Laboration 1: Optimalt sparande

Relevanta dokument
SF1545 Laboration 1 (2015): Optimalt sparande

Laboration 1 i SF1544: Öva på Matlab och konstruera en optimal balk Avsikten med denna laboration är att:

SF1544 LABORATION 2 INTEGRATION, MONTE-CARLO OCH BLACK-SCHOLES EKVATION FÖR OPTIONER

Optimering med bivillkor

Optimeringsproblem. 1 Inledning. 2 Optimering utan bivillkor. CTH/GU STUDIO 6 TMV036c /2015 Matematiska vetenskaper

1 Ickelinjär optimering under bivillkor

Institutionen för Matematik TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA DAG: Fredag 16 januari 2009 TID:

Tentamen, del 2 Lösningar DN1240 Numeriska metoder gk II F och CL

Ansvariga lärare: Yury Shestopalov, rum 3A313, tel (a) Problem 1. Använd Eulers metod II (tre steg) och lös begynnelsevärdesproblemet

Institutionen för Matematiska Vetenskaper TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1/TM1, TMA

Tentamen del 1 SF1511, , kl , Numeriska metoder och grundläggande programmering

Teorifrågor. 6. Beräkna konditionstalet för en diagonalmatris med diagonalelementen 2/k, k = 1,2,...,20.

SF1669 Matematisk och numerisk analys II Lösningsförslag till tentamen DEL A. r cos t + (r cos t) 2 + (r sin t) 2) rdrdt.

6. Temperaturen u(x) i positionen x av en stav uppfyller värmeledningsekvationen. u (x) + u(x) = f(x), 0 x 2, u(0) = 0 u(2) = 1,

2x ex dx. 0 = ln3 e

TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1/TM1, TMA

Lösningsförslag till tentamen i SF1861 Optimeringslära för T. Torsdag 28 maj 2010 kl

Lösningar till 5B1762 Optimeringslära för T, 24/5-07

Del I: Lösningsförslag till Numerisk analys,

Optimering med bivillkor

Ordinära differentialekvationer,

1 Konvexa optimeringsproblem grundläggande egenskaper

Optimering, exempel. Funktionens enda stationära punkt är alltså origo. Den ligger också i det inre av mängden.

Tentamen del 1 SF1546, , , Numeriska metoder, grundkurs

Institutionen för Matematiska Vetenskaper TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA

Föreläsning 7: Kvadratisk optimering. 4. Kvadratisk optimering under linjära bivillkor

Föreläsning 5. Approximationsteori

Linjärprogramming. EG2205 Föreläsning 7, vårterminen 2015 Mikael Amelin

Lösningsförslag till tentamen i SF1861 Optimeringslära för T. Onsdag 25 augusti 2010 kl

TENTAMEN I GRUNDKURS I NUMERISKA METODER - DEL 20

TMA 671 Linjär Algebra och Numerisk Analys. x x2 2 1.

Gripenberg. Mat Grundkurs i matematik 1 Tentamen och mellanförhörsomtagning,

Flervariabelanalys E2, Vecka 3 Ht08

Olinjär optimering med bivillkor: KKT min f (x) då g i (x) 0 för alla i

Institutionen för Matematiska Vetenskaper TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA

Meningslöst nonsens. December 14, 2014

Numerisk Analys, MMG410. Lecture 10. 1/17

Sammanfattning (Nummedelen)

Laboration 3. Ergodicitet, symplektiska scheman och Monte Carlo-integration

LAB 4. ORDINÄRA DIFFERENTIALEKVATIONER. 1 Inledning. 2 Eulers metod och Runge-Kuttas metod

Institutionen för Matematik TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA DAG: Torsdag 28 aug 2008 TID:

Omtentamen i DV & TDV

Interpolation Modellfunktioner som satisfierar givna punkter

SF1664 Tillämpad envariabelanalys med numeriska metoder Lösningsförslag till tentamen DEL A

Akademin för utbildning, kultur och kommunikation MMA132 Numeriska Metoder Avdelningen för tillämpad matematik Datum: 2 juni 2014

1 Kvadratisk optimering under linjära likhetsbivillkor

Övningsuppgifter för sf1627, matematik för ekonomer. 1. Förenkla följande uttryck så långt det går: Derivator

Omtentamen i DV & TDV

Lösningar till tentan i 5B1760 Linjär och kvadratisk optimering, 17 december 2003.

TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA671

Analys av jämviktslägen till differentialekvationer

Egenvärdesproblem för matriser och differentialekvationer

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1625 Envariabelanalys

Dagens teman. Linjära ODE-system av ordning 1:

Institutionen för Matematik TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA DAG: Lördag 26 maj 2001 TID:

Föreläsningen ger en introduktion till differentialekvationer och behandlar stoff från delkapitel 18.1, 18.3 och 7.9 i Adams. 18.

Lösningar till SF1861/SF1851 Optimeringslära, 24/5 2013

Tavelpresentation. Gustav Hallberg Jesper Strömberg Anthon Odengard Nils Tornberg Fredrik Blomgren Alexander Engblom. Januari 2018

Tentamen: Numerisk Analys MMG410, GU

Övningsuppgifter på derivator för sf1627, matematik för ekonomer (rev. 1) Produktregeln: derivera

Lösningar till tentan i SF1861 Optimeringslära, 1 juni 2017

Institutionen för Matematik TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA DAG: Måndag 14 januari 2002 TID:

Rita även upp grafen till Fourierseriens summa på intervallet [ 2π, 3π], samt ange summans värde i punkterna π, 0, π, 2π. (5) S(t) = c n e int,

Institutionen för Matematik TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA DAG: Fredag 30 augusti 2002 TID:

Inlämningsuppgift 4 NUM131

Differentialens geometriska betydelse

1. Vad är optimering?

SF1625 Envariabelanalys

Hemuppgift 2, SF1861 Optimeringslära för T, VT-10

FMNF15 HT18: Beräkningsprogrammering Numerisk Analys, Matematikcentrum

Konvergens för iterativa metoder

Lösningar till SF1852 Optimeringslära för E, 16/1 08

Icke-linjära ekvationer

Tentamensinstruktioner. Vid skrivningens slut

Föreläsning 14: Exempel på randvärdesproblem. LU-faktorisering för att lösa linjära ekvationssystem.

5B1817 Tillämpad ickelinjär optimering. Kvadratisk programmering med olikhetsbivillkor Active-set metoder

D 1 u(x, y) = e x (1 + x + y 2 ), D 2 u(x, y) = 2ye x + 1, (x, y) R 2.

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Institutionen för matematik KTH. Tentamensskrivning, , kl B1210 och 5B1230 Matematik IV, för B, M, och I.

7 Extremvärden med bivillkor, obegränsade områden

SF1669 Matematisk och numerisk analys II Lösningsförslag till tentamen DEL A

MVE035. Sammanfattning LV 1. Blom, Max. Engström, Anne. Cvetkovic Destouni, Sofia. Kåreklint, Jakob. Hee, Lilian.

SF1625 Envariabelanalys

Institutionen för Matematik TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA DAG: Fredag 26 augusti 2005 TID:

Laboration 3 Numerisk Analys

NUMPROG, 2D1212, vt Föreläsning 1, Numme-delen. Linjära ekvationssystem Interpolation, Minstakvadratmetoden

Envariabelanalys 5B1147 MATLAB-laboration Derivator

Laboration 4. Numerisk behandling av integraler och begynnelsevärdesproblem

x(t) I elimeringsmetoden deriverar vi den första ekvationen och sätter in x 2(t) från den andra ekvationen:

5B1817 Tillämpad ickelinjär optimering. Metoder för problem utan bivillkor, forts.

Teknisk Beräkningsvetenskap I Tema 3: Styvhetsmodellering av mjuk mark med icke-linjära ekvationer

= ( 1) xy 1. x 2y. y e

2 Funktioner från R n till R m, linjära, inversa och implicita funktioner

NUMPROG, 2D1212, vt Föreläsning 9, Numme-delen. Stabilitet vid numerisk behandling av diffekvationer Linjära och icke-linjära ekvationssystem

Tentamen i Beräkningsvetenskap I (nya versionen), 5.0 hp, Del A

Laboration 1. Ekvationslösning

TANA17 Matematiska beräkningar med MATLAB för M, DPU. Fredrik Berntsson, Linköpings Universitet. 26 november 2015 Sida 1 / 28

1. Vi skriver upp ekvationssystemet i matrisform och gausseliminerar tills vi når trappstegsform,

Transkript:

Avsikten med denna laboration är att: Laboration 1: Optimalt sparande - snabbt komma igång med träning på matlabprogrammering (uttnyttja gärna alla schemalagda laborationstillfällen, - lösa ett optimeringsproblem med en differentialekvation som bivillkor, - repetera och hantera metoden med Lagrangefunktioner för att lösa optimeringsproblem med bivillkor - studera ett exempel när en differentialekvation används för att bestämma koefficienter i ekvationen, d.v.s. lösa ett inverst problem, - öva på numerisk approximation, ekvationslösning, optimering och Matlabprogrammering. Frank P. Ramsey skrev 1928 uppsatsen A Mathematical Theory of Saving [The Economic Journal, vol 38 (1928, 543-559] där han besvarar frågan hur mycket av inkomsten som en nation ska spara, genom att lösa följande optimeringsproblem. Betrakta en ekonomi med kapitalet X(t och konsumtionen α(t, vid tiden t, och anta att produktionen ges av f(x(t, för en given funktion f : R R, så att d X(t = f(x(t α(t, (1 dt vilket betyder att produktionen f(x(t är uppdelad i konsumtion α(t och investering dx(t/dt. Anta att X( = x är ett givet begynnelsekapital. Frågan är hur mycket nationen ska spara. Hög konsumtion idag är attraktivt men leder via (1 till låg investering. Anta att samhället värderar konsumtionen med en given nyttofunktion U : R R som är strängt växande, strängt konkav och begränsad uppåt, d.v.s. lim α U(α = U R och för alla α R gäller U (α > och U (α <. Detta antagande betyder att människor med hög konsumtion värderar en given ökad konsumtion lägre än människor med låg konsumtion. Ramsey bestämmer den konsumtionsfunktion som funktion av X, α : R R med α(t = α(x(t, som minimerar onyttan Ũ := U U över tiden Ũ ( α(t dt (2 där X och α löser (1 med givet startkapital X( = x. Variabelbytet t X(t ger dt = dx/ ( f(x α(x och onyttan Ũ ( α(t Ũ ( α(x dt = f(x α(x dx. n= x Man kan minimera detta uttryck med avseende på funktioner α men det är enklare att minimera en diskret approximation Ũ( α n min X (3 α R N f(x n α n 1

med avseende på värden α n, som approximerar α(x n, där X n = n X för n =, 1, 2,.... Del A 1. Motivera varför en minimipunkt α = ( α, α 1, α 2,... till (3 satisfierar och visa att det leder till = α n Ũ( α n f(x n α n, n =, 1,... f(x n α n = Ũ( α n Ũ ( α n, (4 vilket är Ramseys regel för sparande the rate of saving multiplied by the marginal utility of money should be equal to the amount by which the total net enjoyment falls short of the possible rate of enjoyment. Del A 2. Låt X (t = f ( X(t α ( X(t med produktionsfunktionen f(x = X +X 2 /5, t [, 1] och begynnelsedata X( = 1. Skriv ett matlabprogram som löser denna differentialekvation med Eulers metod X n+1 X n = f(x n α(x n n =, 1, 2,... N 1, t där X n är en approximation av X(n t med tidsteget t = 1/N, för olika val av konsumtionsfunktionen α : R R. Visa figurer av Eulerapproximation av funktionen X : [, 1] R för α(x = f(x/2, α(x = 1/2 och α(x = med lämpligt val av tidsteg t. Vad blir värdet av nyttan 1 U( α(x(tdt om nyttofunktionen är U( α = 1/ α? I uppgift A6 formulerar vi en metod att bestämma den optimal konsumtionsfunktionen för en given nyttofunktion med ändlig tidshorisont. Del A 3. Den implicita Eulermetoden för problemet i uppgift A2 lyder X n+1 X n = f(x n+1 α(x n+1 n =, 1, 2,... N 1. t Skriv ett matlabprogram för implicita Eulermetoden där f(x = X + X 2 /5 och α(x = 2f(X med X = 1 baserat på a fixpunktiterationer (utan att använda f, b Newtoniterationer (som är en slags fixpunktiteration. Betrakta modellen där λ är en positiv konstant. Visa att X (t = λx(t, X( = 1, X n+1 = (1 λ tx n för explicita Eulermetoden, X n+1 = X n /(1 + λ t för implicita Eulermetoden, X ( (n + 1 t = e λ t X(n t för den exakta lösningen. 2

Vi har lim t X(t =. Vad gäller för explicita och implicita Eulermetoderna när n och t är fixerad? Implicita Eulermetoden kräver något mer arbete per tidsteg (och att implementera än explicita Eulermetoden. Ungefär hur många iterationer per tidsteg krävs. Har den implicita metoden någon fördel jämfört med den explicita? Del A 4. Skriv ett Matlabprogram för minstakvadratmetoden och bestäm den produktionsfunktion f(x = ax + bx 2 som bäst approximerar följande produktionsvärden f( =, f(.5 =.52, f(1 = 1.9, f(1.5 = 1.75, f(2 = 2.45, f(2.99 = 3.5, f(3 = 4. Skriv också ett Matlabprogram för polynomapproximation och jämför minstakvadratmetoden med att interpolera ett polynom som antar dessa värden. Uppskatta felen i båda metoder. Vad är din slutsats om val av approximationsmetod? Del A 5. Ramsey ger följande skattning av nyttofunktionen: U(15 = 2, U(2 = 3, U(3 = 4, U(5 = 5, U(1 = 6, U(2 = 7, U = 8, där 15 är familjeårskonsumtionen i pund. Bestäm en approximation av U som har positiv derivata, t.ex. genom att ansätta 1/U( α = 1/8 + a/ α eller U = 8 + ae b α och använda minstakvadratmetoden. Vilken ansats är bäst? Har du bättre alternativ? Vad leder polynomapproximation av U till? Bestäm först produktionen f(x som funktion 1 konsumtionen α med hjälp av (4 och din skattning av U. Bestäm sedan konsumtionen som funktion av kapitalet, α(x, med hjälp av (4 och dina skattningar av f och U. Vilken metod är lämplig? Sparande med ändlig horisont Ett relaterat sparproblem med ändlig tidshorisont T kan formuleras som en model för ett eget företag med kapital X, produktion f(x, löneuttag α och möjlig försäljning vid T. För ett givet tidsintervall [, T ] är problemet att bestämma löneuttaget (d.v.s. konsumtionen α : [, T ] R så att nyttan T U ( α(t dt + g ( X(T (5 maximimeras, där X och α löser (1 och g : R R är en given nyttofunktion för sparat kapital vid tiden T, t.ex. från försäljning, som uppfyller g (X > och g (X <. Del A 6. Vi ska lösa optimeringsproblemet (5 numeriskt med hjälp av Eulers metod X n+1 = X n + t ( f(x n α n, n =,..., N 1, (6 där (X n, α n approximerar ( X(n t, α(n t med tidsteget t = 1/N. 1 Frivillig fråga: ger Ramseys nyttofunktion den andel sparande som görs idag? 3

Målet är att maximera nyttan ( N 1 max α R N n= U(α n t + g(x N med bivillkoret (6. Lagranges metod är användbar för att studera maximering med bivillkor och ger en formulering av optimering med bivillkor som liknar villkoret att gradienten blir noll i optimering utan bivillkor. Repetera avsnittet om Lagranges metod från kursen analys i flera variabler. Lagrangefunktionen, som beror på X n, α n och Langrangemultiplikatorerna λ n R, n =,..., N, definieras av L(X, α, λ := N 1 n= U(α n t + g(x N N 1 n= λ n+1 ( X n+1 X n t ( f(x n α n där X = (X,..., N N R N+1, α = (α,..., α N R N+1, λ = (λ,..., λ N R N+1. Visa att Lagrangefunktionen satisfierar λ m (X, α, λ = X m X m 1 t ( f(x m 1 α m 1, m = 1,..., N, α n (X, α, λ = ( U (α n λ n+1 t, n =,..., N 1, X n (X, α, λ = λ n + λ n+1 + tf (X n λ n+1, n =,..., N 1, X N (X, α, λ = g (X N λ N. Lagranges metod visar att i en punkt (X, α där nyttan, N 1 n= U(α n t + g(x N, är maximal med (6 som bivillkor, finns λ = λ R N+1 som uppfyller (X, α, λ =, λ m m = 1,... N, (X, α, λ =, α n n =,... N 1, (X, α, λ =, X n n =,... N 1, d.v.s. gradienten av Lagrangefunktionen är noll i punkten (X, α, λ. Vi får då ekvationssystemet λ n+1 = U (α n, n =,... N 1, λ n = λ n+1 + tf (X n λ n+1, n =,... N 1, λ N = g (X N X n+1 = X n + t ( f(x n α n, n =,..., N 1, X = x. Låt nyttofunktionen vara U(α = 2α 1/2. Visa att detta ger α n = (λ n+1 2/3 för n =,..., N 1. 4

Det ickelinjära systemet λ n = λ n+1 + tf (X n λ n+1, n =,... N 1, λ N = g (X N X n+1 = X n + t ( f(x n 1, n =,..., N 1, X = x, λ 2/3 n+1 har begynnelsevärdet X = x för kapitalet och slutvärdet λ N = g (X N för Lagrangemultiplikatorn, vilket betyder att systemet inte är ett begynnelsevärdesproblem där det räcker att stega fram värden från begynnelsedata. Istället behövs iterationer för att lösa systemet, som för ickelinjära randvärdesproblem. Systemet kan i vissa fall lösas med iterationerna X n [] = x, n =,..., N, λ n [i] = λ n+1 [i] + tf (X n [i]λ n+1 [i], n =,... N 1, λ N [i] = g (X N [i] X n+1 [i + 1] = X n [i + 1] + t ( f(x n [i + 1] 1, n =,..., N 1, X [i + 1] = x λ 2/3, n+1[i] för i =, 1, 2,...,. Skriv ett Matlabprogram som löser systemet (7. Exempel på programidé (egna andra lösningar får gärna användas: bilda en vektor vars N + 1 komponenter lagrar kapitalet X vid tiderna, t, 2 t,..., N t, bilda en till vektor med N + 1 komponenter för att lagra uppdatering av kapitalet och bilda en vektor med N + 1 komponenter för att lagra Lagrangemultiplikatorvärdena vid tidpunkterna, t, 2 t,..., N t. Ge vektorn med kapital lämplig startgissning för alla tider. Låt ditt program ha en yttre slinga för att hantera iterationerna (indicerade med [i] ovan och två inre slingor (indicerade med n ovan. Den första inre slingan stegar bakåt i tiden och ger Lagrangemultiplikatorn värden med start λ N = g (X N vid t = 1 och slut λ vid t =, med hjälp av andra raden i ekvationen ovan (dvs första raden i (7 som använder värden på kapitalet. Den andra inre slingan stegar sedan uppdaterade kapitalvärdet framåt i tiden från X = 1 till sista värdet X N, med hjälp av tredje raden i ekvationen ovan (som använder Lagrangemultiplikatorn. Efter att båda inre slingor gjorts bestäms normen av skillnaden av kapital och uppdaterat kapital, sedan uppdateras kapitalet och slutligen testas om kapitalvärdet ändrats tillräckligt lite för att avsluta den yttre slingan. Studera iterationernas konvergens/divergens och formulera ett lämpligt stoppvillkor. Vad blir lösningen för g(x = 2 X, T = 1, x = 1 och alternativen f(x = X, f(x = X + X 2 /4 och f från uppgift 4. 5 (7

Del B 7. Beskriv de felkällor din lösning av optimalt sparande har och jämför felens storlek. Är stora konditionstal inblandade? Del B 8. Systemet (7 kan lösas med Newtons metod. Skriv ett Matlabprogram som löser (7 med Newtons metod. Konvergerar Newtonmetoden för x = 1, t = 1/1, T = 1, g(x = 2X 1/2 och f(x = X + X 2 /4? Del B 9. Systemet av differentialekvationer X (t = f ( X(t 1 (λ(t, X( = x 1/2 λ (t = f ( X(t λ(t, λ(t = g ( X(T (8 är ett Hamiltonskt system, d.v.s. om X(t och λ(t är vektorer i R d (d = 1 i detta fall kan det skrivas X (t = λ H ( X(t, λ(t λ (t = X H ( X(t, λ(t för en funktion H : R d R d R. Bestäm H för (8. Hamiltonska system karakteriseras av att Hamiltonianen längs en bana är konstant, d.v.s. Visa detta. d dt H( X(t, λ(t =. Andra exempel på Hamiltonska system är dynamiska system som bevarar energi H(X, λ om X R d är koordinater för partiklars position och λ R d är dess hastigheter. 6