方程或连续系
统(CS );如果变量对时间的关系不是连续的,而是用离散时间来描述,称为离
散方程或离散系统(DS ),相应地与(1)相对应的离散系统表示为:
a1 y t +1 +a2 y t +xt =0 (2 )
微分方程根据是否显含时间分为自控方程和非 自控的两种类型。如果微分
方程不显含时间变量,则称微分方程是自控的,否则称为非自控的。
方程(1)中,若x (t) =a3 为一常数,则(1)就是自控的,经济学中涉及到
的宏观动态系统基本上主要是这类自控模型。进一步,若x (t) =0,则方程(1)
称为齐次方程,简称齐次的。
动态微分方程研究的主要问题是解的存在性和如何具体求出具体的动态路
径。不是所有的微分方程都能求解,本节主要讨论的是可求解的常微分方程。
通过方程的解确定的y (t) 的动态路径,称为方程或系统的流(Flow )。直观
上,系统的流是与系统的初始值(简称初值)和参数是相关的。对离散方程(2 ),
我们很容易验证这一点。假定:
y (t +1) =f ( y (t) ,t,α)
两边减去y (t) ,得到:
Δy (t) =y (t +1) -y (t) =f ( y (t) ,t,α) -y (t)
Δy (t) 衡量了y (t) 在每一步的移动情况,箭头表示y (t) 在每一步的移动方向,
沿着箭头的方向,就可以构造出系统的轨道。
y y
y 2 y (t ) =f (y (t))
y y (t)
1
y 0
t t
图2 离散时间的解轨道 图 3 连续时间的解轨道
动态方程或动态系统一般都有无数的解,所有这些解的集合称为系统的通
解。通解中每个特解对应状态变量(向量)在空间中的不同轨道,而我们往往对
其中的若干特解感兴趣,因此,需要对通解加上适当的附加条件,也就是通常的
初始条件(Initial Condition )。显然,每个轨道都依赖于初值和开始移动的时间。
0
y (0)
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