微积分及经济学应用

第3章 微积分及其经济学应用

3.1 一元函数和多元函数

在数学上，函数的定义为：如果在一个变化过程中有两个变量x 和y ，对任意给定的

x 值，仅存在一个y 值与其对应，则称y 是x 的函数，表示为)(x f y =。

其中x 为自变量，y 为因变量。由于函数关系中仅有一个自变量，因此该函数称为一元函数。x 能够取得的所有值的集合称为函数定义域，y 能够取得的所有值的集合称为函数值域。

在对经济问题的分析过程中，我们通常用函数来描述经济变量之间的变化关系。例如，在商品的供求关系中，定义某种商品价格为P ，需求量为D Q ，供给量为S Q 。那么，需求与价格的函数关系可以表示为：)(P f Q D =，)(P g Q S =。

然而我们所处的经济环境是非常复杂的，每一个经济变量都要受到多种因素的影响。因此，采用一元函数来分析经济问题就会有很大的局限性。所以我们常常采用多元函数来研究经济问题。多元函数是在一个函数关系中函数值是由多个变量确定的，用

),,,(21n x x x f y =的形式来表示，它表示因变量y 的值取决于n 个自变量n

x x x ,,,21 的大小。

例如在消费理论的基本假设中，每个消费者都同时对多种商品有需求，“效用”取决于所消费的各种商品的数量，效用函数就可以表示为),,,(21n x x x f U =，其中U 表示消费者的效用，n x x x ,,,21 是对n 种商品的消费量。这个函数称为效用函数。同样，生产函数常表示为),(K L f y =，y 为产出水平，K 表示资本，L 表示劳动力。它说明产出水平既取决于劳动力又取决于资本。

Q=A*L^ alpha *K^ belta A=1;alpha=0.5;belta=0.5;

资本

柯布道格拉斯生产函数

劳动力

产值

3.2水平曲线

二元函数),(y x f z =的水平曲线定义为：C y x f =),(，C 为常数，它表示曲面上z 值为常数C 的点),(y x 连接而成的曲线。

对于三元函数),,(z y x f M =，称C z y x f =),,(为水平曲面，它表示M 值为常数C 的点),,(z y x 连接而成的曲面。

水平曲线在经济学中有重要的应用，如生产函数为),(K L f y =，其中y 为产出，L 为劳动力，K 为资金，如下图所示第一象限中的点表示正的劳动投入和资金投入的所有可能组合，且每一个点对应一个y 值，所有对应5=y 的点（L ，K ）连接起来就是一条曲线，这条曲线就是一条水平曲线，经济学家将这条水平曲线称为等产量曲线，实际上这条曲线是用5=y 平面截曲面),(K L f y =所得曲线在K L -平面的投影。自然这条曲线上所有点对应的y 值为5，如下图中，点A 、B 、C 、D 对应的y 值皆为5，因此将这条水平线也称为等值线、等高线，E 点则代表产出为10的等产量曲线，F 点则代表产出为15的

等产量曲线，可见越向右上方向的等产量曲线的产出值越大。

生产函数的水平曲线

在消费理论中，假设消费者只消费两种商品，那么它的效用取决于这两种商品消费量的组合。如果用U 表示效用，21,x x 分别表示这两种商品的消费量，那么它的效用函数就是二元函数，可以表示为),(21x x U U =。平面直角坐标系第一象限中的点表示出两种商品消费量的所有可能组合，平面上的每一点对应),(21x x U 曲面上的一个值。如果将对应

0U 的点连起来就表示在效用水平为0U 的情况下的一条水平曲线。经济学上将这条水平曲

线称为无差异曲线或等效用曲线。

3.3 极限

1.极限的定义

数列极限的定义：在数列{}n a 中，任取0>ε，如果存在N ，使得当N n >时，

ε<-A a n ，则称当n 趋于无穷大时，A 为n a 的极限。表示为：

A a n n =∞

→lim 或者A a n →)(∞→n 。 在数列{}n a 中，n a 与n 一一对应，因此可以将n a 视为定义域为正整数n 的函数

)(n f a n =。因此对数列极限的定义进行推广，就可以得到函数)(x f 当∞→x 和0

x x →

极限的定义。

函数极限的定义

当∞→x 时函数极限的定义：任取0>ε，存在X ，使得当X x >时，

ε<-A x f )(，那么常数A 为当∞→x 时)(x f 的极限，记为A x f x =∞

→)(lim 或者 A x f →)()(∞→x 。

当0x x →时函数极限的定义：任取0>ε，存在0>δ，使得当δ<-<00x x 时，

ε<-A x f )(，那么常数A 为当0x x →时)(x f 的极限，记为A x f x x =→)(lim 0

或者A x f →)()(0x x →。

2. 左极限与右极限

当x 从0x 的左侧（即小于0x 的方向）趋向于0x （记为-

→0x x ），若此时)(x f 有极限A ，则称A 为当-→0x x 时的左极限。记为A x f x

x =-→)(lim 0

或者A x f →)()(0-→x x 。 当x 从0x 的右侧（即大于0x 的方向）趋向于0x （记为+

→0x x ），若此时)(x f 有极限A ，则称A 为当+→0x x 时的右极限。记为A x f x

x =+→)(lim 0

或者A x f →)()(0+→x x 。 3. 极限的运算法则

定理：如果A x f x x

=→)(lim 0

，B x g x

x =→)(lim 0

，且A ，B 有限则 (1) B A x g x f x g x f x

x x x x x

±=±=±→→→)(lim )(lim )]()([lim 0

(2) AB x g x f x g x f x

x x x x x =-=→→→)(lim )(lim )]()([lim 0

(3) )(lim )(lim 0

x f c x cf x

x x x →→= (4) n

x

x n x x x f x f )](lim [)]([lim 0

→→= 4. 两个重要的极限

(1) 1sin lim

0=→x x x ，(2) e x

x x =+∞→)1

1(lim

3.4连续复利

连续复利的计算，是函数极限在经济学的经典应用。假设一个人将a 元存入银行，银