動態(tài)經(jīng)濟學數(shù)學建模及穩(wěn)定化控制分析

蔡佐威　黃立宏

摘 要 通過考慮需求函數(shù)和供給函數(shù)受到不連續(xù)因素的影響以及引進切換型的控制策略，建立由右端不連續(xù)微分方程刻畫的非線性價格調整模型.利用微分包含理論和Lyapunov穩(wěn)定性方法分析不連續(xù)價格調整模型的有限時間穩(wěn)定化控制問題，并給出數(shù)值模擬實例進行驗證說明.最后，結合動態(tài)經(jīng)濟學數(shù)學建模提出數(shù)學建模教學改革的幾點建議.

關鍵詞 應用數(shù)學；有限時間穩(wěn)定化；Lyapunov函數(shù)法；動態(tài)經(jīng)濟學；數(shù)學建模

中圖分類號 O193； O231； F22 文獻標識碼 A

Abstract By considering the influence of discontinuous factors on demand function and supply function and introducing the control strategy of switching type， a nonlinear price adjustment model described by discontinuous differential equation is established. By using differential inclusion theory and Lyapunov stability method， the finite time stabilization control problem of the discontinuous price adjustment model is analyzed. Moreover， the numerical simulation examples are given to verify the results. Finally， combining the mathematical modeling of dynamic economics， several suggestions on the teaching reform of mathematical modeling is put forward.

Key words applied mathematics； finite-time stabilization； Lyapunov function method； dynamic economics； mathematical modeling

1 引 言

數(shù)學建模無論在科學技術研究還是在國民經(jīng)濟建設中都起著尤為重要的作用.數(shù)學建模主要是利用數(shù)學語言對社會經(jīng)濟活動中的實際問題和現(xiàn)象進行描述，并通過對尋找變量之間的關系建立出由函數(shù)或方程刻畫的數(shù)學模型.經(jīng)濟學家認為經(jīng)濟變量是動態(tài)的，會隨著時間的變化而改變，所以對經(jīng)濟系統(tǒng)進行數(shù)學建模和動態(tài)分析是非常必要的.對經(jīng)濟

系統(tǒng)模型進行動態(tài)分析最早可追溯到20世紀30年代末，Samuelson （1939）[1]利用動態(tài)分析理論對經(jīng)濟周期模型進行了研究，并且指出如果經(jīng)濟學的研究者沒有掌握一定的動態(tài)分析理論，將會影響對現(xiàn)代經(jīng)濟學的理解.Romer （1986）[2]對經(jīng)濟動態(tài)增長問題進行了研究，并掀起了動態(tài)經(jīng)濟學的研究高潮.目前動態(tài)經(jīng)濟學已經(jīng)成為經(jīng)濟學中一個重要的研究方向，并滲透到了宏觀經(jīng)濟學和微觀經(jīng)濟學的許多領域，動態(tài)經(jīng)濟學的課程也在歐美很多高校進行了開設.此外，經(jīng)濟學與控制論是密切相關的，Sengupta和Fanchon（1997）[3]建立了LQG問題中的分離定理與控制論有密切的關系.在經(jīng)濟系統(tǒng)模型引入政策變量和決策變量等控制變量對經(jīng)濟的宏觀調控能起到積極的指導作用，例如政府的支出、利率的調整、貨幣的發(fā)行、消費策略等都可作為經(jīng)濟控制變量.關于經(jīng)濟學數(shù)學建模和動力學分析需要用到一些新穎的工具和方法，例如，Akira （2001）[4]探討了非線性規(guī)劃、不確定性和最優(yōu)控制理論等經(jīng)濟學分析方法；王翼和王歆明（2006）[5]利用Matlab工具研究動態(tài)經(jīng)濟學問題；Filippov （1988）[6]闡述了微分包含理論；Clarke （1983）[7]介紹了非光滑分析方法；Forti等 （2006）[8]推廣了Lyapunov函數(shù)法.近年，關于經(jīng)濟學數(shù)學建模和動力學分析有一些很好的結論.陳燕燕 （2017）[9]建立了基于金融混沌系統(tǒng)的線性控制模型，并實現(xiàn)了對系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制.徐玉華等 （2017）[10]利用動力學原理建立經(jīng)濟學模型，并研究了均衡解的穩(wěn)定性.總之，在高校研究生或大學生的數(shù)學建模課程學習與實踐中，動態(tài)經(jīng)濟學建模與動態(tài)分析是非常熱門的研究方向之一.對動態(tài)經(jīng)濟學進行數(shù)學建模和動態(tài)分析無論對高校學生邏輯推理、空間想象和科學計算等數(shù)學思維能力的培養(yǎng)，還是對推動科學技術和經(jīng)濟的發(fā)展都起著尤為重要的指導作用.

2 動態(tài)經(jīng)濟學數(shù)學建模分析

2.1 動態(tài)經(jīng)濟學數(shù)學建模過程

動態(tài)經(jīng)濟學的數(shù)學建模不但會運用到數(shù)學理論知識和方法，例如常微分方程、泛函微分方程、線性代數(shù)、概率論、Lyapunov穩(wěn)定性方法等，還會用到經(jīng)濟學原理、現(xiàn)代控制理論和計算機軟件編程等相關專業(yè)的知識.眾所周知，產(chǎn)品的價格由市場供求來決定，當產(chǎn)品供大于求時，產(chǎn)品的價格將會下降，而當產(chǎn)品供不應求時，產(chǎn)品價格就會上漲.這種產(chǎn)品價格的變化過程可近似由微分方程系統(tǒng)來描述.因為經(jīng)濟系統(tǒng)是動態(tài)的，經(jīng)濟變量隨著時間的變化而改變.當產(chǎn)品價格的變化與供求差額成正比時，可得到如下由常微分方程描述的n種產(chǎn)品的非線性價格調整模型：

3 結 論

通過考慮需求函數(shù)和供給函數(shù)受到不連續(xù)因素的影響并引進切換型的控制策略，對非線性價格調

整模型進行了數(shù)學建模與有限時間穩(wěn)定化控制分析.數(shù)學建模本身就與經(jīng)濟發(fā)展和科學技術的進步密切聯(lián)系.在數(shù)學建模的研究和教學過程中應利用經(jīng)典的數(shù)學理論與方法進行科學研究并解決經(jīng)濟生活中存在的問題.通過分析，對動態(tài)經(jīng)濟學的研究和高校人才培養(yǎng)及數(shù)學建模教學改革有如下幾點建議：（1）數(shù)學建模應緊密聯(lián)系當前的社會經(jīng)濟需求，特別是與前沿的經(jīng)濟科學問題緊密聯(lián)系.（2）加強數(shù)學建模教學過程中的專業(yè)性建設，提高高等學校專任教師及科研人員的綜合素質，特別是加大對高層次跨學科人才的培養(yǎng).（3）在高校研究生與本科生相關專業(yè)的人才培養(yǎng)過程中，應開展動態(tài)經(jīng)濟學的數(shù)學建模和動態(tài)分析研究.

參考文獻

[1] Samuelson P A. Interactions Between The Multiplier Analysis and The Principle of Acceleration [J]. The Review of Economics and Statistics， 1939（21）： 75-78.

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[9] 陳燕燕. 一類金融混沌系統(tǒng)的線性控制模型[J]. 經(jīng)濟數(shù)學， 2017， 34（4）： 48-52.

[10]徐玉華， 克忠義， 杜明娟， 白雪寒. 基于動力學視角的經(jīng)濟時間序列分析[J]. 經(jīng)濟數(shù)學， 2017， 34（4）： 85-88.