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[M5 mkk v2] Minimalkostenkombination

16 Stück kann man auf viele Arten herstellen: mit viel Arbeit und wenig Maschinen oder mit wenig Arbeit und vielen Maschinen. Jede Art kostet etwas anderes. Gesucht ist die billigste.

48121620481216Arbeit A (Stunden)Kapital K (Maschinenstunden) alle Mischungenfür 16 Stück 1 h Arbeit: 1 €1 h Maschine: 4 € 65 € 34 € 20 € 20 € 20 € Gerade gleicher Kosten:alle Mischungen für 20 € … sinkt auf 16 €16 € (8 | 2): am billigsten

Die billigste Mischung liegt dort, wo die Gerade gleicher Kosten die Kurve aller Mischungen für 16 Stück nur noch berührt: bei 8 Arbeitsstunden und 2 Maschinenstunden, für 16 €.

Wie findet man diesen Punkt genau, ohne Zeichnung? Mit einer Rechnung. Danach kommen wir auf das Bild zurück und sehen, warum es gerade dieser Punkt ist. Zuerst bauen wir die Kurve.

Viele Mischungen für dieselbe Menge

Ein Betrieb braucht zwei Dinge:

- : Arbeitsstunden von Menschen (Arbeit) - : Maschinenstunden (Kapital)

In der Wirtschaft heißen Maschinen Kapital. Gemeint sind hier Maschinenstunden, kein Geld. steht auf dieser Seite immer für Kapital.

Arbeit und Maschinen können sich ersetzen. Zwei Menschen mit einer Maschine schaffen so viel wie ein Mensch mit zwei Maschinen.

In unserem Betrieb ist die Stückzahl Arbeit mal Kapital. Diese Formel heißt Produktionsfunktion:

Beispiel: 4 Arbeitsstunden und 4 Maschinenstunden ergeben Stück.

Der Betrieb will genau 16 Stück. Welche und passen? Gesucht sind alle Paare mit :

11616
2816
4416
8216
16116

Jede Mischung ist ein Punkt

Wir tragen jede Zeile als Punkt ein: nach rechts, nach oben. Die Stückzahl steht auf keiner Achse. Sie ist die Fläche des Rechtecks unter dem Punkt: Breite mal Höhe .

48121620481216Arbeit A (Stunden)Kapital K (Maschinenstunden) Rechteck unter dem Punkt:Fläche A · K = Stückzahl 1 · 16 = 16 2 · 8 = 16 4 · 4 = 16 8 · 2 = 16 16 · 1 = 16 5 · 3,2 = 16 Isoquante: 16 Stück

Alle Mischungen für 16 Stück zusammen bilden eine Kurve. Sie heißt Isoquante („iso“: gleich, „Quantum“: Menge). Jeder Punkt auf ihr ist eine andere Wahl mit demselben Ergebnis: 16 Stück.

- Die Kurve fällt: Mit mehr Arbeit braucht man weniger Maschinen. - Sie trifft keine Achse: Mit oder ist , also kein einziges Stück.

Die Gleichung der Isoquante lösen wir nach auf. Wir teilen durch :

Probe mit : . Stimmt.

Jetzt ist die Isoquante eine Funktion: Zu jedem gehört genau ein . Wir schreiben darum auch : so viele Maschinenstunden braucht man bei Arbeitsstunden.

Was kostet jede Mischung?

Eine Arbeitsstunde kostet 1 €. Eine Maschinenstunde kostet 4 €. Die Kosten heißen . Sie sind die Summe von zwei Posten:

( ist einfach .) Die Mischung kostet , also 20 €. So rechnen wir jede Zeile:

Kosten in €
11665
2834
4420
53,217,80
82?
16120
48121620481216Arbeit A (Stunden)Kapital K (Maschinenstunden) 65 € 34 € 20 € 17,80 € 20 € ? €
Jetzt ihr
Berechne die Kosten der Mischung .
Lösung
, also 16 €.

Alle Mischungen ergeben 16 Stück. Die Kosten in der Tabelle sind aber verschieden: Von oben nach unten fallen sie erst und steigen dann wieder. Liegt das Kleinste genau bei , oder bei 7 oder 9 noch tiefer? Das zeigt die Rechnung.

Weg 1: die Rechnung

Die Kosten als Funktion von A

Die Kosten enthalten zwei Größen, und . Aber ist nicht frei. Für 16 Stück muss sein. Wir setzen das für ein:

- Die 64 kommt aus . Probe bei : und . - Jetzt hängen die Kosten nur noch von ab. - Die Bedingung „16 Stück“ steckt schon in der Formel.

Jetzt bekommt jede Mischung auf der Isoquante ihren Kostenwert.

48121620481216Arbeit A (Stunden)Kapital K (Maschinenstunden) 4812162010203040Arbeit A (Stunden)Kosten C (€) Isoquante: 16 Stück 34 € 20 € 16 € 20 € C(A) = A + 64A

Bei (8 | 2) steht 16 €, die Lösung von Aufgabe 1.

Warum fallen die Kosten erst und steigen dann? ist eine Summe aus zwei Posten: den Arbeitskosten und den Maschinenkosten .

4812162010203040Arbeit A (Stunden)Kosten C (€) Arbeitskosten A Maschinenkosten 64/A 4+ 16= 20 Summe C(A) Links fällt 64/A stark: Die Summe fällt. 16+ 4= 20 Rechts wächst A um mehr, als 64/A fällt: Die Summe steigt. Steigung 0

Am Tiefpunkt ist die Kurve waagerecht. Ihre Steigung ist dort 0. Wir suchen also die Stelle mit . Dafür leiten wir ab.

Ableiten: A und 64/A

abgeleitet ergibt 1.

Die Potenzregel: Der Exponent kommt als Faktor nach vorn, der neue Exponent ist um 1 kleiner. Beispiel: abgeleitet ergibt . Für schreiben wir den Bruch zuerst als Potenz:

64A= 64 · A −1 (−1) 64 · · A −1 − 1 = −2 −2 = −64A² Der Exponent kommt als Faktor nach vorn.Der neue Exponent ist um 1 kleiner.

Zusammen:

Die Stelle mit Steigung 0

Gesucht ist die Stelle, an der ist. Danach bestätigen wir das Ergebnis zweimal: mit den Nachbarn 7 und 9, und so, wie man es in der Prüfung macht, mit der zweiten Ableitung.

481216202040Arbeit A (Stunden)Kosten C (€) Steigung 0 C(A) = A + 64A C′(A) = 1 − 64A² 1 − 64A² = 0| + 64/A² 1 = 64A²| · A² A² = 64| √ A = 8 (−8: keine Stunden) 16,1416,1116A = 7, 8, 9 vergrößert Prüfung: zweite Ableitung C′(A) = 1 − 64 · A⁻² 1 abgeleitet: 0 C″(A) = −64 · (−2) · A⁻³ = 128 · A⁻³ C″(8) = 128 : 512 = 0,25 > 0TalTal

heißt: Die Kurve ist bei 8 nach oben gebogen, wie ein Tal. Also liegt dort ein Tiefpunkt.

Zurück zur Mischung

ist erst die halbe Antwort. Die Mischung braucht auch . Wir gehen vom Tiefpunkt hoch zur Isoquante.

48121620481216Arbeit A (Stunden)Kapital K (Maschinenstunden) 4812162010203040Arbeit A (Stunden)Kosten C (€) Isoquante: 16 Stück A = 8: 16 € (8 | 2) K = 16/8 = 2

Die Kosten: .

Die billigste Mischung für 16 Stück heißt Minimalkostenkombination: 8 Arbeitsstunden und 2 Maschinenstunden. Die minimalen Kosten sind 16 €.

Weg 2: das Bild

Die Rechnung sagt, dass am billigsten ist. Warum gerade dort? Dafür suchen wir alle Mischungen mit gleichen Kosten und legen sie über die Isoquante.

Welche Mischungen kosten genau 20 €? Zwei kennst du schon aus der Tabelle: und . Es gibt mehr, zum Beispiel und .

48121620481216Arbeit A (Stunden)Kapital K (Maschinenstunden) (4 | 4): 20 € (16 | 1): 20 € 8 + 4 · 3 = 20 12 + 4 · 2 = 20 nur Maschinen: 5 hnur Arbeit: 20 h Isokostengerade: 20 € billiger als 20 € teurer als 20 €

Die Gerade gleicher Kosten heißt Isokostengerade. Ihre Gleichung:

Die Steigung ist Preis der Arbeit durch Preis des Kapitals, mit Minus. Für 16 € ändert sich nur die 20:

Gleiche Preise, gleiche Steigung. Andere Kosten verschieben die Gerade nur nach oben oder unten.

Die 20-€-Gerade schneidet die Isoquante zweimal. Zwischen den Schnittpunkten liegen billigere Mischungen. Was geschieht, wenn die Gerade sinkt?

48121620481216Arbeit A (Stunden)Kapital K (Maschinenstunden) 16 Stück 20 € 16 €(8 | 2) berührt 12 €: trifft nicht 481216202040Arbeit A (Stunden)Kosten C (€) 20 € Tiefpunkt 16 € Oben wie unten: die tiefste Linie, die noch trifft.

Der Berührpunkt ist die billigste Mischung, die noch 16 Stück ergibt. Bei 12 € gibt es keine Mischung für 16 Stück.

Wegsuchtergibt
RechnungTiefpunkt von , 16 €
Bildtiefste Gerade, die trifft, 16 €

Ein Schnittpunkt wie ist also keine Lösung: Dort schneidet die Gerade, und daneben gibt es billigere Mischungen. Nur wo sie berührt, gibt es keine billigere.

Im Berührpunkt gleich steil

Im Berührpunkt liegt die 16-€-Gerade genau an der Isoquante. Beide haben dort dieselbe Steigung.

48121620481216Arbeit A (Stunden)Kapital K (Maschinenstunden) 16-€-Gerade: −1/4 (8 | 2): Kurve auch −1/4 (4 | 4): Tangente −1, steiler

Die Gerade hat die Steigung .

Die Isoquante leiten wir genauso ab wie : ergibt .

Gleich. Im Punkt ist die Isoquante steiler: .

Was bedeutet das im Betrieb? Wir tauschen: eine Arbeitsstunde mehr oder weniger, und so viele Maschinenstunden anders, dass es weiter 16 Stück sind. Die Maschinenstunden stehen auf der Isoquante: bei ist ; bei ist ; bei ist .

48121620481216Arbeit A (Stunden)Kapital K (Maschinenstunden) 16 € (4 | 4) A 4 → 5: kostet 1 € mehrK 4 → 3,2: spart 3,20 €zusammen 2,20 € billiger (8 | 2) A 8 → 9: kostet 1 € mehrK 2 → 1,78: spart 0,89 €zusammen 0,11 € teurer A 8 → 7: spart 1 €K 2 → 2,29: kostet 1,14 € mehrzusammen 0,14 € teurer

In macht jeder Tausch die Mischung teurer. Dort ist die Steigung der Isoquante gleich , dem Verhältnis der Preise 1 € und 4 € mit Minus.

Das Verfahren

Aus dem Beispiel wird ein Verfahren für jede Aufgabe. Die Preise heißen allgemein (Preis einer Arbeitsstunde, hier 1 €) und (Preis einer Maschinenstunde, hier 4 €).

1. Isoquante: Produktionsfunktion gleich der Menge setzen, nach auflösen. Im Beispiel: , also . 2. Kosten: . Im Beispiel: . 3. Einsetzen: . Im Beispiel: . 4. Tiefpunkt: lösen, prüfen. Im Beispiel: . 5. K und C: aus der Isoquante, aus . Im Beispiel: , . 6. Antwort: Mischung und minimale Kosten. Im Beispiel: , 16 €.

Die Isokostengerade entsteht wie im Beispiel, mit statt 1, statt 4 und statt 20:

Beispielallgemein

Im Optimum berührt sie die Isoquante. Dort haben beide die Steigung .

Andere Preise, andere Mischung

Dieselbe Isoquante , drei Paare von Preisen nacheinander:

48121620481216Arbeit A (Stunden)Kapital K (Maschinenstunden) Arbeit 1 €, Maschine 4 € (8 | 2): 16 € Arbeit 1 €, Maschine 1 € (4 | 4): 8 € Arbeit 4 €, Maschine 1 € (2 | 8): 16 €
Preis Arbeit, MaschineMischungKosten
1 €, 4 €8 € + 8 €
1 €, 1 €4 € + 4 €
4 €, 1 €8 € + 8 €

Rechnung für die letzte Zeile: , also , , , .

- In jedem Fall berührt die Gerade die Isoquante. - Von Zeile 1 zu Zeile 2 wird Kapital billiger (4 € auf 1 €): Der Betrieb setzt mehr Kapital ein, 4 statt 2. - Von Zeile 2 zu Zeile 3 wird Arbeit teurer (1 € auf 4 €): Der Betrieb setzt weniger Arbeit ein, 2 statt 4.

Sind Arbeitskosten und Maschinenkosten immer gleich?

In der letzten Spalte sind im Optimum beide Posten gleich: 8 € und 8 €, 4 € und 4 €. Auch im Bild der Summe schneiden sich die beiden Kurven genau unter dem Tiefpunkt:

4812162010203040Arbeit A (Stunden)Kosten C (€) Arbeit 8 € = Maschinen 8 € Tiefpunkt 16 €

Das gilt für Produktionsfunktionen der Form , auch mit Wurzel wie . Für andere Formen gilt es nicht.

Gegenbeispiel mit denselben Preisen, Arbeit 1 € und Maschine 4 €, aber einer anderen Produktionsfunktion: . Neu ist nur das Ableiten von : Es ergibt .

. Arbeitskosten  €, Maschinenkosten  €. Nicht gleich. Das Verfahren bleibt dasselbe.

Andere Menge, gleiche Preise

Zu jeder Menge gehört eine eigene Isoquante. Weiter außen liegt die größere Menge. Die Preise bleiben 1 € und 4 €, darum sind alle Geraden parallel:

48121620481216Arbeit A (Stunden)Kapital K (Maschinenstunden) 4 Stück 8 € 16 Stück 16 € 64 Stück 32 €
MengeMischungKosten
4 Stück8 €
16 Stück16 €
64 Stück32 €

Für jede Menge berührt eine Gerade gleicher Kosten ihre Isoquante.

Eine Aufgabe wie in der Prüfung

In der Prüfung steht die Produktionsfunktion oft mit einer Wurzel. Dann braucht die Isoquante zwei Schritte mehr. Beispiel: . Erst durch 2 teilen: . Dann quadrieren: . Danach geht alles wie im Verfahren.

Jetzt ihr
Ein Betrieb produziert nach der Produktionsfunktion . Eine Arbeitsstunde kostet 1 €, eine Maschinenstunde 4 €. Der Betrieb will 16 Stück herstellen. a) Stellen Sie die Gleichung der Isoquante auf. b) Stellen Sie die Kostenfunktion in Abhängigkeit von auf. c) Bestimmen Sie die Minimalkostenkombination und die minimalen Kosten. d) Geben Sie die Gleichung der Isokostengeraden für die minimalen Kosten an.
Lösung
a) , durch 2: , quadrieren: , also . b) . c) , , ; , Tiefpunkt; ; . Minimalkostenkombination: 16 Arbeitsstunden und 4 Maschinenstunden, minimale Kosten 32 €. d) , also ; sie berührt die Isoquante in .

Übungen

Jetzt ihr
Für die Produktion einer Menge gilt . Eine Arbeitsstunde kostet 1 €, eine Maschinenstunde 4 €. Bestimmen Sie die Minimalkostenkombination und die minimalen Kosten.
Lösung
, , , also , ,  €.
Jetzt ihr
Wie im Beispiel gilt , und eine Arbeitsstunde kostet 1 €. Die Maschinenstunde wird teurer und kostet jetzt 9 €. Bestimmen Sie die neue Minimalkostenkombination. Setzt der Betrieb mehr oder weniger Kapital ein als vorher?
Lösung
, , , ,  €. Vorher , jetzt weniger Kapital und mehr Arbeit.
Jetzt ihr
Ein Betrieb produziert nach . Eine Arbeitsstunde kostet 1 €, eine Maschinenstunde 9 €. Er will 3 Stück herstellen. Bestimmen Sie die Minimalkostenkombination und die minimalen Kosten.
Lösung
, , , , , ,  €.