摘要:隨著我國金融業(yè)的不斷發(fā)展,數(shù)學(xué)與金融學(xué)之間的融合趨勢越發(fā)明顯,利用數(shù)學(xué)工具計算經(jīng)濟(jì)活動,并分析經(jīng)濟(jì)學(xué)理論以及金融知識能夠進(jìn)一步明確金融活動利潤、成本與收益之間的函數(shù)關(guān)系。此狀態(tài)下,能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)學(xué)意義上的風(fēng)險要素合理管控?;诖?,文章從實際情況出發(fā),以數(shù)學(xué)建模為基礎(chǔ)闡述了經(jīng)濟(jì)金融優(yōu)化的關(guān)鍵問題模型搭建,并針對性分析了數(shù)學(xué)建模中經(jīng)濟(jì)與金融優(yōu)化模型,旨在為經(jīng)濟(jì)與金融問題優(yōu)化提供參考。
關(guān)鍵詞:數(shù)學(xué)建模;經(jīng)濟(jì)金融優(yōu)化;模型設(shè)計
世界經(jīng)濟(jì)全球化金融背景下,外部市場競爭環(huán)境越發(fā)復(fù)雜,金融市場面臨的競爭性與沖擊性更加強(qiáng)烈。尤其是針對金融業(yè)工作人員來說,必須要利用數(shù)學(xué)建模的方法實現(xiàn)對經(jīng)濟(jì)與金融知識的數(shù)學(xué)模型建設(shè),從而實現(xiàn)對市場各項因素的準(zhǔn)確分析與合理評判。數(shù)學(xué)工具與經(jīng)濟(jì)金融知識之間存在直接關(guān)聯(lián),結(jié)合相關(guān)風(fēng)險要素與現(xiàn)有技術(shù)理論制定解決方案后,能夠為實際的金融決策行為提供指導(dǎo)。因此,無論是對于經(jīng)濟(jì)金融理論,還是實際的金融活動來說,數(shù)學(xué)建模都能起到重要的指導(dǎo)作用。模型的良好建設(shè)不僅能檢驗金融理論知識,還能從實際金融活動出發(fā)提出全面的指導(dǎo)策略,從而實現(xiàn)提高資金使用效率、增加投資穩(wěn)定性,優(yōu)化資金管理的最終目的,是新時代金融活動開展的主要方向之一。
一、經(jīng)濟(jì)金融優(yōu)化的關(guān)鍵問題模型搭建
(一)利潤的最大化問題
柯布道格拉斯生產(chǎn)函數(shù)是針對利潤問題應(yīng)用最廣泛的函數(shù)方法,指向模型的優(yōu)化與分析,其形式為:Q(L,K)=aLaKβ。式中:Q表示為企業(yè)或廠家的總生產(chǎn)量;a表示為常數(shù);L表示為企業(yè)或廠家的生產(chǎn)勞動力投入(單位/萬人);K為企業(yè)或廠家的生產(chǎn)投入勞動資本(單位/萬億元);β為資本產(chǎn)出彈性系數(shù)。在對此模型進(jìn)行研究分析時假設(shè)生產(chǎn)量Q與銷售量相等,設(shè)企業(yè)產(chǎn)品銷售量為S,得出如下相等條件:S=Q=aLaKβ。假設(shè)企業(yè)生產(chǎn)銷售收入為系數(shù)1,則產(chǎn)品銷售的二次多項函數(shù)記為:I=b0S+b1S2。期間設(shè)固定成本為Y0,產(chǎn)品銷售成本為X,則X與P0的關(guān)系表達(dá)式為:X=Y0+c0S+c1S2。設(shè)利潤為G,則表示為:G=1-X=(b0-c0)S+(b1-c1)S2-m0。針對利潤最大化問題,可利用表達(dá)式,明確利潤優(yōu)化模型:maxR(L,K)=(b0-c0)aLaKβ+(b1-c1)aLaKβ。在實際問題解決中,b0、c0、b1、c1、La、Kβ均為常數(shù),首先將其轉(zhuǎn)化為最小值問題并選取 fminunc函數(shù),對數(shù)據(jù)進(jìn)行編程錄入計算后實現(xiàn)對問題的合理求解。
(二)資金的最優(yōu)使用問題
對于經(jīng)濟(jì)金融優(yōu)化來說,資金最優(yōu)使用對于獲得穩(wěn)定收入提高資金使用效率有著極為重要的作用。經(jīng)濟(jì)學(xué)中關(guān)于資金與技術(shù)的研究往往需要在具體會計核算周期內(nèi)進(jìn)行。其中的關(guān)鍵在于企業(yè)的經(jīng)營方式、資金管理需求及現(xiàn)金流周轉(zhuǎn)。因此,資金最優(yōu)使用問題的研究需要從資金使用效率方面出發(fā),在合理期限范圍內(nèi)研究企業(yè)的資本金變動問題從而獲取最大的資金使用效率。最終目的在于提高企業(yè)的實際經(jīng)濟(jì)效益。如,分析以下問題:企業(yè)自有資金150萬元人民幣,要求其在4年時間內(nèi)對該資金進(jìn)行完全使用。在其期間,會計人員會對資金的具體周轉(zhuǎn)、使用情況進(jìn)行記錄。第一年,該企業(yè)使用資金數(shù)額設(shè)為X,資金使用效益設(shè)為Y。當(dāng)年的不可用資金全部存入銀行賬戶并對此部資金所得利息進(jìn)行核算。上述內(nèi)容為該資金的整體計算流程。設(shè)資金使用年份為X1、X2、X3、X4。結(jié)合數(shù)學(xué)建模得出表達(dá)式:max∑■■X■■,但是因為閑置資本使用得當(dāng)?shù)那疤嵯聲a(chǎn)生利息收入,故對該模型進(jìn)行優(yōu)化:max∑■■X■■
s.t0≤X1≤1000≤X2≤1.1(100-X1)0≤X3≤1.1(1.1(100-X1)-X2){0≤X4≤1.1(1.1(100-X1)-X2-X3)。對該模型進(jìn)行觀察分析后可知該模型的非線性條件需求。因此,在計算過程中可算作最小目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化值,結(jié)合參數(shù)與實際變量對公式進(jìn)行求解。此后可以利用fmincon函數(shù)導(dǎo)出計算結(jié)果。對于經(jīng)濟(jì)金融實際問題的解決過程中,除了建立非線性函數(shù)模型外,也可以利用回歸分析、智能算法以及代數(shù)方程等方式豐富建模形式。對于資金最優(yōu)使用問題的解決也可參考其他數(shù)學(xué)模型。
二、數(shù)學(xué)建模中經(jīng)濟(jì)與金融優(yōu)化模型分析
(一)投資風(fēng)險組合優(yōu)化模型
經(jīng)濟(jì)金融分析過程中的投資組合優(yōu)化是其中的重要組成部分。數(shù)學(xué)建模下的模型搭建,主要包括風(fēng)險分析以及資產(chǎn)組合分析,最大限度上明確投資收益增加投資者的投資信心。比如,在某證券投資交易過程中提供了三種類型的股票A類、B類以及C類。模型搭建的主要目的在于分析股票的變動情況從而明確影響投資收益的具體因素。結(jié)合投資收益最大化原則對以上三類股票進(jìn)行投資組合模型的搭建。將A類股票的年初價格設(shè)定為1元,因為行情變化以及市場經(jīng)濟(jì)整體影響使得該類股票在年末上漲至1.5元。投資收益明顯提高。針對投資組合的優(yōu)化分析與模型設(shè)計早在20世紀(jì)50年代就建立了投資模型基本理論框架??紤]到股票投資的不確定性與風(fēng)險性性質(zhì),曾將股票收益作為隨機(jī)變量結(jié)合各項因素進(jìn)行風(fēng)險指標(biāo)的控制。依據(jù)Mark模型關(guān)系,橫向?qū)Ρ仁找媾c風(fēng)險的標(biāo)準(zhǔn)差得出模型數(shù)據(jù)。因此,后續(xù)的經(jīng)濟(jì)金融投資優(yōu)化只需要控制投資標(biāo)準(zhǔn)差即可實現(xiàn)對風(fēng)險的合理控制。從數(shù)學(xué)模型角度出發(fā),資產(chǎn)方差值越大代表著風(fēng)險越大。因此,就需要控制方差最小值降低風(fēng)險。目前的證券金融市場對于股票價值的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一就是股票收益的均衡性。因此,相關(guān)數(shù)據(jù)的識別與模型搭建都可通過計算股票平均收益率這一指標(biāo)實現(xiàn)對風(fēng)險的識別與評估。投資組合的優(yōu)化是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益提高的最重要方法。在數(shù)據(jù)模型研究中如果協(xié)方差為正數(shù)且數(shù)值越大時,則影響效果越明顯;如果數(shù)值為0則表示數(shù)據(jù)影響不大。如果數(shù)值為負(fù)數(shù),則代表兩組數(shù)據(jù)之間存在負(fù)相關(guān)與協(xié)方差為整數(shù)的情況相反。將三類股票的年收益率設(shè)為K1、K2、K3,計算式中的Ki(i=1,2,3)可作為隨機(jī)變量。將COV表示為兩組數(shù)據(jù)(隨機(jī)變量)之間的協(xié)方差并結(jié)合數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算,則上述三類股票的協(xié)方差年收益率矩陣表示為COV=0.10807540.0124072100.012407210.050391700.13075130.055426390
模型構(gòu)建過程中決策變量X1、X2、X3分別代表上述三類股票的投資比例。為了簡化計算流程假設(shè)投資人的全部閑置資金都用于股票投資,則滿足以下條件:X1,X2,X3≥0;X1+X2+X3=1。在實際的金融投資分析過程中,相關(guān)人員必須要考慮到投資年收益率的量變性質(zhì),需要從統(tǒng)計學(xué)角度進(jìn)行分析。為了簡化研究過程,本文將銀行存款以及國庫券等低風(fēng)險投資方式劃分為風(fēng)險投資方式的特殊情況,加強(qiáng)與數(shù)學(xué)模型的匹配度。一般情況下低風(fēng)險投資收益較為固定,橫向?qū)Ρ绕渌麛?shù)據(jù)協(xié)方差來說,將其數(shù)值設(shè)置為0。為了加強(qiáng)模型的有效性,則需要假設(shè)投資者行為。將投資者購買上述三類股票的比例設(shè)置為Z1、Z2、Z3,賣出股票比例為U1、U2、U3,約束條件為:X1,X2,X3≥0;Z1,Z2,Z3≥0;U1,U2,U3≥0。為了簡化數(shù)據(jù)計算流程,對于資金核算環(huán)節(jié)本文選擇忽略不計,盡可能簡化交易成本。在守恒定律原則下假設(shè)股票持有者總資金規(guī)模不變,且交易成本為0.01,資金使用單位為1,則可設(shè)立表達(dá)式:X1+X2+X3+0.01(Z1+Z2+Z3+U1+U2+U3)=1。將相關(guān)數(shù)據(jù)錄入模型中進(jìn)行計算,提出假設(shè)1、2。
假設(shè)1:模型計算過程所得收益分布應(yīng)滿足數(shù)學(xué)正態(tài)分布規(guī)律。“未來收益”以及“預(yù)期值”的情況應(yīng)不對模型框架產(chǎn)生影響。以上數(shù)值僅需在數(shù)據(jù)以及計算過程中進(jìn)行體現(xiàn)即可。
假設(shè)2:該類假設(shè)是對投資者金融行為的假設(shè)。如果投資者投資偏好明顯,利用方差標(biāo)準(zhǔn)值以及二階矩陣能夠識別風(fēng)險因子。但是在實際金融市場中風(fēng)險作用機(jī)制較為多元,需要進(jìn)一步確定模型的合理性與全面性。
(二)拍賣投標(biāo)線性規(guī)劃模型
拍賣與投標(biāo)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建的主要因素在于,通過經(jīng)典經(jīng)濟(jì)學(xué)問題分析加強(qiáng)模型數(shù)據(jù)的應(yīng)用可靠性。模型的計算與數(shù)值對于實際經(jīng)濟(jì)活動產(chǎn)生的影響較為深遠(yuǎn),就需要對拍賣投標(biāo)中涉及的主要問題進(jìn)行分析與規(guī)劃。假設(shè)某家拍賣行采取委托拍賣的方式對幾款價值不菲的藝術(shù)珍藏品進(jìn)行拍賣。假設(shè)以下場景:共有三名來自不同區(qū)域的投保人提交了投標(biāo)書,數(shù)量、價格均存在許多的差異性。在實踐中一般情況下都會將藝術(shù)品有限拍賣給出價最高的投標(biāo)人,但是在數(shù)學(xué)建模視角下這種處理方法卻不能實現(xiàn)對物品清償價格的有效研究。在分析過程中需要利用排列組合數(shù)學(xué)模型解決問題并提出假設(shè):首先建立一般模型。該模型假設(shè)有N個物品拍賣,第v個物品數(shù)量為Sv(v1、2......N)。具體問題求解下設(shè)拍賣投標(biāo)者數(shù)量為T,投標(biāo)者i(i=1/2......T),投標(biāo)價格假設(shè)為Niv,并設(shè)其大于0。在模型構(gòu)建過程中理論上需要達(dá)到對第v類物品清算價格的確定目標(biāo),但是在實際過程中清算價格Pv需要滿足以下條件:一是拍賣過程中涉及的拍賣物品,即第v類物品數(shù)量不能超過Sv。二是第v類物品的投標(biāo)價如果低于Sv將不能獲得該物品。三是如果第v類物品的數(shù)量小于Sv且該情況正好處于拍賣物品的成交過程則認(rèn)定Sv=0。四是如果第v類物品報價高于Pv則投標(biāo)人有權(quán)利獲得該物品。為了進(jìn)一步加強(qiáng)計算的標(biāo)準(zhǔn)性與全面性優(yōu)化模型,將Oiv變量表示為第v類物品拍賣給投資者i并將0~1作為標(biāo)準(zhǔn)變量,那么就可得出結(jié)論:Oiv=1時,代表結(jié)果(分配)合理;Oiv=0時,代表結(jié)果(分配)不合理。優(yōu)化后的數(shù)學(xué)模型經(jīng)過優(yōu)化后表達(dá)為:∑∑biv?堀Oiv。確定模型后納入約束條件,即利潤最大化目標(biāo)函數(shù),隨后利用相關(guān)軟件錄入數(shù)據(jù)并計算,能夠進(jìn)一步得出拍賣投標(biāo)的模型函數(shù)核算程序。在實踐研究中因為涉及到的因素更廣、環(huán)節(jié)更全面,為了加強(qiáng)模型的全面性確保計算結(jié)果精準(zhǔn)就需要進(jìn)行適時調(diào)整。以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步制定解決方案,加強(qiáng)建模分析的可靠性,實現(xiàn)金融學(xué)與數(shù)學(xué)的有機(jī)結(jié)合。
(三)“典型事實”與邊緣分布的模型搭建
因為邊緣分布的準(zhǔn)確性參數(shù)與風(fēng)險度量間存在直接性影響,使得金融資產(chǎn)變量序列存在非對稱性等“典型事實”。因此,對金融資產(chǎn)序列的“典型事實”與邊緣分布建模能夠進(jìn)一步促進(jìn)經(jīng)濟(jì)金融優(yōu)化。假定資產(chǎn)收益率為:rt=u1+?犖1。式中,u1表示為資產(chǎn)收益率均值;?犖1表示為收益率標(biāo)準(zhǔn)差;rt表示為資產(chǎn)整體收益率。具體流程為。第一步,判斷收益率序列是否存在自相關(guān)性。如果存在則利用模型進(jìn)行自相關(guān)性建模;如果不存在直接進(jìn)行下一步;第二步,判斷第一步殘差的異方差性。如果存在利用模型建模消除序列的異方差性;如果不存在進(jìn)行下一步。第三步,建立標(biāo)準(zhǔn)化差模型并利用廣利誤差分布選擇模型序列。第四步,針對以上步驟的最優(yōu)分布情況實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化殘差序列的概率轉(zhuǎn)化,利用K-S進(jìn)行檢驗。如果檢驗通過則進(jìn)行下一步,如果不通過重復(fù)以上步驟。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化殘差序列轉(zhuǎn)換成了均勻分布時,可利用最大生成樹算法建立模型結(jié)構(gòu),對收益率進(jìn)行模擬與計算,從而生成投資組合優(yōu)化模型。當(dāng)相關(guān)模型生成后,結(jié)合最小信息量原則從所有模型中選擇出最優(yōu)的模型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的t分布計算。如果計算結(jié)果中存在不掌握變量,可利用建立序列最優(yōu)分布的方式進(jìn)行建模邊緣分布。
三、開發(fā)性金融項目視角下的融資結(jié)構(gòu)優(yōu)化
為了進(jìn)一步詳細(xì)闡述數(shù)學(xué)建模視角下的經(jīng)濟(jì)金融優(yōu)化,本文針對開發(fā)性金融項目的融資結(jié)構(gòu)作出進(jìn)一步研究。融資決策是一種市場化決策的泛決策方法,而開發(fā)性金融的項目決策則是項目經(jīng)濟(jì)效益最大化的政策性特點。融資結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的搭建也有利于其他類型經(jīng)濟(jì)金融項目優(yōu)化。
(一)多階段動態(tài)規(guī)劃的開發(fā)性金融項目融資結(jié)構(gòu)模型優(yōu)化
本節(jié)以多階段機(jī)會約束的項目融資規(guī)劃模型為基礎(chǔ),指向的是開發(fā)性金融開發(fā)對象各階段的最優(yōu)債務(wù)融資規(guī)模、期限和票面利率進(jìn)行科學(xué)計算與預(yù)測的一種最優(yōu)資本結(jié)構(gòu)。該模型以公司價值最大化為目標(biāo)函數(shù),并做出如下假設(shè):一是破產(chǎn)成本是公司現(xiàn)有的所有資產(chǎn)。二是債務(wù)發(fā)行成本為0。三是投資額度確定,且投資所有稅后收入都用于支付股利。四是未來期限內(nèi)不考慮博定性,且可以提前預(yù)測無風(fēng)險利率。五是公司經(jīng)營現(xiàn)金流被假定服從一個已知的分布。
假設(shè)該模型只發(fā)行兩類債券:第一類type1;第二類type2。第一類為債務(wù)類短期融資,第二類的債務(wù)融資為長期融資。由此可得出第一類股東現(xiàn)金流為:
Yis=X1-(1+R10)D10-R20D20-π(X1-R10D10-R20D20-DP1)-I1+D11=0。
其中 X1≥a1,X1<a1,式中:Yis表示為股東第i階段的隨機(jī)現(xiàn)金流;X表示為經(jīng)營現(xiàn)金流;R表示為發(fā)行的type類型的票面利率;D表示為發(fā)行的type類型的債務(wù)面;DP1表示為債券折舊價值;a表示為公司的破產(chǎn)臨界點。在第一類債券中的破產(chǎn)臨界點為:
a1=■+R10D10+R20D20
假設(shè),X1≥a1,且S為股權(quán)價值時則不會產(chǎn)生破產(chǎn)行為。在此過程中,公司如果出現(xiàn)債務(wù)違約情況,則債權(quán)人即便順利發(fā)行了金額為D11的債務(wù)也不會得到任何支付。因此,將現(xiàn)金流進(jìn)一步優(yōu)化后得出:
Y1B=(1+R10)D10+R20D20_D11=0
由此推導(dǎo)出第二類股東與債券持有者獲得的現(xiàn)金流為:
Y2S=X2-(1+R20)D20-(1+R11)D11-π(X2-R20D20-R11D11-DP2)+A2=0
式中A2表示為公司在第二類債券的資產(chǎn)市值,得出:
a2=■+R20D20+R11D11
進(jìn)一步利用聯(lián)立方程推導(dǎo)出D10、D11以及D20的數(shù)值:
■+■=■
此次模型的搭建與計算為了加強(qiáng)簡明度只針對兩種類型的債券融資規(guī)劃進(jìn)行預(yù)測??紤]到破產(chǎn)概率問題,可依照現(xiàn)行稅率假定公司未來兩年內(nèi)稅率不變,在此期間沒有任何新的投資,計算結(jié)果將更加直觀。
(二)項目組合的融資結(jié)構(gòu)模型優(yōu)化
考慮到開發(fā)性金融支持對象多樣,涉及到產(chǎn)業(yè)與區(qū)域整體發(fā)展方面則可稱之為項目組合。下文將針對項目組合方面實現(xiàn)融資結(jié)構(gòu)模型優(yōu)化。其中,動態(tài)規(guī)劃的一般模型為:
fk(sk)=min/max(dk(sk,xk)+fk+1(sk+1))fN+1(sN+1)=0,k=N,N-1……1
式中:sk表示為k階段的狀態(tài)變量;xk表示為k階段的決策變量。如果某一決策所得效益稱為階段效益且經(jīng)過了系統(tǒng)確定,則狀態(tài)變量與階段決策變量將成為整個過程系統(tǒng)效益的一部分。相比于枚舉法動態(tài)規(guī)劃方法相對簡潔,只需要利用各階段之間的遞進(jìn)關(guān)系直接求解最優(yōu)決策序列即可。
因為債券融資成本較高,融資規(guī)模越大則融資難度也將越高。因此,確定債券融資費(fèi)用與融資數(shù)量的比例系數(shù)后(0.00005)可推導(dǎo)出各階段債券在供需不匹配前提下的管理費(fèi)用占據(jù)資產(chǎn)金額的1%。下文利用多階段動態(tài)規(guī)劃思想進(jìn)行融資需求優(yōu)化,假設(shè)每五年為一個階段。由狀態(tài)變量采取決策變量后的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為:
sk+1+sk+xk-Ak
式中,Ak為已知量并階段效益即是費(fèi)用,因此:
d(sk,xk)=0.01sk+0.00005xk2
如果從狀態(tài)變量出發(fā),采用最優(yōu)策略并計算第五年結(jié)束時的最小費(fèi)用則得出動態(tài)規(guī)劃模型:
fk(sk)=min(0.001sk+0.00005k2+fk+1(sk+1))
利用逆序遞推方法對以上模型進(jìn)行求解,此時:
f4(s4)=min(0.01s4+0.00005x4+0)
取最小值時求導(dǎo)并令其為0得:
G=0.0001x3-0.11+0.0001(s3+x3-500)=0
由上述的模型建立與計算后推導(dǎo)而出,假設(shè)最小費(fèi)用為118億元,則優(yōu)化后的總費(fèi)用比優(yōu)化前減少了9億元。為了進(jìn)一步優(yōu)化開發(fā)性金融經(jīng)過模型優(yōu)化后的融資結(jié)構(gòu),還需要對其他領(lǐng)域在融資各階段中的最佳融資金額。該金額與融資方式的分配比例需要視金融產(chǎn)業(yè)的特點而定。將各個領(lǐng)域內(nèi)的最佳融資金額加總后再利用上述公式求解。就能得出相對最優(yōu)的融資結(jié)構(gòu)。當(dāng)然,此過程中必須要確保數(shù)據(jù)的可靠。
四、結(jié)語
綜上所述,本文主要選取了柯布道格拉斯生產(chǎn)函數(shù)作為企業(yè)生產(chǎn)資本以及勞動力投入的貢獻(xiàn)率轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ),以此明確利潤的最大化以及資金的最優(yōu)使用問題。在此前提下合理配比相關(guān)參數(shù),從而實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化的最終目標(biāo)。與此同時,通過資金最優(yōu)模型的建設(shè)針對性提出企業(yè)資金的周轉(zhuǎn)情況與管理情況,實現(xiàn)投資風(fēng)險組合優(yōu)化模型的搭建。此模型的建設(shè)主要是針對金融市場投資風(fēng)險的分析與識別,保障投資者的投入收益。另外,本文針對拍賣投標(biāo)方面也針對性搭建了線性規(guī)劃模型,旨在明確投資活動中存在的金融問題以及經(jīng)濟(jì)問題,從而發(fā)揮數(shù)學(xué)模型對實際經(jīng)濟(jì)活動的指導(dǎo)價值。
參考文獻(xiàn):
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(作者單位:東北農(nóng)業(yè)大學(xué))