福利经济学第一定理：数学证明

附录2A.1：偏好，效用函数和需求函数

如果消费者的偏好是理性的．．．（完备的和传递的．．．．．．．），连续的．．．

，那么就存在着一个能代表该偏好的连续效用函数．．．．．．:L

u +→R R 。其中L 表示消费集的维度，也就是商品的种类，除非做特别说明，我们总是假定2L =，即消费者消费1x 和2x 两种商品。我们还假定偏好是单调．．的和凸的．．．．，则效用函数u 是递增的和拟凹的．．．．．．．

。给定上述假定，我们能够得到一组形状良好的无差异曲线，如图2A －1，消费者的无差异曲线是一组凸向原点的曲线，离原点越远，其代表的效用水平越高1。

图2A －1 无差异曲线

一个常用的符合上述假定的效用函数是柯布－道格拉斯效用函数，其形式是：

1212(,)u x x Ax x αβ

=

其中0,01,01A αβ><<<<。显然，u 是连续的，递增的，凹的。 一个理性的消费者面临的问题是在约束条件下追求效用最大化．．．．．．．．．．．．．。其约束条件为：

1122p x p x w +≤

其中，12,p p 为两种商品的市场价格，w 则表示消费者的财富（或收入）。给定偏好的单调性，这一约束一定是紧的，也就是1122p x p x w +=。

则消费者的效用最大化问题可以描述为： 12max (,)x u x x

1122..s t p x p x w +=

上述问题的拉格朗日函数可以写为：

121122(,)()L u x x w p x p x λ=+--

这一问题的一阶条件为：

11u p x λ∂=∂，22

u

p x λ∂=∂ 假定效用函数是凹的，上述条件是充分必要的。两式相除，得到：

1

关于偏好，以及偏好与效用效用函数关系的进一步讨论，参见马斯－克莱尔等人，《微观经济理论》，中国

社会科学出版社，2001年版；瓦里安，《微观经济学（高级教程）》，经济科学出版社，1997年版。

O

x 1

x

2

1212

u u

p p x x ∂∂=∂∂ 上式意味着消费者实现效用最大化的条件是消费两种商品最后一单位的边际效用之比等于两种商品的价格之比。

我们还定义消费者无差异曲线斜率的绝对值为边际替代率（MRS ），表示给定效用水平保持不变（比如u ），少消费一单位商品1，必须增加消费多少单位的商品2，即2

1

dx MRS dx =-

。无差异曲线的数学形式为：12(,)u x x u =，表示使消费者的效用水平达到u 的所有商品组合，两位全微分，得到

12120u u dx dx du x x ∂∂+==∂∂，这样我们就得到，212

1dx u

u

x x dx ∂∂-=∂∂。这一结果表明，边际替代率（MRS ）等于边际效用之比。

解上述问题，得到消费者效用最大化的解：

*1112(,,)x x p p w = *2212(,,)x x p p w =

上面两个式子就是消费者的（马歇尔）需求函数，表示当市场价格和财富分别为

12,,p p w 时，消费者愿意消费的（效用最大化的）商品1x 和2x 的数量。

显然，**

12112212(,)[(,,),(,,)]u x x u x p p w x p p w =为给定价格和财富水平为12,,p p w 时

消费者所能达到的最大效用，我们令：

12112212(,,)[(,,),(,,)]v p p w u x p p w x p p w =

12(,,)v p p w 是一个复合函数，我们将其称为间接效用函数，它表示随着价格和财富水平的

变化，消费者所能够实现的最大效用的变化。

下面我们给出两个特例： 特例1：柯布－道格拉斯偏好

消费者的效用最大化问题为： 12max x Ax x αβ

1122..s t p x p x w +=

一阶条件为：1121A x x p αβαλ-=和1

122A x x p αββλ-=，两式相除得到：

21

12

x p x p αβ=

将约束条件代入，可以得到：()*

11w x p ααβ=+，()*

22

w x p βαβ=+。

特例2：拟线性偏好

如果消费者的偏好是拟线性的，那么她的效用函数的形式为：1212(,)()u x x x x φ=+，

这时，给定相对价格不变，消费者愿意消费的商品2x 的数量*

2x 是唯一．．的，无论消费者的财富水平怎样变化（只要保证*22w p x ≥）。为了说明这一点，我们来求消费者的最大化问题： 12max ()x x x φ+

1122..s t p x p x w +=

一阶条件是：11p λ=，22'()x p φλ=，得到：221'()x p p φ=，则*

1221'()x p p φ-=，

这意味*

2x 仅仅是相对价格的函数，与财富水平无关。给定相对价格不变，财富的变化只会

改变消费者对1x 的消费数量，而不会改变她对2x 的消费数量。

假定22()ln x x φ=，则有：*212x p p =，*

111x w p =-。

拟线性偏好非常重要，在公共经济学，特别是公共产品和外部性理论中有广泛的应用。

附录2A.2：生产集，生产函数，成本函数和生产可能性边界

现在我们考察企业的行为。企业总是在特定的技术约束下将投入品转化为产品，从而可行的生产计划总是受到特定技术的约束。我们把在技术上可行的所有的投入和产出组合（生产计划）的集合称作生产集．．．

，通常用Y 表示。如图2A －2，假定只有一种投入品z ，一种产品y ，图中的阴影部分就是生产集。通常，我们假定生产集是一个非空的闭集，也就是说生产集包括它的边界，这条边界线所确定的函数就是生产函数．．．．

，用()y f z =表示。这样，我们就可以把生产集Y 写成：{}(,):()0,0Y z y y f z z =-≤≥。我们还假定生产集是凸的，也就是任意两个可行的生产计划的线性组合一定是可行的。可以证明，对于单一产出的技术，生产集是凸的等价于生产函数()y f z =是凹的2。

图2A －2 生产集

为了考察企业在成本约束下的最优投入品组合，我们现在假定存在两种投入要素，1z 和

2z ，生产函数为12(,)y f z z =。企业面临的问题是给定成本约束，选择最优的投入品组合，

使其产出最大化，即：

12max (,)z f z z 1122..s t z z c ωω+=

其中，c 为企业的最高成本约束，12,ωω分别为两种投入品的市场价格。一阶条件是

11f z λω∂∂=和22f z λω∂∂=。

假定生产函数是凹的，上述条件是充分必要的。两式相除，得到：

11

22

f z f z ωω∂∂=

∂∂

2

关于生产集及其与生产函数的关系的进一步讨论参见马斯－克莱尔等人，《微观经济理论》；瓦里安，《微观经济学（高级教程）》。