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Economia Matemática/Exercícios/Sosa

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Exemplo 4.2.3 [1] - Poliedro

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Um produtor de cerveja dispõe de 240 kg de milho, 5 kg de lúpulo e 595 kg de malte. Para produzir um barril de cerveja preta se requer de 2,5 kg de milho, 0,125 kg de lúpulo e 17 kg de malte enquanto que, para produzir um barril de cerveja loira, se requer de 7,5 kg de milho, 0,125 kg de lúpulo e 10 kg de malte. Calcular a máxima produção para obter a maior receita sabendo que um barril de cerveja preta custa 180 reais enquanto que a loira custa 120 reais.


Solução


Seja a quantidade de barril de CP e a quantidade de barril de CL.


milholúpulomalte
total


max maximizar o lucro - esta é a função objetivo
s.a limite de quantidade de milho
limite de quantidade de lúpulo
limite de quantidade de malte
e não se pode comprar uma quantidade negativa


Poliedro (Wikibooks, Wikipédia)


a) Desenhar os hiperplanos que, juntos, definem a restrição.


vetor normal
vetor normal
vetor normal


Para encontrar e em , foram considerados e como zero, respectivamente. Feito o mesmo procedimento para os valores de outros hiperplanos.


No Scilab, para visualizar o gráfico de , por exemplo, digite:
''


O Poliedro (Wikibooks, Wikipédia) tem quatro vértices e a solução é um deles. Então, calculando , e , temos:


(o maior dentro da restrição)
Com as equações e e
Com as equações e e
(o maior dentro da restrição)



Encontrando o segundo vértice pelo Scilab:


, que é equivalente a e retornará .


O mesmo procedimento para outros vértices.


Gráfico de Poliedro


Ainda precisamos utilizar o Lema de Farkas para verificar se, em cada vértice, não existe negatividade. Utilizando Scilab:


1º vértice:


(equivalente a )
e retornará . Não pode ser a solução.


O mesmo procedimento para outros vértices:


No V2: retornará . Não pode ser a solução.
No V3: retornará . É uma das soluções.
No V4: retornará . Não pode ser a solução.


Resposta final: além de o V3 ser maior, é a única solução.


Problema do consumidor (mercado com dois bens)

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Maximizar

,

= Orçamento; = Preço; = riqueza (wealth)


max
s.a
não é ativa
idem


Como não é linear, a solução não é o vértice. Usa-se o teorema de Karush-Kuhn-Tucker (Wikibooks, Wikipédia):


Gráfico de hiperplano H( (2,3) , 28 )



O gradiente da Cobb-Douglas não está definido nos eixos. A solução não pode ser de Canto.





Suponha que :


(restrição ativa)


Maximizar com duas variáveis

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Maximizar


max função objetivo
s.a função restrição
equivalente a (todas as restrições devem ser consistentes)
idem


Gráfico de hiperplano H( (p1,p2) , (p1w1,p2w2)) )


O gradiente da Cobb-Douglas não está definido nos eixos. A solução não pode ser de Canto.


Suponha que :



Substituindo na função restrição:



Maximizar com três variáveis

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Maximizar


max função objetivo
s.a função restrição
equivalente a (todas as restrições devem ser consistentes)
idem
idem



Suponha que :




Substituindo e na função restrição:



Exercícios de Mat II na UCB - mar/2014 - Cálculo de Variáveis

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Considere o problema de variações seguinte:

maximizar


Calcule a equação diferencial obtida da equação de Euler e ache os extremais, quando:


Equação de Euler



Equação Diferencial Ordinária (Wikibooks, Wikipédia)


. Sendo a solução particular (elimina-se cada derivada na equação de Euler) e a solução homogênea (elimina-se cada constante na equação de Euler).



Na solução homogênea, substituir por , sendo um número em derivadas e , algarismo arábico.



Solução geral:


Concavidade




é côncava. é solução do problema de maximização.


A partir de agora será omitido o para facilitar a leitura, i.e., subentendendo-se , e assim por diante.



Equação de Euler (substituir por ).



Integrando e .



Concavidade




não é côncava. é um extremal, mas não é solução do problema de maximização.



Equação de Euler



Equação Diferencial Ordinária (Wikibooks, Wikipédia)


. Sendo a solução particular (elimina-se cada derivada na equação de Euler) e a solução homogênea (elimina-se cada constante na equação de Euler).



Na solução homogênea, substituir por , sendo um número em derivadas e , algarismo arábico.



Solução geral:


Concavidade




não é côncava. é um extremal, mas não é solução do problema de maximização.



Equação de Euler



Integrando e (considerando como constante).



Concavidade




não é côncava. é um extremal, mas não é solução do problema de maximização.


Fazer o mesmo para o exercício 11.4 do livro [2] (pág 273), desde o item (a) até o item (i).


Equação de Euler



Integrando e .




Concavidade




não é côncava. é um extremal, mas não é solução do problema de maximização.



Equação de Euler



Integrando e .




Concavidade




é côncava. é solução do problema de maximização.



Equação de Euler



Integrando e .




Concavidade




não é côncava. é um extremal, mas não é solução do problema de maximização.



Equação de Euler



Integrando e .




Concavidade




não é côncava. é um extremal, mas não é solução do problema de maximização.



Equação de Euler



Concavidade




não é côncava. é um extremal, mas não é solução do problema de maximização.



Equação de Euler





Substituir por , sendo um número em derivadas e , algarismo arábico.



Substituir por .





Equação de Euler







Equação de Euler




Substituir por , sendo um número em derivadas e , algarismo arábico.





Equação de Euler-Poisson



Integrando , e .



Substituindo as condições iniciais.



Ainda há mais uma condição que não precisou ser utilizada para chegar ao extremal. Entretanto, podemos substituir a condição no extremal encontrado para ver se é atendida.


. Atende.


Exercício 1 [3] - Controle Ótimo

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1. Halle las sendas óptimas , y en los seguientes casos:


a.
max
s.a


Construir Hamiltoniano.



Princípio do Ótimo de Pontryagin (condição necessária de H).



As equações do movimento do problema.



Encontrar a constante por meio da condição de transversalidade.


Quando o tempo final é fixo e o Hamiltoniano não depende explicitamente do tempo , então, . Se o tempo final é livre, então . Portanto:



Para que a variação seja maior que zero, é necessário que .



Substituir em .



Substituir em .



Integrar .



Usar as condições iniciais do problema para achar a constante :




Montar a Hessiana para ver se a função Hamiltoniano é côncava. Se sim, então , e são soluções do problema de Controle Ótimo.



, é positiva semi-definida e a função Hamiltoniana é côncava.


b.
max
s.a


Construir Hamiltoniano.



Princípio do Ótimo de Pontryagin (condição necessária, mas não suficiente).



As equações do movimento do problema.



Substituir em .



Como resolver


Defina



Verificação








Logo:



Verificar se a função Hamiltoniana é côncava em relação a e .



, é positiva definida e a função Hamiltoniana é côncava.


c.
max
s.a


Construir Hamiltoniano.


. não é linear em relação a .


Princípio do Ótimo de Pontryagin (condição necessária de H).



As equações do movimento do problema.



Substituir em .



Equação Diferencial Ordinária (Wikibooks, Wikipédia) (e substituir em ).









Logo:



Verificar se a função Hamiltoniana é côncava em relação a e .



, é positiva semi-definida e a função Hamiltoniana é côncava.


d.
max
s.a


Construir Hamiltoniano.


. não é linear em relação a .


Princípio do Ótimo de Pontryagin (condição necessária de H).



As equações do movimento do problema.



Substituir em .



Logo,


Diagrama de Fase


Encontrar as singularidades


Singularidade (0,0)


Determinar os autovalores e autovetores:


Autovetores (pelo Scilab):


Gráfico autovetor


e.
max
s.a


Construir Hamiltoniano.


. é linear em relação a . Quando isto ocorre, está localizada na fronteira do conjunto. Exemplo:



Gráfico exemplo - linear


Para determinar , usamos as equações de movimento.



Como é positivo, o sinal de depende do valor de .


Como é livre, usamos a condição de Transversalidade.



Logo, .


Porém, neste problema não foram estabelecidas as restrições para . Não temos a informação , portanto este problema não tem solução.


f.
max
s.a


g.
max
s.a


h.
max
s.a


Exercícios 4(a. e b.), 5(a.) e 6(a.) [4] - Controle Ótimo

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4. La curva de demanda de un mercado en el instante "" viene dada por:



Donde y representan la cantidad y el precio, respectivamente. En este mercado existe una firma grande que fija el precio, y un grupo de firmas pequeñas que son tomadoras de precios. Nuevas firmas pequeñas entrarán al mercado si la firma grande determina un precio mayor a . La producción agregada de las firmas pequeñas se comporta de acuerdo con la siguiente ecuación diferencial:



La compañía grande produce una cantidad , y presenta un costo medio constante e igual a c . El objetivo de la empresa es maximizar el valor presente de sus beneficios descontados a la tasa "":



a. Plante un diagrama de fase que explique la dinámica del precio y la producción de las pequeñas firmas.
b. Encuentre el valor del precio y la producción de las pequeñas firmas en le estado estacionario.


5. La variación de las ventas () de un producto de la firma XYZ decrece de manera proporcional al monto de las ventas, pero aumenta proporcionalmente al gasto en publicidad () destinado al sector del mercado que aún no adquiere el producto. De esta forma, las ventas se comportan de acuerdo con la siguiente ecuación diferencial:


Dado


Donde M es el valor de las ventas de todas las empresas dentro del mercado. El objetivo de la empresa es maximizar el valor de las ventas hasta el período "":



a. Si la firma XYZ puede destinar a lo más unidades monetárias (u.m.) en publicidad, mediante el principio del máximo halle la política publicitaria óptima y la evolución de las ventas. Asuma los siguientes valores para los parámetros: . Considere que las variables de control y estado se encuentran expresadas en miles de u.m.


6. Suponga que un partido político acaba de ganar las elecciones presidenciales() y que las próximas elecciones se realizarán dentro de "" años. El partido gobernante desea ser reelegido en las siguientes elecciones, razón por la cual busca maximizar la intención de voto de la ciudadanía representada a través de la función . Los votantes evalúan al gobierno sobre la base de la evolución de la inflación () y el desempleo () durante el período de gobierno. Los electores le asignan una mayor importancia a la situación económica cercana al período de elección, de acuerdo con el factor . De este modo, el funcional objetivo del partido governante es el siguiente:



La inflación, el desempleo y la inflación esperada () en la economía se relacionan de acuerdo con la curva de Phillips:



Por otra parte, la inflación esperada se forma de acuerdo con expectativas adaptativas:



a. Halle la trayectoria del desempleo, la inflación y la inflación esperada, si el valor inicial de la inflación esperada es y el valor terminal es libre. Considere al desempleo como la variable de control y a la inflación esperada como la variable de estado.



Exercícios 6.3 a 6.5 [5]

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6.3 Comprobar que las siguientes sucesiones dadas son soluciones de las ecuaciones:





Portanto, , o que comprova que .





Como , então . Substituindo por e por : . Portanto, fica comprovado que .



Como , então .


Substituindo por , fica comprovado que .


6.4 Resolver las siguientes ecuaciones y analizar la convergencia del sistema. Realizar la gráfica de la función en todos los casos.


Apenas para lembrete:



Como , então:



Como tende para zero com , então tende para zero e, , Converge para o ponto .


Gráfico convergindo para dois




Como , então:



tende para o infinito positivo com e, , Produz uma série divergente.


Gráfico tendente para infinito positivo



Como , então:




, não está definido e produz uma série divergente.


Gráfico oscilando




Como , então:



Como tende para zero com , então Converge para zero.


Gráfico convergindo para zero


6.5 El ingreso, , evoluciona de acuerdo a la siguiente ecuación:



en donde es inversión y es el consumo. Si con y y la inversión es constante de manera que , obtener una ecuación en diferencias para el ingreso y resolver. Analizar la convergencia del modelo.




Tem como ponto fixo



, pois e são positivos e menor que .


Se , então , convergindo monotonamente se ou alternadamente se .


Conforme as condições iniciais, o não pode ser maior que (ou igual a) . No caso de , o não é definido e produz uma série divergente.


Referências

  1. CROUZEIX, Jean Pierre; KERAGHEL, Abdelkrim; SANDOVAL, Wilfredo Sosa. Programación Matemática Diferenciable. Lima: Universidad Nacional de Ingeniería - Faculdad de Ciencias, 2011.
  2. LOMELÍ, Héctor y RUMBOS, Beatriz. Métodos Dinámicos en Economía. Outra Búsqueda del Tiempo Perdido. Río Hondo: Instituto Tecnológico Autónomo de México, 2001.
  3. BONIFAZ F., José Luis; LAMA C., Ruy. Optimización dinámica y teoría económica. Lima: Centro de Investigatión de la Universidad del Pacífico, 1999.
  4. BONIFAZ F., José Luis; LAMA C., Ruy. Optimización dinámica y teoría económica. Lima: Centro de Investigatión de la Universidad del Pacífico, 1999.
  5. LOMELÍ, Héctor y RUMBOS, Beatriz. Métodos Dinámicos en Economía. Outra Búsqueda del Tiempo Perdido. Río Hondo: Instituto Tecnológico Autónomo de México, 2001.