数据包络分析经典.ppt

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1、数据包络分析经典数据包络分析经典现在学习的是第1页，共46页审审视视数数据据包包络络分分析析（DEA)）从从数学数学和和经济学经济学两方面审视数据包络分析两方面审视数据包络分析 Data Envelopment Analysis（简称 DEA）1978年年 A.Charens,W.W.Cooper和和E.Rhodes等人首先给出的等人首先给出的 第一个第一个DEA模型模型C2R.现在学习的是第2页，共46页 审审 视视1978年：对当第一个年：对当第一个DEA模型模型C2R,认为是一种关于效率评价的新方法认为是一种关于效率评价的新方法 2004年年(二十六年之后二十六年之后):DEA已经已经形

2、成了一个数学、经济学、管理科形成了一个数学、经济学、管理科学交叉研究的新领域学交叉研究的新领域 现在学习的是第3页，共46页 在在DEA领域，在以下几个方面做了一领域，在以下几个方面做了一系列奠基性的工作：系列奠基性的工作：（）完成大量应用的实例）完成大量应用的实例；（）DEA模型的扩充和完善模型的扩充和完善 例如,DEA模型BC2，FG和ST；加法模型加法模型；Log型型的DEA模型；带偏好的锥比率的锥比率的DEA模型模型；具有无穷多个DMU的半无限规划的半无限规划的DEA模型模型；随机随机DEA模型模型；逆逆DEA模模型型；等等.()DEA模型和方法的经济背景和管理背景研究模型和方法的经济

3、背景和管理背景研究；()进行进行DEA模型的计算研究和模型的计算研究和DEA软件的研制软件的研制；（）DEA所依据的数学理论研究，现在学习的是第4页，共46页1.第一个第一个DEA模型模型C2R 1 2 n x1 x2 xn y1 y2 yn 评价DMUj0的DEA模型（C2R）为分式规划（h0为DMUj0的效率指数）：现在学习的是第5页，共46页分式规划分式规划(其中其中x x0 0=x=xj0j0,y,y0 0=y=yj0 j0,1j1j0 0nn现在学习的是第6页，共46页 用用1962年年Charnes和和Cooper对于分式规对于分式规划的划的CharnesCooper变换（称为变换

4、（称为 C2变换）变换）:现在学习的是第7页，共46页 DEA有效的定义有效的定义:弱弱DEA有效有效:最优目标值(称为效率指数)h0=1 DEA有效有效:若（PC2R）存在最优解0,0满足0 0,0 0，h0=0y0 =1 利用（PC2R）来判别DMU的DEA有效性并不直接考虑（PC2R）的对偶规划问题现在学习的是第8页，共46页利用线性规划的对偶定理和紧松定理，可以得到关于DEA有效的等价定义现在学习的是第9页，共46页 DEA有效有效:若（DC2R）的任意最优 解0,0j,j=1,2,n,都满足 2.DEA有效性的判别有效性的判别(计算计算)利用（DC2R）判断DMU的DEA有效性时也不

5、直接对于DEA模型（DC2R），Charnes和Cooper给出了具有非阿基米具有非阿基米德无穷小量的德无穷小量的DEA模型模型现在学习的是第10页，共46页 此后，人们又发现用“两步法两步法”判断DMU的弱DEA有效性和DEA有效性（即源于Charnes等人的目标规划形式的“加法模型”同时,人们又研究了DEA模型的计算稳计算稳定性和灵敏度分析定性和灵敏度分析,等等.DEA软件研制软件研制.至此，至此，DEA有效性的判别和计算已经有效性的判别和计算已经完成完成 现在学习的是第11页，共46页 3.（弱）（弱）DEA有效与（弱）有效与（弱）Pareto最优最优的等价性的等价性(1985)设0,0

6、为（PC2R）的最优解。若DMUj0为弱DEA有效，则(x0,y0)为下面线性加权和问题的最优解其中其中现在学习的是第12页，共46页 定理定理 DMUj0为（弱）DEA有效的充分必要条件是：(x0,y0)为多目标规划（）的（弱）Pareto解，其中并且现在学习的是第13页，共46页 4.锥比率的DEA模型C2WH(1987)C2R模型之下的DEA有效概念与多目标规划的Pareto解等价.DEA模型C2R没能体现决策者的偏好.早在1974年P.L.Yu就给出了多目标的非支配解(Nondominated Solution）的概念，已将多目标的Pareto解推广到能体现决策者偏好的非支配解.现在学

7、习的是第14页，共46页 1989年Charnes，Cooper，Wei和Huang推广了C2R模型，得到体现决策者偏好的、被称为“锥比例的C2WH模型”.其中 X=(x1,x2,xn)T,Y=(y1,y2,ym)T，,为闭凸锥.现在学习的是第15页，共46页利用C2变换，化为具有锥结构的DEA模型（PC2WH）（DC2WH）现在学习的是第16页，共46页 定定理理 在“约束规格”的假设下，DMUj0为DEA有效（C2WH）的充分必要条件是：（x0,y0）为下面多目标规划的相对于V*U*的非支配解 其中生产可能集 现在学习的是第17页，共46页 5.DEA模型模型C2R与与Shephard输入

8、距输入距离函数之间的关系离函数之间的关系1970年由R.W.Shephard给出的输入距离函数.也可以将它看做1957年由M.T.Farrell 对单输入/输出的有效性度量方法推广到多输入/多输出的情况.令生产可能集T和产出水平y之下的投入集分别为现在学习的是第18页，共46页 令令生生产产可可能能集集T和和产产出出水水平平y之之下下的的投投入集分别为入集分别为 Shephard在关于生产可能集T某些假设条件之下,定义了输入距离函数 而相应的Farrell的有效性度量为现在学习的是第19页，共46页 注意注意:Shephard从未用线性规划模型直接估计距离函数同样,Farrell也没有在他19

9、57年的文章中将他的效率指数度量用一个线性规划模型实现由Charnes和Cooper等人给出的DEA模型C2R,是首次用线性规划直接估计1970年由 Shephard给出的输入距离函数.现在学习的是第20页，共46页 Charnes 对对生产可能集生产可能集T,引入了如下的一些公理：引入了如下的一些公理：公理公理1（平凡公理）（平凡公理）:公理公理2（凸性公理）（凸性公理）:集合集合T为凸集为凸集.公理公理3（无效性公理）若（无效性公理）若则则 公理公理4（锥性公理）（锥性公理）:集合集合T为锥为锥.若若生生产产可可能能集集是是所所有有满满足足公公理理1,2,3和和4的的最最小小者者，则则T有

10、如下的唯一表示形式有如下的唯一表示形式现在学习的是第21页，共46页 =于是对偶线性规划（DC2R）可改写为 可见,C2R模型之下的效率指数h0 与Shephard的距离函数互为倒数.现在学习的是第22页，共46页 也即（DC2R）模型与Farrell 1957年的效率度量相对应 对于DEA模型（PC2R），R.Fre等人于2000年曾有一篇文章指出：将Shephard 的输出定价模型，经过一些计算和推导是与（PC2R）的形式类似 除此之外，在数理经济学关于多输出系统的生产有效性的研究中，也曾从生产可能集的公理体系出发，用Pareto最优定义生产有效性 然而，DEA模型C2R之下的（弱）DEA

11、有效与（弱）Pareto解等价现在学习的是第23页，共46页由此可以看出：Charens和和Cooper等人首创的等人首创的DEA是是使用线性规划理论和模型研究经济学中多使用线性规划理论和模型研究经济学中多输入（特别是）多输出系统的有效性。这输入（特别是）多输出系统的有效性。这是对经济学的拓展和创新，也是一种对有是对经济学的拓展和创新，也是一种对有效性评价的具体实现效性评价的具体实现.DEA的研究开创了经济学与数学交叉研的研究开创了经济学与数学交叉研究的一个新领域究的一个新领域.现在学习的是第24页，共46页 6 DEA有效的经济含义有效的经济含义 DEA的理论、模型是以微观经济学为的理论、模

12、型是以微观经济学为其理论基础其理论基础 研究研究DEA有效性的经济含义是以生产有效性的经济含义是以生产函数函数 y=为背景的为背景的 “技术有效技术有效”：若生产状态（若生产状态（x,y）满足满足 y=，则称生产状态（，则称生产状态（x,y）是是“技术有效技术有效”的的 （也即输出相对输也即输出相对输入而言已达到最大）此时，点（入而言已达到最大）此时，点（x,y）位于生产函数的曲面上）位于生产函数的曲面上现在学习的是第25页，共46页 “规模有效规模有效”：当 时，经济学中的“边际报边际报酬递减规律酬递减规律”是指：生产函数的一阶导数表现为先增后减的规律（或函数先为凸，后为凹）所谓“规模有效规

13、模有效”，是指投入量x既不偏大，也不过小，是介于规模收益由递增（递增）到递减（递减）之间的一种状态（即“规模收益不变规模收益不变”的最佳状态）Y 。DMU-3 。DMU-2 。DMU4。DMU-1 TC2R 0 x 如果用（DC2R）模型来判断DEA有效性，只有DMU-2为DEA有效DMU-4DMU-1 现在学习的是第26页，共46页 可见，DMUj0在C2R模型之下为DEA有效，DMUj0对应的生产状态（x0,y0）既为技术有效，也既为技术有效，也为规模有效为规模有效 7 DEA模型的扩充模型的扩充DEA模型的扩充：可以源于数学上数学上的考虑然而，源于经济经济背景的研究所得出的数学模型似乎更

14、直接1984年R.D.Banker，Charens和Cooper给出了DEA模型BC2DEA有效是技术有效的 1985年R.Fre和S.Grosskopf 给出了DEA模型FG.DEA有效是技术有效的，同时，在规模收益上或为规模收益不变或为规模收益递减现在学习的是第27页，共46页 1990年，L.M.Seiford和R.M.Thrall 给出了ST模型DMU是技术有效，同时，在规模上或为规模收益不变或为规模收益递增 公理公理5（压缩性公理）若则 公理公理6（扩张性公理）若则 现在学习的是第28页，共46页如果生产可能集定义为：所有满足公理1，公理2和公理3的最小者，则得到DEA模型BC2；如

15、果生产可能集定义为：所有满足公理1，公理2，公理3和公理5的最小者，则得到DEA模型FG；如果生产可能集定义为：所有满足公理1，公理2，公理3和公理6的最小者，则得到DEA模型ST。现在学习的是第29页，共46页 我们引进三个取值为或的参数1,2,3时，生产可能集有如下的形式 此时DEA模型C2R，BC2，FG 和 ST可以用统一的形式写成也即（称（P）和(D)为综合的DEA模型）现在学习的是第30页，共46页它的对偶规划为 对综合的DEA模型，可以证明：DMUj0的DEA有效性与多目标规划（）的Pareto解之间是等价性的；可以讨论弱DEA有效与多目标规划（）的弱Pareto解之间的关系19

16、96年Yu,G,Wei Q.L.和 P.Brockett 给出了更为一般地带有偏好的DEA模型GDEA，证明了DEA有效等价于非支配解现在学习的是第31页，共46页 8 使用使用DEA模型判别模型判别DMU的规模的规模收益状况和收益状况和“拥挤拥挤”迹象迹象 规模收益状况（规模收益状况（return to scale）是指：当投入增大k倍（k1），产出是大于k倍、等于k倍、小于k倍时，分别称为生产状态（x,y）是处于规模收益递增、规模收益不变、规模收益递减例如C-D生产函数 ，有 现在学习的是第32页，共46页 在微观经济学中，还有一种情况，当投入增大k倍时（k1），产出不仅不会增大，反而会减

17、少（或当投入减少时，产出反而会增大），这种生产函数被称为“俱乐部函数”（club function）此时，是C-D生产函数中 的情况,称为“拥挤”迹象(Congestion)对于多输出的系统，如何利用DEA模型研究DMU的规模收益状况（Return to Scale）是人们一直关心的问题自2000年,人们也开始关心的“拥挤”迹象的判定问题 2003年，Wei和Yan从研究规模收益状况和“拥挤”的统一观点出发给出了判定的充分必要条件考虑一个新的DEA模型NEW（这里生产可能集是满足公理1，公理2以及投入无效性公理的最小者）：现在学习的是第33页，共46页 若DMU-j0在DEA模型NEW之下为弱

18、DEA有效（即（DNEW）的最优值为1）我们利用输出的输出的DEA模模型型FG和输出输出DEA模型模型ST去判断DMU的规模收益状况和“拥挤”迹象，其中输出FG模型为：现在学习的是第34页，共46页 FG输出模型 ST输出模型现在学习的是第35页，共46页 定理定理 设DMUj0在输出DEA模型NEW之下为弱DEA有效，则（i）DMUj0 为规模收益不变的充分必要条件是：DMUj0 在输出FG模型下为弱DEA有效，在输出ST 模型下也为弱DEA有效.（ii）DMUj0 为规模收益递增的充分必要条件是：DMUj0 在输出ST模型下为弱DEA有效，而在输出FG模型下不为弱DEA有效.(iii)DM

19、Uj0 为规模收益递减的充分必要条件是：DMUj0 在输出FG模型下为弱DEA有效，而在输出ST模型下不为弱DEA有效.(iv)DMUj0呈现“拥挤”迹象的充分必要条件是：DMUj0 在输出FG模型下不为弱DEA有效，在输出ST模型下也不为弱DEA有效现在学习的是第36页，共46页 9 其它与经济背景有关的几个专题研究9.1 具有无穷多个DMU的DEA模型 1986年Charnes,Cooper,Wei和Yue 研究了具有无穷多个DMU的半无限规划的DEA模型C2W7和C2WY23.C2W模型是国际上第一个非线性的DEA模型，它深刻地揭示了DEA在数学上和经济上的含义，被认为“提出了一个精美的

20、研究结构，并且对统计方面的研究给出了一个分析基础”.根据具有无穷多个DMU的DEA模型，可以证明：现在学习的是第37页，共46页 由有限多个DMU得到的生产可能集是对生产函数的下图的一种逼近；DEA的生产前沿面可看作是用分段（片）的线性函数对生产函数曲面的一种逼近；DEA模型可用来判断DMU的规模收益状态.以上述的理论为基础，利用DEA模型评估部门或企业的技术进步速度技术进步速度和及各企业的技术进步相对超相对超前或滞后年限前或滞后年限.同时，也可建立非参数的微观经济非参数的微观经济模型模型等.现在学习的是第38页，共46页9.2 生产可能集的生产前沿面的特性和结构分析直观上看，生产前沿面是由分

21、段（片）的线性函数“拼凑”而成的，找出生产可能集的各个前沿面，由此确定出各段（片）如何由生产前沿面上的DMU的联结，即确定出生产前沿面的结构.不难看出，生产前沿面的结构确定之后，可得到很多的经济特性和管理信息.1999年，Wei，Yan和Hao利用求多凸面体全部极点的方法（见Wei和Yan）给出了确定生产可能集的真正（弱）有效前沿面的更为简单的方法，由此可得到生产可能集的（弱）Pareto面的结构.求出生产可能集的真正（弱）有效前沿面，可以更深入的对DMU进行分析，甚至不必进行线性规划的单纯形方法求解，得出更多的管理信息.现在学习的是第39页，共46页8.3 DEA的对策论背景研究自第一个DE

22、A模型出现以来，人们除了进行DEA的应用实例研究和模型拓展之外，也在努力进行DEA的相关领域背景研究，其中也包括了利用对策论模型对DEA有效概念的解释1995年Roussean和Semple给出了被称为比率效率对策模型（Ratio Effiency Games），并研究了对策模型与DEA模型的等价关系；2000年Hao,Wei和Yan研究了具有锥结构的约束对策与具有锥结构的综合DEA模型的等价性.该模型是一个二人无限零和对策局中人I是“评估者”，他是从生产可能集中选取生产状态（x,y）；局中人II是“被评者”（即DMU-j0），他是选取对自己最为有利的权系数；赢得函数取为投入、产出效率比该模型

23、之下的（弱）对策有效与DMU为（弱）DEA有效等价现在学习的是第40页，共46页10 结束语结束语 在我比较喜欢的一本关于数学与经济的书中，书的作者引用了一则笑话：“有人提出这样一个命题：凡是奇数都是质数凡是奇数都是质数数学家数学家见到这个命题后去找了一个反例，回答说：这个命题是没有根据的；物理学家物理学家见到这个命题后去做实验，回答说：这个命题有时是正确的，有时是不正确的；工程师工程师见到这个命题后就去做试用，回答说：这个命题有用；经济学家经济学家见到这个命题后苦苦思索，回答说：我们假设这一命题成立”现在学习的是第41页，共46页 不同学科领域的人都有自己本能的不同学科领域的人都有自己本能的

24、专业思考习惯和工作方式，特别是有专业思考习惯和工作方式，特别是有着不同的学术评价标准从事于交叉着不同的学术评价标准从事于交叉领域研究的人常常会遇到来自不同学领域研究的人常常会遇到来自不同学科领域的人的科领域的人的“挑剔挑剔”现在学习的是第42页，共46页 从数学家的角度来审视从数学家的角度来审视DEADEA：分式目标形式的C2R模型（投入产出比最大）；经过C2变换转化为线性规划模型；由对偶理论，使得判别DEA有效性具有可操作性（用线性规划计算）；（弱）DEA有效的概念与从多目标Pareto最优性等价；带偏好的锥比例模型C2WH和GDEA模型；现在学习的是第43页，共46页 具有无穷多个DMU的

25、DEA模型C2W（半无限的DEA模型）；建立对策论的模型，对DEA有效性（包括DEA模型中的权系数）给出对策 方面的背景解释；DEA模型中引进隋机因素，等等 总之，对DEA而言，数学上的种种努力，至少得到了最优化领域学者们的称赞 现在学习的是第44页，共46页 对于数学与经济学交叉学科领域，不要以为数学家的审视过于严格和数学化，有时经济学家的审视却极为的“武断”在国际上，虽然经济学中的某些分支研究“数学化”倾向是明摆的事实，然而在数学与经济学交叉研究的领域，有人却把过多用数学研究经济学的成果误认为是在经济学中所做的“数学练习”庆幸的是，在DEA领域研究的一开始，就由数学家、经济学家、管理学家Charnes和Cooper主宰了DEA的研究和发展（Charens教授也是1975年诺贝尔经济学奖的最后一轮三人候选者之一）现在学习的是第45页，共46页 从经济家的角度来审视：从经济家的角度来审视：DEA的生产可能集公理体系的建立；DEA模型的扩充；DEA有效的经济含义研究；生产前沿面的特性及结构分析；用DEA方法和模型研究技术进步速度评估；使用DEA模型判断规模收益状况和“拥挤”迹象；现在学习的是第46页，共46页