第3章 效用函数.ppt
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1、第第3章章 效用函数效用函数n3.1 引言n3.2 效用的定义和公理系统n3.3 效用函数的构造n3.4 风险与效用n3.5 货币的效用n3.6 阿莱斯悖论(Allaiss paradox)3.1 引言n在定量评价可能的行动的各种后果时,会遇到两个主要问题:(1)后果本身是用语言表述,可能没有任何合适的直接测量标度。(2)即使有一个明确的标度可以测量后果,按这个标度测得的量也可能并不反映后果对决策人的真正价值。3.1 引言n这个例子说明:这个例子说明:即使是数值量表示的后果,它对决策人的实际价值仍有待确定即使是数值量表示的后果,它对决策人的实际价值仍有待确定。0实际价值 100钱 100100
2、 100000例例3.1 考虑钱对同一个人的价值。假设一个学生手头紧张,正好有机会挣考虑钱对同一个人的价值。假设一个学生手头紧张,正好有机会挣100元钱,但是所要做的是他相当讨厌的工作。元钱,但是所要做的是他相当讨厌的工作。(1)如他经济情况差,他会认为)如他经济情况差,他会认为100元钱的实际价值足够大,所要做的元钱的实际价值足够大,所要做的工作即使是相当讨厌的,他仍会去干;工作即使是相当讨厌的,他仍会去干;(2)如他先有了)如他先有了10000元,要为元,要为100元钱去干这份让他讨厌的工作,他元钱去干这份让他讨厌的工作,他就很可能不干了。就很可能不干了。3.1 引言例例3.2 决策人面临
3、图决策人面临图3.1中决策树所示的选择:中决策树所示的选择:确定收入礼品确定收入礼品1000元;元;参与一次抽奖:有参与一次抽奖:有50%的机会得的机会得0元,元,50%的机会得的机会得2500元元。有人选确定性的有人选确定性的1000元的收入。抽奖元的收入。抽奖的期望值虽大,风险也大,实际价值的期望值虽大,风险也大,实际价值还不如保险的还不如保险的1000元。元。而有人认为礼品不如抽奖,因为而有人认为礼品不如抽奖,因为抽奖提供了获得抽奖提供了获得2500元的机会。元的机会。n这个例子说明:这个例子说明:决策人的风险态度影决策人的风险态度影响其对后果的实际价值判断响其对后果的实际价值判断。圣彼
4、得堡悖论(St.Petersburg Paradox/game)n圣彼得堡悖论是数学家丹尼尔圣彼得堡悖论是数学家丹尼尔伯努利(伯努利(Daniel Bernoulli)的表)的表兄尼古拉兄尼古拉伯努利伯努利(Nicolaus Bernoulli)在在1738提出的一个概率提出的一个概率期望值悖论,它来自于一种掷币游戏,即圣彼得堡游戏期望值悖论,它来自于一种掷币游戏,即圣彼得堡游戏(表表1)。问题:你愿意花问题:你愿意花100元来参加一次圣彼得堡游戏吗?元来参加一次圣彼得堡游戏吗?圣彼得堡悖论的解释圣彼得堡悖论的解释1:(一一)边际效用递减论边际效用递减论 Daniel Bernoulli在提出
5、这个问题的时候就给出一种解决办在提出这个问题的时候就给出一种解决办法。他认为游戏的期望值计算不应该是金钱,而应该是金钱的期法。他认为游戏的期望值计算不应该是金钱,而应该是金钱的期望效用,即利用众所周知的望效用,即利用众所周知的“期望效用递减律期望效用递减律”,将金钱的效用,将金钱的效用测度函数用货币值的对数来表示测度函数用货币值的对数来表示:效用效用=log(货币值货币值),如表,如表 2所所示。所有结果的效用期望值之和将为一个有限值示。所有结果的效用期望值之和将为一个有限值log(4)0.60206,如果这里的,如果这里的效用函数效用函数符合实际,则符合实际,则理性决策理性决策应以应以4元元
6、为界。为界。圣彼得堡悖论的解释圣彼得堡悖论的解释2:(二二)风险厌恶论风险厌恶论 n圣彼得堡悖论对于奖金额大小没有限制。圣彼得堡悖论对于奖金额大小没有限制。n比如连续投掷比如连续投掷40次才成功的话,奖金为次才成功的话,奖金为1.1万亿元。但是这一奖万亿元。但是这一奖金出现的概率极小,金出现的概率极小,1.1万亿次才可能出现一次。实际上,游戏万亿次才可能出现一次。实际上,游戏有一半的机会,其奖金为有一半的机会,其奖金为 2元,四分之三的机会得奖元,四分之三的机会得奖4元和元和2元。元。奖金越少,机会越大,奖金越大,机会越小。奖金越少,机会越大,奖金越大,机会越小。nHacking(1980)所
7、说:花)所说:花25元的费用冒险参与游戏将是非常元的费用冒险参与游戏将是非常愚蠢的,虽有得大奖的机会,但是风险太大。愚蠢的,虽有得大奖的机会,但是风险太大。n因此,考虑采用风险厌恶因素的方法可以消解矛盾。因此,考虑采用风险厌恶因素的方法可以消解矛盾。Pual Weirich就提出在期望值计算中加人一种风险厌恶因子,并得出就提出在期望值计算中加人一种风险厌恶因子,并得出了游戏费用的有限期望值,认为这种方法实际上解决了该悖论。了游戏费用的有限期望值,认为这种方法实际上解决了该悖论。圣彼得堡悖论的解释圣彼得堡悖论的解释3:(三三)效用上限论效用上限论 也有一种观点认为奖金的效用可能有一个上限,这样,
8、期望效用也有一种观点认为奖金的效用可能有一个上限,这样,期望效用之和就有了一个极限值。之和就有了一个极限值。Menger认为效用上限是惟一能消解该悖论的认为效用上限是惟一能消解该悖论的方法。设效用值等于货币值,上限为方法。设效用值等于货币值,上限为100 单位,则游戏的期望效用为单位,则游戏的期望效用为7.56l25,如表,如表3所示。所示。圣彼得堡悖论的解释圣彼得堡悖论的解释4:(四四)结果有限论结果有限论 nGustason认为,要避免矛盾,必须对期望值概念进行认为,要避免矛盾,必须对期望值概念进行限制,其一是限制其结果的数目;其二是把其结果值限制,其一是限制其结果的数目;其二是把其结果值
9、的大小限制在一定的范围内。的大小限制在一定的范围内。n这是典型的结果有限论,这一观点是从实际出发的。这是典型的结果有限论,这一观点是从实际出发的。因为实际上,游戏的投掷次数总是有限的数。因为实际上,游戏的投掷次数总是有限的数。n比如对游戏设定某一个投掷的上限数比如对游戏设定某一个投掷的上限数L,在投掷到这个,在投掷到这个数的时候,如果仍然没有成功,也结束游戏,不管你数的时候,如果仍然没有成功,也结束游戏,不管你还能再投多少,就按照还能再投多少,就按照L付钱。因为你即便不设定付钱。因为你即便不设定L,实际上也总有投到头的时候,人的寿命总是有限的,实际上也总有投到头的时候,人的寿命总是有限的,任何
10、原因都可以使得游戏中止。现在设定了上限,期任何原因都可以使得游戏中止。现在设定了上限,期望值自然也就可以计算了。望值自然也就可以计算了。3.1 引言n由上面例子可知:在进行决策分析时,存在如何描述由上面例子可知:在进行决策分析时,存在如何描述或表达或表达后果对决策人的实际价值后果对决策人的实际价值,以便反映决策的人,以便反映决策的人心目中各种后果的心目中各种后果的偏好次序偏好次序(preference order)的问的问题。题。n偏好次序是决策人的个性与价值观的反映偏好次序是决策人的个性与价值观的反映,它与决策,它与决策人所处的社会地位、经济地位、文化素养、心理和生人所处的社会地位、经济地位
11、、文化素养、心理和生理(身体)状态有关。理(身体)状态有关。3.2 效用的定义和公理系统n3.2.1 效用的定义n3.2.2 效用存在性公理n3.2.3 效用的公理化定义和效用的存在性n3.2.4 基数效用与序数效用3.2.1 效用的定义n效用(效用(utility):消费者从消费商品中得到的满足程度。n效用完全是消费者的一种主观心理感受。n满足程度越高,效用越大;n满足程度越低,效用越小。对效用的理解对效用的理解:最好吃的东西最好吃的东西n兔子和猫争论,世界上什么东西最好吃。兔子和猫争论,世界上什么东西最好吃。n兔子说,兔子说,“世界上萝卜最好吃。萝卜又甜又脆又解渴,我一想起世界上萝卜最好吃
12、。萝卜又甜又脆又解渴,我一想起萝卜就要流口水。萝卜就要流口水。”n猫不同意,说,猫不同意,说,“世界上最好吃的东西是老鼠。老鼠的肉非常嫩,世界上最好吃的东西是老鼠。老鼠的肉非常嫩,嚼起来又酥又松,味道美极了!嚼起来又酥又松,味道美极了!”n兔子和猫争论不休、相持不下,跑去请猴子评理。兔子和猫争论不休、相持不下,跑去请猴子评理。n猴子听了,不由得大笑起来:猴子听了,不由得大笑起来:“瞧你们这两个傻瓜蛋,连这点儿瞧你们这两个傻瓜蛋,连这点儿常识都不懂!世界上最好吃的东西是什么?是桃子!桃子不但美常识都不懂!世界上最好吃的东西是什么?是桃子!桃子不但美味可口,而且长得漂亮。我每天做梦都梦见吃桃子。味
13、可口,而且长得漂亮。我每天做梦都梦见吃桃子。”n兔子和猫听了,全都直摇头。那么,世界上到底什么东西最好吃兔子和猫听了,全都直摇头。那么,世界上到底什么东西最好吃?n以上的故事说明效用完全是个人的心理感觉。以上的故事说明效用完全是个人的心理感觉。n不同的偏好决定了对同一种商品效用大小的不同评价。不同的偏好决定了对同一种商品效用大小的不同评价。3.2.1 效用的定义n在决策理论中,后果对决策人的实际价值,即决策人对在决策理论中,后果对决策人的实际价值,即决策人对后果的后果的偏好次序偏好次序是用是用效用效用(utility)来描述的。来描述的。n效用就是偏好的量化,是数效用就是偏好的量化,是数(实值
14、函数实值函数)。n1738年,年,Daniel Bernoulli就指出:若一个人面临从给定就指出:若一个人面临从给定行动集行动集(风险性展望集风险性展望集)中作选择的决策问题,如果他知中作选择的决策问题,如果他知道与给定行动有关的将来的自然状态,且这些状态出现道与给定行动有关的将来的自然状态,且这些状态出现的概率已知或可以估计,则他应选择对各种可能后果的的概率已知或可以估计,则他应选择对各种可能后果的偏好偏好的的期望值最高期望值最高的行动。的行动。一、效用的基本概念与符号(1)严格序严格序“”a b(或者记作aPb)的含义是“a优于b”(a is preferred to b);也就是说,若
15、非外界因素的强迫,决策人只会选择a而不会选择b。一、效用的基本概念与符号(2)无差异无差异“”ab(或记作aIb)的含义是“a无差异于b”(a is indifference to b);也就是说,决策人对选择或同样满意。一、效用的基本概念与符号(3)弱序弱序“”记作aRb,含义是“a不劣于b”,亦即a优于或者无差异于b。一、效用的基本概念与符号 (4)展望展望(prospect)展展望望指指决决策策的的可可能能的的前前景景,即即各各种种后后果果及及后后果果出出现的概率的组合,记作现的概率的组合,记作P=.在例3.2的决策问题中,后果集 C=1000,2500,0,采取行动a1和a2时的展望分
16、别是:P1=P2=(4)展望展望(prospect)展望既考展望既考虑虑各种后果各种后果Ci,又考虑了各种后果出现的概率又考虑了各种后果出现的概率(客观概率客观概率pi或主观概率或主观概率i),全面地描述了在决策问题中全面地描述了在决策问题中采取某种行动的可能前景。采取某种行动的可能前景。复合展望 一、效用的基本概念与符号(5)抽奖与确定当量 由机会点和该机会点发出的n个机会枝的概率及相应后果构成的图形称为抽奖抽奖(lottery),抽奖又称彩票。若C1 (p,C2;(1-P),C3),则称 确定性后果C1为抽抽奖奖(p,C2;(1-P),C3)的确定当量确定当量(certainty equi
17、valent)。二、效用的定义 根据上述讨论和记号,可以初步给出效用函数的定义如下。定定义义3.1 在集合在集合P上的上的实值实值函数函数u,若它和,若它和P上的上的优优先关先关系系一致,即:一致,即:若若 P1,P2属于属于 P,P1 P2当且当且仅仅当当u(P1)u(P2),则则称称u为为效用函数。效用函数。把效用函数定把效用函数定义义在在展望集展望集P上而不是定上而不是定义义在在后果集后果集C上,上,是是为为了使效用函数能了使效用函数能够够反映决策人反映决策人对风险对风险的的态态度度。3.2.2 效用存在性公理n定定义义3.1给给出了效用函数的最基本性出了效用函数的最基本性质质,这这就是
18、就是可以可以根据它的大小来判断展望根据它的大小来判断展望P的的优优劣劣。n但是但是这样这样的效用函数是否一定存在呢的效用函数是否一定存在呢?回答是回答是不一定。不一定。n至于决策人的价至于决策人的价值值判断在判断在满满足什么条件足什么条件时时存在存在与之一致的效用函数,与之一致的效用函数,von Neumann-Morgenstern(1944)给给出了效用的存在性公理,出了效用的存在性公理,又称又称理性行理性行为为公理公理。传递性推导:P1 P2P1+(1-)P1 P2+(1-)P2P1+(1-)P3 P2+(1-)P3 公理3.3表明两个有序的展望各有相同的比例 被相等的量 替代后,优先关
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