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[M4 k2 v2] Minimalkostenkombination

Eine Firma will eine feste Menge herstellen. Welches Rezept ist dafür am billigsten?

481632248r₁r₂ 40 ME Jeder Punkt auf der Kurve ist ein Rezeptfür 40 ME: so viel Faktor 1, so viel Faktor 2. K 102 GE 73 GE 60 GE 50 GE 48 GE 49,2 GE 60 GE 80 GE 102 GE Jedes Rezept kostet etwas anderes. (8 | 2) 48 GE Das billigste Rezept heißtMinimalkostenkombination (MKK).

Wie findet man diesen Punkt, ohne die ganze Kurve abzulaufen? Dafür gibt es zwei Rechenwege. Zuerst braucht ihr die Kurve selbst.

Rezepte für 40 ME: die Isoquante

Eine Firma stellt 40 ME her. Diese Menge heißt Ausbringungsmenge . Sie braucht zwei Produktionsfaktoren (das, was in die Produktion hineingeht, zum Beispiel Arbeit und Maschinen): Faktor 1 und Faktor 2.

2 ME Faktor 1 + 8 ME Faktor 2 40 ME r₁ = 2r₂ = 8x = 40

So ein Rezept heißt Faktorkombination. Kurz schreibt man den Punkt : erst , dann .

Die Firma kann auch andere Rezepte nehmen.

481632248r₁r₂ Rezept:2 ME Faktor 1,8 ME Faktor 2 2 2 8 2 · 8 = 16 4 · 4 = 16 Weniger Faktor 2 geht mit mehr Faktor 1. 16 · 1 = 16 32 · 0,5 = 16 Das Produkt ist immer 16.

Was haben die vier Rezepte gemeinsam?

481632248r₁r₂ Rezept:2 ME Faktor 1,8 ME Faktor 2 2 2 · 8 = 16 4 · 4 = 16 Weniger Faktor 2 geht mit mehr Faktor 1. 16 · 1 = 16 32 · 0,5 = 16 Das Produkt ist immer 16. r₁ · r₂ = 16

Aus diesem Muster wird eine Formel.

481632248r₁r₂ 2 · 8 = 16 4 · 4 = 16 16 · 1 = 16 32 · 0,5 = 16 r₁ · r₂ = 16 Nach r₂ aufgelöst: r₂(r₁) = 16r₁ , r₁ > 0 r₁ geht hinein, r₂ kommt heraus, wie bei f(x).

Mit der Formel rechnet ihr jedes Rezept aus.

481632248r₁r₂ 2 · 8 = 16 4 · 4 = 16 16 · 1 = 16 32 · 0,5 = 16 r₂(r₁) = 16 r₁ , r₁ > 0 Probe am Punkt (2 | 8): r₂(2) = 162 = 8 8 40 ME Diese Funktion heißt Isoquante:alle Punkte liefern dieselbe Menge, 40 ME.

Weg 1: die Kosten als Funktion von r₁

(8 | 2) Weg 1: Tiefpunkt Weg 2: Berührpunkt Andere Mengen Warum dasselbe

Was ein Rezept kostet

Faktor 1 kostet GE je ME, Faktor 2 kostet GE je ME. Das sind die Faktorpreise. Die Firma zahlt beide.

481632248r₁r₂ q₁ = 3 GE je MEq₂ = 12 GE je ME Was kostet das Rezept (2 | 8)? · + · 3 12 2 8 = 102 GE 32128 102 K =q₁·r₁+q₂·r₂ 3 · 4 + 12 · 4 = 60 GE 60 3 · 16 + 12 · 1 = 60 GE 60 3 · 32 + 12 · 0,5 = 102 GE 102 Gleiche Menge, verschiedene Kosten:erst fallen sie, dann steigen sie. 49,2 (10 | 1,6): 3 · 10 + 12 · 1,6 = 49,2 GE

Das billigste Rezept kennt ihr aus dem Bild oben: für 48 GE. Durch Probieren findet man es nicht sicher. Ihr braucht eine Rechnung.

Eine Variable weniger

Die Kosten hängen noch von und ab. Die Isoquante sagt, wie von abhängt.

r₂ = 16 r₁ (Isoquante) K = 3 · r₁ + 12 · r₂ Setzt für r₂ die Isoquante ein. 16r₁ 12 · 16 = 192 K(r₁) = 3r₁ + 192r₁ Jetzt hängen die Kosten nur noch von r₁ ab.

Die Menge bleibt 40 ME, nur das Rezept ändert sich.

Das Bild zu K(r₁)

Jedes Rezept hat einen Preis. Diese Preise tragt ihr unter der Isoquante auf.

481632248r₁r₂ Unten steht zu jedem Rezept sein Preis:senkrecht K in GE, gleiche r₁-Achse. 48163250100r₁K 102 60 60 102 49,2 K(r₁) = 3r₁ + 192r₁ Das billigste Rezept ist der Tiefpunkt von K(r₁).

Den Tiefpunkt berechnen

Zum Ableiten schreibt ihr den Bruch als Potenz:

Notwendige Bedingung: Der Exponent wandert nach vorn.

entfällt, denn .

Hinreichende Bedingung:

Also ein Minimum.

Rezept und Kosten:

MKK , GE. Diese Zahlen gehören an ihren Ort im Bild:

481632248r₁r₂ 481632100r₁K r₁ = 8Kmin = 48 Das Ergebnis bekommt seinen Ort im Bild. 8 48 T(8 | 48) (8 | 2) Der Tiefpunkt unten steht genauunter der MKK oben.

Schema: MKK berechnen (Weg 1)

1. Kosten aufstellen: (im Beispiel ) 2. Isoquante für einsetzen: (hier ) 3. Notwendige Bedingung: lösen, nur aus dem Definitionsbereich behalten (hier ) 4. Hinreichende Bedingung: , also Minimum (hier ) 5. berechnen: in die Isoquante einsetzen (hier ) 6. (hier 48) 7. Antwort: MKK , in GE

Beispiele

a) Andere Menge: (für 60 ME), ,

MKK , GE.

81223r₁r₂ (8 | 2) (12 | 3) 40 ME60 ME

b) Faktor 1 teurer als Faktor 2: , ,

MKK , GE.

c) im Nenner: , ,

MKK , GE.

d) Eine Lösung entfällt: , , ,

Zuerst das Bild dieser Isoquante:

2610124r₁r₂ keine Rezepte r₁ = 2 r₂ = 1 Die Isoquante kommt den gestricheltenLinien nahe, erreicht sie aber nie.

Also oder , das heißt oder . entfällt: Es liegt sogar links der -Achse; Rezepte gibt es nur rechts der gestrichelten Linie .

MKK , GE.

Merken: Isoquante für in die Kosten einsetzen. Dann hängen die Kosten nur noch von ab, und die MKK ist ihr Tiefpunkt.

Übungen 1

Berechnet die Minimalkostenkombination und die minimalen Kosten.

Jetzt ihr
, ,
Lösung
; , also , ; ; ; ; MKK , 24 GE
Jetzt ihr
a) , ,
Lösung
; , also , ; ; ; ; MKK , 40 GE) b) , , (Lösung: ; , also , ; ; ; ; MKK , 60 GE) c) , , , (Lösung: ; , also , ; entfällt, denn ; ; ; ; MKK , 32 GE

Weg 2: im Bild der Rezepte

(8 | 2) Weg 1: Tiefpunkt Weg 2: Berührpunkt Andere Mengen Warum dasselbe

Weg 1 findet die MKK als Tiefpunkt eines zweiten Graphen. Weg 2 findet denselben Punkt direkt im Bild der Isoquante. Dafür braucht ihr Linien gleicher Kosten.

Rezepte mit gleichen Kosten

Zwei Rezepte aus Weg 1 kosten gleich viel.

41614r₁r₂ 6060 Beide kosten 60 GE. Welche Rezeptekosten auch genau 60 GE? 3 · r₁ + 12 · r₂ = 60 12 · r₂ = 60 − 3 · r₁ r₂ = 6012 − 312 · r₁ r₂ = 5 − 0,25 r₁ 60 GE Eine Gerade: die Isokostenlinie.Alle Rezepte auf ihr kosten 60 GE. 1 ME Faktor 1 mehr kostet 3 GE. Dafür kauftdie Firma 3 : 12 = 0,25 ME Faktor 2 weniger.

Wo trifft die Linie die Achsen, und wie steil ist sie?

41614r₁r₂ 6060 Beide kosten 60 GE. Welche Rezeptekosten auch genau 60 GE? 3 · r₁ + 12 · r₂ = 60 12 · r₂ = 60 − 3 · r₁ r₂ = 6012 − 312 · r₁ r₂ = 5 − 0,25 r₁ 60 GE Eine Gerade: die Isokostenlinie.Alle Rezepte auf ihr kosten 60 GE. 5 60 : 12 = 5: nur Faktor 2 2060 : 3 = 20: nur Faktor 1 1 ME Faktor 1 mehr kostet 3 GE. Dafür kauftdie Firma 3 : 12 = 0,25 ME Faktor 2 weniger. +4 −1 Steigung −1 : 4 = −0,25

Allgemein, Gleiches über Gleichem:

Jetzt ihr
, , . Stellt die Isokostenlinie auf.
Lösung
; Achsenabschnitte und

Berühren statt schneiden

Die Linie für 60 GE schneidet die Isoquante zweimal. Was passiert mit weniger Geld?

4816245r₁r₂ 481632100r₁K 60 GE (10 | 1,6): 49,2 GE Zwei Schnittpunkte,und dazwischen geht es billiger. 60 Weniger Geld: gleiche Steigung, näher an 0. (8 | 2) 48 GE 48 Für 36 GE gibt es keine 40 ME. Der Berührpunkt ist die MKK: (8 | 2)für 48 GE, genau über dem Tiefpunkt.

Und mit noch weniger Geld?

4816245r₁r₂ 481632100r₁K Zwei Schnittpunkte,und dazwischen geht es billiger. 60 Weniger Geld: gleiche Steigung, näher an 0. (8 | 2) 48 GE 48 36 GE 36 Für 36 GE gibt es keine 40 ME. Der Berührpunkt ist die MKK: (8 | 2)für 48 GE, genau über dem Tiefpunkt.

Merken: Schneidet eine Isokostenlinie die Isoquante zweimal, geht es billiger. Die MKK liegt dort, wo eine Isokostenlinie die Isoquante berührt.

Zur Kontrolle rechnerisch: Wie viele gemeinsame Punkte hat die Linie mit der Isoquante? Setzt beide gleich, für ein beliebiges . Schritt für Schritt:

Jetzt die drei Linien einzeln, jede mit der p-q-Formel .

: , also , .

Zwei Lösungen, 4 und 16: die Linie schneidet zweimal.

: , also , .

Eine Lösung, 8: die Linie berührt.

: , also , .

Unter der Wurzel steht eine negative Zahl: keine Lösung, die Linie verfehlt.

Zwei, eine, keine Lösung: schneiden, berühren, verfehlen.

Gleiche Steigung

In der Szene oben war schon bekannt. Wie findet man den Berührpunkt, ohne zu kennen?

481216124r₁r₂ Im Berührpunkt ist die Isokostenliniedie Tangente der Isoquante. m = r₂′(8) Ihre Steigung ist die Ableitung r₂′(r₁). Jede Isokostenlinie hat die Steigung−q₁ : q₂ = −3 : 12, egal wie groß K ist. Im Berührpunkt: beide Steigungen gleich.

Wie steil ist diese Tangente im Berührpunkt?

481216124r₁r₂ Im Berührpunkt ist die Isokostenliniedie Tangente der Isoquante. m = r₂′(8) Ihre Steigung ist die Ableitung r₂′(r₁). −1 +4 m = −1 : 4 = −0,25 Jede Isokostenlinie hat die Steigung−q₁ : q₂ = −3 : 12, egal wie groß K ist. Im Berührpunkt: beide Steigungen gleich. r₂′(8) = −312 = −0,25

Jetzt rechnen. Ableiten, der Exponent wandert nach vorn:

Gleiche Steigung:

entfällt. Dann und .

81624r₁r₂ r₁ = 8r₂ = 2 Das Ergebnis bekommt seinen Ort. 8 2 K kommt erst am Ende heraus: K = 48 48 GE r₂ = 4812 − 312 · r₁ = 4 − 0,25 r₁

MKK , GE. Dasselbe Rezept wie in Weg 1, und kam erst am Ende heraus.

Was r₂′ sagt

Jede Ableitung gibt ungefähr die Änderung für eine Einheit mehr an, so wie die Grenzkosten . Hier: 1 ME Faktor 1 mehr, dann ändert sich um etwa ME. Die Menge bleibt 40 ME.

248161248r₁r₂ Rezeptr₂′(r₁)ersetzt etwa (2 | 8)−16 : 4 = −44 ME Faktor 2 +1 −4 auf der Tangente (4 | 4)−16 : 16 = −11 ME Faktor 2 (8 | 2)−16 : 64 = −0,250,25 ME Faktor 2 (16 | 1)−16 : 256 ≈ −0,060,06 ME Faktor 2 Die ersetzte Menge −r₂′(r₁) heißt Grenzrateder technischen Substitution (Ersetzen).

Die Tangente zeigt die Änderung nur ungefähr. Bei ist der Unterschied groß: Auf der Kurve sinkt von 8 auf , also um 2,67 statt 4. Bei passt es gut: , also etwa 0,22 statt 0,25 weniger.

Von links nach rechts wächst die Steigung: . Eine ME Faktor 1 mehr ersetzt immer weniger Faktor 2, je mehr Faktor 1 schon im Rezept ist.

Warum der Berührpunkt das billigste Rezept ist

Weil die Steigung wächst, ist die Isoquante linksgekrümmt. Rechnerisch:

für .

824r₁r₂ 48 GE Die Isoquante ist linksgekrümmt:sie liegt überall über der Linie 48 GE. 60 GE Jedes andere Rezept liegt auf einerteureren Isokostenlinie. So liegt jede linksgekrümmte Kurveüber ihrer Tangente.

Merken: Im Berührpunkt sind beide Steigungen gleich: . Ist die Isoquante linksgekrümmt, ist dieser Punkt die MKK.

Schema: MKK über gleiche Steigungen (Weg 2)

1. Isoquante ableiten: (hier ) 2. Gleiche Steigung: lösen, nur aus dem Definitionsbereich behalten (hier ) 3. Krümmung prüfen: , also Kostenminimum (hier ) 4. berechnen: in die Isoquante einsetzen (hier 2) 5. (hier 48) 6. Isokostenlinie der MKK: (hier ) 7. Antwort: MKK , in GE

Beispiele

a) Andere Preise: , ,

; ; ; Isokostenlinie . MKK , 60 GE.

b) Eine Lösung entfällt: , , ,

Also oder : ; entfällt, denn . ; ; ; Isokostenlinie . MKK , 36 GE.

c) im Nenner: , ,

; ; ; Isokostenlinie . MKK , 12 GE.

d) Umgekehrte Frage: . Bei welchem Preisverhältnis ist die MKK? Bekannt ist jetzt , gesucht ist .

, zum Beispiel und GE je ME.

Jetzt ihr
, , . Bestimmt MKK, und die Isokostenlinie der MKK.
Lösung
, also , ; ; ; ; ; MKK , 32 GE

Wenn ein Faktor teurer wird

Die Regel dieses Abschnitts: Ein anderes verschiebt die Isokostenlinie nur parallel. Ein anderes Preisverhältnis dreht sie, dann wandert die MKK.

Faktor 1 wird teurer: statt 3 GE je ME, bleibt. Die Isoquante bleibt, denn welche Rezepte 40 ME liefern, hängt nicht von den Preisen ab.

41645r₁r₂ r₂-Abschnitt = K : q₂ (nur Faktor 2)r₁-Abschnitt = K : q₁ (nur Faktor 1) 48 GE Anderes K: 60 statt 48. Abschnitte 60 : 12 = 5und 60 : 3 = 20, die Steigung bleibt. 60 GE anderes K: verschieben Jetzt kostet Faktor 1 q₁ = 12 statt 3.48 : q₂ = 48 : 12 = 4 bleibt. 48 : q₁ war 48 : 3 = 16, wird 48 : 12 = 4. Die gedrehte Linie für 48 GE trifftdie Isoquante nicht mehr.

Jetzt ändert sich ein Preis.

41645r₁r₂ r₂-Abschnitt = K : q₂ (nur Faktor 2)r₁-Abschnitt = K : q₁ (nur Faktor 1) 48 GE Anderes K: 60 statt 48. Abschnitte 60 : 12 = 5und 60 : 3 = 20, die Steigung bleibt. 60 GE anderes K: verschieben Jetzt kostet Faktor 1 q₁ = 12 statt 3.48 : q₂ = 48 : 12 = 4 bleibt. 48 : q₁ war 48 : 3 = 16, wird 48 : 12 = 4. 16 → 4 anderer Preis: drehen neu: r₂ = 4 − r₁ Die gedrehte Linie für 48 GE trifftdie Isoquante nicht mehr.

Die neue MKK mit gleichen Steigungen:

; ; ; Isokostenlinie .

48248r₁r₂ 48 GE Die Linie rückt nach außen, bis sie berührt. (4 | 4) 96 GE Faktor 1 wurde teurer: weniger Faktor 1,mehr Faktor 2. (8 | 2) jetzt 120 GE

Neue MKK , GE.

Halbieren sich dagegen beide Preise, und , bleibt die Steigung . Die MKK bleibt , nur die Kosten halbieren sich: GE.

824r₁r₂ (8 | 2) vorher: 48 GEjetzt: 24 GE MKK wandert?

Merken: Ein anderes verschiebt die Isokostenlinie parallel, ein anderer Preis dreht sie. Für die Lage der MKK zählt nur das Preisverhältnis .

Übungen 2

Bestimmt mit gleichen Steigungen die MKK, und die Isokostenlinie der MKK.

Jetzt ihr
a) , ,
Lösung
, also , ; ; ; ; ; MKK , 24 GE) b) , , , (Lösung: , also , ; entfällt, denn ; ; ; ; ; MKK , 27 GE) c) . Bei welchem Preisverhältnis ist die MKK? (Lösung: , also , zum Beispiel , ) d) , . Faktor 2 wird teurer: statt 4. Bestimmt die neue MKK und die Kosten des alten Rezepts zu den neuen Preisen. (Lösung: , also , ; ; ; ; altes Rezept: GE; neue MKK , 36 GE

MKK und Kostenfunktion

(8 | 2) Weg 1: Tiefpunkt Weg 2: Berührpunkt Andere Mengen Warum dasselbe

Bisher war die Menge fest: 40 ME. Was kostet eine andere Menge? Die Preise bleiben und . Zuerst: Es gibt jetzt zwei Kostenfunktionen.

FunktionWas läuft?Was ist fest?Ausgabe
das Rezept Menge 40 MEKosten des Rezepts
die Menge jeweils das billigste RezeptKosten der MKK

Für 60 ME kennt ihr die MKK aus Beispiel a): für 72 GE. Für 90 ME gilt :

und GE.

r₁r₂ xGE Links die MKK für 40 ME: 48 GE.Rechts wird die Menge zur Achse. 40 ME 40 48 60 ME 60 72 Die Punkte liegen auf einer Geradendurch den Ursprung: Kᵥ(x) = 1,2 x.

Dazu kommt die dritte Menge, 90 ME.

r₁r₂ xGE Links die MKK für 40 ME: 48 GE.Rechts wird die Menge zur Achse. 40 ME 40 48 60 ME 60 72 90 ME 90 108 Die Punkte liegen auf einer Geradendurch den Ursprung: Kᵥ(x) = 1,2 x. Kᵥ(x)

Warum eine Gerade durch den Ursprung? Legt die drei MKK nebeneinander:

MengeFaktor 1Faktor 2Kosten
408248
6012372
90184,5108

Bei diesen Isoquanten ist und : Beide Faktoren wachsen im selben Verhältnis wie die Menge. Dann gilt

Das gilt für diese Isoquanten. Bei anderen Isoquanten muss keine Gerade sein.

Die Kostenfunktion rechnet damit, dass die Firma jede Menge mit ihrer MKK herstellt. Beide Faktoren wachsen mit der Menge. Darum sind das variable Kosten: GE, GE. Dazu kommen wie gewohnt die Fixkosten (Kosten, die auch ohne Produktion anfallen, zum Beispiel Miete): .

Jetzt ihr
Für 120 ME gilt die Isoquante . Berechnet bei und . Liegt der Punkt auf der Geraden?
Lösung
, also , ; ; GE; MKK ; , ja

Theorie: Warum gleiche Steigung?

(8 | 2) Weg 1: Tiefpunkt Weg 2: Berührpunkt Andere Mengen Warum dasselbe

Weg 1 und Weg 2 finden dasselbe Rezept. Im Weg 1 steckt die Isoquante in den Kosten. Beispiel mit und :

K(r₁) = q₁ · r₁ + q₂ · r₂(r₁) Abgeleitet mit Faktor- und Summenregel: K′(r₁) = q₁ + q₂ · r₂′(r₁) kostet spart Rezept (4 | 4): K′ = 3 − 12 = −9 +3−12fallen Rezept (16 | 1): K′ = 3 − 0,75 = 2,25 +3−0,75steigen Rezept (8 | 2): K′ = 3 − 3 = 0 +3−3Tiefpunkt

An spart die ME Faktor 1 mehr, als sie kostet. An kostet sie mehr, als sie spart. Im Tiefpunkt heben sich beide Teile auf.

Im Tiefpunkt: K′(r₁) = 0 q₁ + q₂ · r₂′(r₁) = 0 q₂ · r₂′(r₁) = −q₁ r₂′(r₁) = −q₁q₂ Gleiche Steigung ist K′(r₁) = 0,nur umgestellt.

Im Tiefpunkt ersetzt 1 ME Faktor 1 genau so viel Faktor 2, wie sie am Markt kostet:

ZahlBedeutung
Isoquanteersetzt 0,25 ME Faktor 2
Isokostenliniekostet so viel wie 0,25 ME Faktor 2

Ebenso die zweite Ableitung: . Im Beispiel:

Das ist dieselbe 0,75 wie in Weg 1. Ist die Isoquante linksgekrümmt, ist und damit : Der Berührpunkt ist dann immer das Kostenminimum.

Beide Wege in einem Bild:

82r₁r₂ 848r₁K Weg 2: Berührpunkt Weg 1: Tiefpunkt MKK (8 | 2), 48 GE