ทฤษฎีบทการแทนของเดอบรู
ในทางเศรษฐศาสตร์ทฤษฎีบทของเดอบรูว์เป็นทฤษฎีบท เกี่ยวกับ การแสดงลำดับความชอบซึ่งเป็นข้อความเกี่ยวกับการแสดงลำดับความชอบด้วยฟังก์ชันอรรถประโยชน์ที่เป็นค่าจริง ทฤษฎีบทนี้ได้รับการพิสูจน์โดยเจอราร์ด เดอบรูว์ในช่วงทศวรรษ 1950
พื้นหลัง
สมมติว่ามีคนถามคำถามบุคคลหนึ่งในรูปแบบ "คุณชอบ A หรือ B มากกว่ากัน?" (โดยที่ A และ B อาจเป็นตัวเลือก การกระทำ สถานการณ์ หรือชุดสินค้าอุปโภคบริโภค ฯลฯ) คำตอบทั้งหมดจะถูกบันทึกไว้และก่อให้เกิดความสัมพันธ์ของความชอบ ของบุคคลนั้น แทนที่จะบันทึกความชอบของบุคคลนั้นระหว่างตัวเลือกแต่ละคู่ การมี ฟังก์ชันอรรถประโยชน์ เพียงฟังก์ชัน เดียวจะสะดวกกว่ามากฟังก์ชันนั้นจะแปลงค่าจำนวนจริงให้กับแต่ละตัวเลือก โดยที่อรรถประโยชน์ของตัวเลือก A จะมากกว่าอรรถประโยชน์ของตัวเลือก B ก็ต่อเมื่อบุคคลนั้นชอบ A มากกว่า B เท่านั้น
ทฤษฎีบทของเดอบรูว์กล่าวถึงคำถามต่อไปนี้: เงื่อนไขใดในความสัมพันธ์ของความชอบที่รับประกันการมีอยู่ของฟังก์ชันอรรถประโยชน์ที่เป็นตัวแทน?
การมีอยู่ของฟังก์ชันอรรถประโยชน์เชิงลำดับ
ทฤษฎีบทปี 1954 [ 1 ] [ 2 ]กล่าวโดยคร่าวๆ ว่าความสัมพันธ์ความชอบทุกรูปแบบที่สมบูรณ์ ถ่ายทอดได้ และต่อเนื่อง สามารถแสดงได้ด้วยฟังก์ชันอรรถประโยชน์เชิงลำดับแบบต่อเนื่อง
คำแถลง
โดยปกติแล้วทฤษฎีบทเหล่านี้จะถูกนำไปใช้กับพื้นที่ที่มีสินค้าจำกัด อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีบทเหล่านี้สามารถนำไปใช้ได้ในบริบทที่กว้างกว่านั้นมาก โดยมีข้อสมมติฐานทั่วไปดังนี้:
- X คือปริภูมิเชิงทอพอโลยี
- เป็นความสัมพันธ์บน X ซึ่งเป็น ความสัมพันธ์ แบบสมบูรณ์ (ทุกรายการสามารถเปรียบเทียบกันได้) และถ่ายทอดได้
- เป็นฟังก์ชันต่อเนื่องซึ่งหมายความว่าเงื่อนไขที่เทียบเท่ากันต่อไปนี้เป็นไปตามที่กำหนด:
- สำหรับทุกค่า เซตและจะปิดเชิงโทโพโลยีใน
- สำหรับลำดับทุกลำดับที่ถ้าสำหรับทุกiแล้วและถ้าสำหรับทุกiแล้ว
เงื่อนไขแต่ละข้อต่อไปนี้รับประกันการมีอยู่ของฟังก์ชันต่อเนื่องค่าจริงที่แสดงถึงความสัมพันธ์ของความชอบเงื่อนไขเหล่านี้มีความทั่วไปมากขึ้นเรื่อยๆ ตัวอย่างเช่น เงื่อนไขที่ 1 บ่งชี้ถึงเงื่อนไขที่ 2 ซึ่งบ่งชี้ถึงเงื่อนไขที่ 3 และซึ่งบ่งชี้ถึงเงื่อนไขที่ 4
1. เซตของชั้นสมมูลของความสัมพันธ์(กำหนดโดย: ก็ต่อเมื่อและ) เป็นเซตที่นับได้
2. มีเซตย่อยที่นับได้ของ X, ซึ่งสำหรับทุกคู่ขององค์ประกอบที่ไม่สมมูลกันจะมีองค์ประกอบที่คั่นระหว่างองค์ประกอบทั้งสองนั้น ( )
3. X สามารถแยกออกจากกันได้และเชื่อมต่อกันได้
4. X เป็น เซต ที่นับได้ลำดับที่สองหมายความว่ามีเซตที่นับได้ S ของเซตเปิด ซึ่งทุกเซตเปิดใน X เป็นผลรวมของเซตในชั้น S
การพิสูจน์ผลลัพธ์แรกมีช่องว่างซึ่ง Debreu ได้แก้ไขในภายหลัง[ 3 ]
ตัวอย่าง
ก. ให้ X เป็นโทโพโลยีมาตรฐาน (โทโพโลยีแบบยุคลิด) กำหนดความสัมพันธ์ความชอบต่อไปนี้: ก็ต่อเมื่อ. ความสัมพันธ์นี้ต่อเนื่องเพราะสำหรับทุกเซตและเป็นระนาบครึ่งปิด เงื่อนไขที่ 1 ถูกละเมิดเพราะเซตของชั้นสมมูลเป็นเซตที่นับไม่ได้ อย่างไรก็ตาม เงื่อนไขที่ 2 เป็นจริงเมื่อ Z เป็นเซตของคู่ที่มีพิกัดเป็นจำนวนตรรกยะ เงื่อนไขที่ 3 ก็เป็นจริงเช่นกันเพราะ X เป็นเซตที่แยกได้และเชื่อมต่อกัน ดังนั้นจึงมีฟังก์ชันต่อเนื่อง ที่แทนตัวอย่างของฟังก์ชันดังกล่าวคือ.
B. สมมติให้มีโทโพโลยีมาตรฐานดังที่กล่าวมาข้างต้น ความสัมพันธ์ ของความชอบตามลำดับตัวอักษรไม่ต่อเนื่องในโทโพโลยีนั้น ตัวอย่างเช่นแต่ในทุกทรงกลมรอบ (5,1) จะมีจุดที่และจุดเหล่านี้ด้อยกว่า อันที่จริง ความสัมพันธ์นี้ไม่สามารถแสดงได้ด้วยฟังก์ชันค่าจริงต่อเนื่อง (อันที่จริง ไม่สามารถแสดงได้ด้วยฟังก์ชันที่ไม่ต่อเนื่องด้วยซ้ำ)
หลักฐาน
หลักฐานจาก[ 2 ]
สัญลักษณ์: สำหรับค่าใดๆให้กำหนดและกำหนดช่วงเวลาอื่นๆ ในทำนองเดียวกัน
สำหรับข้อ 1 ให้ใช้ข้อเสนอที่ว่าลำดับเชิงเส้นนับได้ใดๆ จะสมสัณฐานกับเซตย่อยของ
สำหรับข้อ 2 ขั้นแรกให้ใช้ข้อเสนอแนะเพื่อสร้างยูทิลิตี้ที่รักษาลำดับไว้ จากนั้นสำหรับแต่ละค่าที่ไม่เทียบเท่ากับค่าใดค่าหนึ่งใน ให้สร้าง Dedekind cutบนและล่างของค่านั้นโดยอาศัยความหนาแน่นของเซต ค่าสองค่าดังกล่าวจะมีลำดับเดียวกันก็ต่อเมื่อ Dedekind cut ของค่าทั้งสองเท่ากัน
จากนั้น กำหนดค่าซึ่งเป็นการกำหนดฟังก์ชันอรรถประโยชน์
สุดท้าย ใช้ฟังก์ชันแทนเจนต์ไฮเปอร์โบลิกเพื่อบีบเส้นจำนวนจริงที่ขยายออกไปให้เหลือเพียงช่วงจำกัด
ถ้าเป็นเรื่องง่ายบนให้กำหนดดังนั้นสมมติว่าไม่ใช่เรื่องง่าย
ถ้ามีความหนาแน่นในแล้วถ้าในจะมีอยู่จริงที่ทำให้
- ช่วงเวลาเหล่านี้ไม่ว่างเปล่าเนื่องจาก.
- เนื่องจากความต่อเนื่องของช่วงทั้งสองจึงเป็นเซตย่อยเปิดของเนื่องจากความเป็นทั้งหมดของการรวมกันของช่วงทั้งสองจึงเป็นเซตทั้งหมดของเนื่องจากเชื่อมต่อกัน จุดตัดของช่วงทั้งสองจึงไม่ว่างเปล่า ดังนั้นจึงมี บางค่าเช่นนั้น
- เนื่องจากเป็นความหนาแน่นในและเป็นความต่อเนื่อง จึงมี ที่อยู่ใกล้พอสมควรซึ่งทำให้
เนื่องจากสามารถแยกส่วนได้ เราจึงใช้ส่วนที่ 2
จงแจกแจงเซตฐานที่นับได้สำหรับแต่ละให้เลือกตัวแทนหนึ่งตัวแล้วรวบรวมไว้ในเซตเดียวซึ่งหมายความว่าถ้าและไม่ว่างเปล่า ก็จะมี บางตัวที่ทำให้ เหลือเพียงจัดการกับข้อยกเว้นเท่านั้น
กำหนดให้ "คู่ช่องว่าง" คือคู่ที่และเป็นเซตว่าง เลือกเซตของตัวแทนโดยที่สำหรับคู่ช่องว่างใดๆจะมีคู่ตัวแทนเพียงคู่เดียวเท่านั้นที่
สำหรับแต่ละคู่ให้เลือกค่าบางค่าที่ทำให้และตรวจสอบได้ง่ายว่าถ้าแล้วเราต้องมีดังนั้นจำนวนตัวแทนคู่ช่องว่างจึงมีจำนวนนับได้เป็นอย่างมาก
ตอนนี้เซตนั้นเป็นเซตที่นับได้ และเราใช้ส่วนที่ 2
แอปพลิเคชัน
Diamond [ 4 ]ประยุกต์ใช้ทฤษฎีบทของ Debreu กับพื้นที่ซึ่งเป็นเซตของลำดับค่าจริงที่มีขอบเขตทั้งหมดที่มีโทโพโลยีที่เหนี่ยวนำโดยเมตริกสูงสุด (ดูL-infinity ) X แทนเซตของกระแสยูทิลิตี้ทั้งหมดที่มีขอบเขตอนันต์
นอกจากข้อกำหนดที่ว่าต้องเป็นความสัมพันธ์แบบสมบูรณ์ ถ่ายทอดได้ และต่อเนื่องแล้ว เขายังเพิ่ม ข้อกำหนด ด้านความไวต่อสิ่งเร้า อีกด้วย :
- ถ้าลำธารมีขนาดเล็กกว่าลำธารในทุกช่วงเวลาแล้ว.
- ถ้าลำธารมีขนาดเล็กกว่าหรือเท่ากับลำธารในทุกช่วงเวลาแล้ว.
ภายใต้ข้อกำหนดเหล่านี้ กระแสทุกกระแสจะเทียบเท่ากับกระแสที่มีอรรถประโยชน์คงที่ และกระแสที่มีอรรถประโยชน์คงที่สองกระแสใดๆ ก็สามารถแยกออกจากกันได้ด้วยกระแสที่มีอรรถประโยชน์คงที่ซึ่งมีอรรถประโยชน์เชิงตรรกะ ดังนั้นเงื่อนไขข้อที่ 2 ของเดอบรูจึงเป็นไปตามที่กำหนด และความสัมพันธ์ของความชอบสามารถแสดงได้ด้วยฟังก์ชันค่าจริง
ผลลัพธ์การมีอยู่ยังคงใช้ได้แม้ว่าโทโพโลยีของ X จะเปลี่ยนไปเป็นโทโพโลยีที่เกิดจากเมตริกที่ลดทอนแล้วก็ตาม:
คุณสมบัติการบวกของฟังก์ชันอรรถประโยชน์เชิงลำดับ
ทฤษฎีบทที่ 3 ของปี พ.ศ. 2503 [ 5 ]กล่าวโดยคร่าวๆ ว่า หากพื้นที่สินค้าประกอบด้วยส่วนประกอบ 3 รายการขึ้นไป และแต่ละเซตย่อยของส่วนประกอบมีความเป็นอิสระจากส่วนประกอบอื่นๆ ความสัมพันธ์ของความชอบสามารถแสดงได้ด้วยฟังก์ชันค่าบวก
คำแถลง
นี่คือข้อสันนิษฐานโดยทั่วไป:
- X ซึ่งเป็นปริภูมิของชุดสินค้าทั้งหมด เป็นผลคูณคาร์ทีเซียนของปริภูมิสินค้าn ปริภูมิ (กล่าวคือ ปริภูมิของชุดสินค้าเป็นเซตของคู่ สินค้า nรายการ)
- เป็นความสัมพันธ์บน X ซึ่งเป็น ความสัมพันธ์ แบบสมบูรณ์ (ทุกรายการสามารถเปรียบเทียบกันได้) และถ่ายทอดได้
- เป็นค่าต่อเนื่อง (ดูด้านบน)
- มีฟังก์ชันอรรถประโยชน์เชิงลำดับซึ่งแทนค่า
ฟังก์ชันนี้เรียกว่าฟังก์ชันบวกถ้าสามารถเขียนได้ในรูปผลรวมของฟังก์ชันอรรถประโยชน์เชิงลำดับn ฟังก์ชัน บนปัจจัย nตัว:
โดยที่เป็นค่าคงที่
เมื่อกำหนดชุดดัชนีแล้ว ชุดสินค้าจะเรียกว่าเป็นอิสระเชิงความชอบหากความสัมพันธ์เชิงความชอบที่เกิดขึ้นกับชุดสินค้าหนึ่ง เมื่อกำหนดปริมาณคงที่ของสินค้าอื่น ๆจะไม่ขึ้นอยู่กับปริมาณคงที่เหล่านั้น
ถ้าเป็นแบบบวกได้ เห็นได้ชัดว่าเซตย่อยทั้งหมดของสินค้าโภคภัณฑ์ย่อมเป็นอิสระต่อกันในเชิงลำดับความสำคัญ
ถ้าสินค้าทุกกลุ่มย่อยมีความเป็นอิสระต่อกันในเชิงความชอบ และมีสินค้าอย่างน้อยสามชนิดที่เป็นสินค้าจำเป็น (หมายความว่าปริมาณของสินค้าเหล่านั้นมีอิทธิพลต่อความสัมพันธ์ของความชอบ) แล้วความสัมพันธ์นี้จะเป็นแบบบวก
ยิ่งไปกว่านั้น ในกรณีนั้นจะมีลักษณะเฉพาะเฉพาะตัวจนถึงการแปลงเชิงเส้น ที่เพิ่มขึ้น
สำหรับหลักฐานเชิงสร้างสรรค์ที่เข้าใจง่าย โปรดดูที่ อรรถประโยชน์เชิงลำดับ - การบวกกับสินค้าสามรายการขึ้นไป
ทฤษฎีบทเกี่ยวกับอรรถประโยชน์เชิงปริมาณ
ทฤษฎีบทที่ 1 ของปี 1960 [ 5 ]เกี่ยวข้องกับความชอบในการจับสลาก ถือได้ว่าเป็นการปรับปรุงทฤษฎีบทอรรถประโยชน์ของ von Neumann–Morgensternในปี 1947 ทฤษฎีบทก่อนหน้านี้ถือว่าตัวแทนมีความชอบในการจับสลากที่มีความน่าจะเป็นแบบใดก็ได้ ทฤษฎีบทของ Debreu ลดทอนข้อสมมตินี้และถือว่าตัวแทนมีความชอบในการจับสลากที่มีโอกาสเท่ากันเท่านั้น (กล่าวคือ พวกเขาสามารถตอบคำถามได้เฉพาะในรูปแบบ: "คุณชอบ A มากกว่าการจับสลากที่มีโอกาสเท่ากันระหว่าง B กับ C หรือไม่?")
ในทางทฤษฎีแล้ว มีเซตของตัวเลือกที่แน่นอน เซตของลอตเตอรี่คือทฤษฎีบทของเดอบรูว์กล่าวว่า ถ้า:
- เซตของตัวเลือกที่แน่นอนทั้งหมดเป็นพื้นที่ที่เชื่อมต่อกันและ แยกออกจากกัน ได้
- ความสัมพันธ์ของความชอบบนเซตของลอตเตอรี่มีความต่อเนื่อง - เซตและเป็นเซตปิดเชิงโทโพโลยีสำหรับทุกๆ
- และหมายความว่า
จากนั้นจะมีฟังก์ชันอรรถประโยชน์เชิงปริมาณuที่แสดงถึงความสัมพันธ์ของความชอบบนเซตของลอตเตอรี่ กล่าวคือ:
ทฤษฎีบทที่ 2 ของปี พ.ศ. 2503 [ 5 ]เกี่ยวข้องกับตัวแทนที่มีความชอบที่แสดงด้วยความถี่ในการเลือก เมื่อพวกเขาสามารถเลือกระหว่างAและBได้ พวกเขาจะเลือกAด้วยความถี่ และBด้วยความถี่ค่านี้สามารถตีความได้ว่าเป็นการวัดว่าตัวแทนชอบAมากกว่าB มากน้อยเพียงใด
ทฤษฎีบทของเดอบรูระบุว่า ถ้าฟังก์ชัน pของตัวแทนเป็นไปตามเงื่อนไขต่อไปนี้:
- ความครบถ้วน:
- เงื่อนไขสี่ประการ:
- ความต่อเนื่อง: ถ้าแล้วจะมีC อยู่จริง ซึ่งเป็นไปตามเงื่อนไขต่อไปนี้:
ดังนั้นจึงมีฟังก์ชันอรรถประโยชน์เชิงปริมาณuที่แทนp กล่าว คือ: