Risk Aversion with Production

15
Four Examples Risk and Information We present a few examples to illustrate the possibility that trading of risk/hedging might lead to lower aggregate welfare. The argument relies on our hunch that hedging is a substitute for collecting information and that, in the aggregate, society would be better off if agents collected information to reduce their variance instead of hedging. Example 1—The Allocation Problem (Chapter 7 Problem 12): Consider an economy with three agents, A, B and C, two goods—good 1 and good 2, and two time periods ! and ! . At time ! two mutually exclusive states of the world— ! and ! —could occur. The utilities for Agents A and B throughout are: = 1 2 log ! ! + 1 2 log ( ! ! ) = 1 2 log ! ! + 1 2 log ( ! ! ) where ! ! is the amount of good 1 consumed by Agent A; ! ! is the amount of good 2 consumed. Similarly for ! ! , ! ! The endowments for Agents A and B are the same in both states: 1 ! = 2,0 ! = 0,2 1 Here the amount of the good 1 is represented by the number before the comma and amount of good 2 is represented by the number in after the comma

Transcript of Risk Aversion with Production

Four  Examples    

Risk  and  Information      We  present  a  few  examples  to  illustrate  the  possibility  that  trading  of  risk/hedging  might  lead  to  lower  aggregate  welfare.  The  argument  relies  on  our  hunch  that  hedging  is  a  substitute  for  collecting  information  and  that,  in  the  aggregate,  society  would  be  better  off  if  agents  collected  information  to  reduce  their  variance  instead  of  hedging.    

   Example  1—The  Allocation  Problem  (Chapter  7  Problem  12):    Consider  an  economy  with  three  agents,  A,  B  and  C,  two  goods—good  1  and  good  2,  and  two  time  periods-­‐-­‐  𝑡!  and  𝑡!.  At  time  𝑡!  two  mutually  exclusive  states  of  the  world—  𝑠!  and  𝑠!—could  occur.      The  utilities  for  Agents  A  and  B  throughout  are:      

𝑢 𝐴 =12 ∗ log 𝑥!

! +12 ∗ log  (𝑥!

!)      

𝑢 𝐵 =12 ∗ log 𝑥!

! +12 ∗ log  (𝑥!

!)      where  𝑥!  !  is  the  amount  of  good  1  consumed  by  Agent  A;  𝑥!!  is  the  amount  of  good  2  consumed.  Similarly  for  𝑥!! ,  𝑥!!    The  endowments  for  Agents  A  and  B  are  the  same  in  both  states:1      

𝑒! = 2,0    

𝑒! = 0,2      

                                                                                                               1  Here  the  amount  of  the  good  1  is  represented  by  the  number  before  the  comma  and  amount  of  good  2  is  represented  by  the  number  in  after  the  comma      

 The  utility  for  Agent  C  is  state  dependent.  So:      

u C = log 𝑥!! 𝑓𝑜𝑟  𝑠𝑡𝑎𝑡𝑒  1u C = log 𝑥!! 𝑓𝑜𝑟  𝑠𝑡𝑎𝑡𝑒  2

 

 The  endowment  for  Agent  C  is  also  state  dependent:      

        𝑒! = (0,1)𝑒! = (1,0)

 

   The  way  we  have  set  up  the  example  is  that  at  time  𝑡!  Agents  A  and  B  face  symmetric  but  opposite  price  risks.    Agent  A  is  wealthier  in  𝑠!  since  the  demand  for  the  good  he  is  endowed  with  goes  up.  Further  in  𝑠!  the  supply  of  the  good  he  wishes  to  purchase  also  goes  up.  The  combined  effect  is  to  increase  his  purchasing  power.    State  𝑠!  is  the  “good”  state  for  Agent  A.  The  example  is  symmetric  and  𝑠!  is  “good”  for  Agent  B  in  a  similar  fashion.      To  keep  things  simple,  we  assume  that  at  initial  time,    𝑡!,  the  subjective  beliefs  of  all  three  agents  are  the  same.    Assume  first  that  the  agents  believe  that  𝑠!  and  𝑠!  are  likely  to  occur  with  equal  probability  (50%).  Since  𝑠!  is  good  for  Agent  A  and  bad  for  Agent  B  and  𝑠!  is  bad  for  Agent  A  and  good  Agent  B,  both  have  an  incentive  to  insure.      Solving  the  state  contingent  expected  utility  maximization  problem  (Arrow-­‐Debreu)  we  get:    If  𝑠!,  occurs:    

𝑥!! =34 , 𝑥!

! =32  

 

𝑥!! =34 , 𝑥!

! =32  

 

𝑥!! =12  

   If  𝑠!  occurs  we  get  the  symmetric  payoff,  which  is:      

 

𝑥!! =32 , 𝑥!

! =34  

 

𝑥!! =32 , 𝑥!

! =34  

 

𝑥!! =12  

   We  now  consider  a  case  where  information  about  which  state  is  going  to  occur  is  exogenously  revealed.  Without  loss  of  generality,  assume  that  it  is  revealed  that  state  𝑠!  is  going  to  occur.    The  availability  of  this  information  kills  the  insurance  market  since  Agent  A  has  no  incentive  to  insure  Agent  B.      The  allocation  when  𝑠!  is  going  to  occur  with  100%  probability  is:    

𝑥!! = 1, 𝑥!! = 2    

𝑥!! =12 , 𝑥!

! = 1    

𝑥!! =12  

 The  allocation  when  𝑠!  is  going  to  occur  for  sure  is  analogously  symmetric  and  we  omit  further  discussion  for  narrative  clarity.      We  wish  to  highlight  here  that  revelation  of  information  doesn’t  make  the  society  of  this  example  better  off  in  the  aggregate.  Agent  A  is  indeed  better  off  when  𝑠!  is  known  to  occur  and  Agent  B  is  worse  off.    But  Agent  A  cannot  sufficiently  compensate  Agent  B  to  make  them  both  better  off.  Information  is  not  a  public  good.  In  other  words,  the  two  allocations  in  state  𝑠!—the  allocation  when  the  probability  of  occurrence  of  𝑠!  was  50%  and  when  probability  of  occurrence  of  𝑠!  was  100%—are  both  along  the  same  pareto  frontier.      While  there  is  nothing  wrong  with  this  example  and  it  may  well  describe  some  economic  circumstances,  it  is  certainly  not  generally  true.    Clarity  about  what  is  going  to  happen  in  the  future  should  make  society  better  off  in  the  aggregate  since  it  gives  everyone  a  chance  to  adjust,  adapt,  prepare  and  innovate  for  the  future.  Perfect  foresight  should  move  the  pareto  frontier  outwards.  Intuitively  we  expect  the  allocation  when  information  was  known  to  be  pareto  superior  to  the  one  when  it  wasn’t.    

The  reason  that  the  revelation  of  information  doesn’t  lead  to  a  pareto-­‐superior  allocation  in  this  example  is  that  the  three  agents  have  no  opportunity  to  react  to  information.  Endowments  are  final  consumption  goods  handed  down  to  the  agents  like  manna  from  heaven.  This  is  an  unreasonable  description  of  most  economic  circumstances.      Example  2—The  Decision  Problem  (Chapter  7  Problem  11):    In  order  for  information  to  play  a  more  familiar  role  in  the  economy  we  change  some  of  the  assumptions  of  Example  1.    In  Example  2  we  introduce  production  to  the  economy.  As  we  shall  see,  information  will  help  co-­‐ordinate  production  decisions  with  consumption  desires.      The  utilities  of  Agents  A  and  Agent  B  remain  unchanged,  as  does  the  state  dependent  utility  and  endowment  of  Agent  C.      However,  we  change  the  endowments  of  Agents  A  and  B.  Instead  of  being  allocated  consumption  goods,  the  agents  now  receive  an  endowment  of  2  units  each  of  a  general-­‐purpose  resource  like  labor  or  capital.    This  resource  can  be  employed  in  the  manner  most  beneficial  to  the  agent.  He  could  use  the  resource  to  produce  any  combination  of  good  1  or  good  2  as  long  as  the  total  production  does  not  exceed  2  units.  The  best  way  to  think  of  such  an  endowment  is  to  imagine  that  the  2  units  of  the  resource  can  be  employed  to  sow  the  seeds  of  good  1  or  good  2  at  time  𝑡!.  These  seeds  will  grow  into  the  two  goods  in  the  proportion  in  which  they  were  planted.  As  in  the  real  economy,  Agents  A  and  B  can’t  make  state  contingent  production  decisions.  They  have  to  decide  at  time  𝑡!  based  on  the  information  available  at  that  time.  The  output  will  be  the  same  regardless  of  which  state  occurs  at  time  𝑡!.    Agent  A  and  Agent  B  now  face  a  decision  problem.  What  proportion  of  good  1  and  good  2  should  they  each  plant  at  time  𝑡!  such  that  it  maximizes  their  consumption  utility  at  time  𝑡!?  From  the  perspective  of  the  society  in  Example  2  the  decision  problem  can  be  thought  of  the  decision  to  build  the  optimal  “Edgeworth  Box”.2      

                                                                                                               2  We  abuse  the  term  Edgeworth  Box    somewhat  which  technically  has  only  two  agents  and  two  commodities.  Again  it  is  just  to  make  our  narrative  easier  to  comprehend.  

So  what  “Edgeworth  Box”  should  Agents  A  and  B  build?  Together  they  have  4  units  of  a  resource.  The  possible  integer  production  possibilities  are  (4,0),  (3,1),  (2,2),  (1,3),  (0,4)3  and  can  be  visualized  as  the  boxes  below:          

                                 As  in  the  previous  example  demand  for  good  1  increases  in  𝑠!  and  demand  for  good  2  increases  in  𝑠!.  It  stands  to  reason  that  Agent  A  and  Agent  B  must,  on  balance,  produce  more  of  good  1  if  they  know  that  𝑠!  is  going  to  occur.  4      CASE  1:    Assuming  the  probability  of  𝑠!  is  100%  ,  we  then  know  that  Agent  C  has  a  fixed  endowment  of  (0,1).  Agents  A  and  B  will  choose  to  produce  a  combination  of  good  1  and  good  2  to  maximize  their  consumption  utilities.  The  problem  is  to  pick  the  best  “Edgeworth  Box”.    The  possible  integer  production  possibilities  are:      

                                                                                                               3  The  use  of  integer  combinations  is  only  for  expository  purposes.  We  place  no  restrictions  on  Agents  A  and  B  4  The  set  up  of  this  example  is  also  symmetric.  We  again  omit  discussion  on  𝑠!  for  narrative  clarity  

 1. (4,1)    

           

2. (3,2)                          

3. (2,3)          

   

   

4. (1,4)                    

     

5. (0,5)                      It  is  easy  to  see  that  a  benevolent  social  planner  who  has  the  interest  of  the  three  agents  at  heart  will  choose  to  produce  (3,2).  No  other  combination  can  yield  a  higher  aggregate  welfare.      Agents  A  and  B  are  similar  in  every  respect,  so  they  will  produce  the  same  quantities.  Note  here  that  more  of  good  1  than  good  2  is  indeed  produced.    

𝑦!! =32 ,𝑦!

! =125  

   

𝑦!! =32 ,𝑦!

! =12  

   The  competitive  equilibrium  when  (3,2)  is  produced  is:    

                                                                                                                 5  𝑦!  !  is  the  amount  of  good  1  produced  by  Agent  A;  𝑦!!  is  the  amount  of  good  2  produced.  Similarly  for  𝑦!! ,  𝑦!!  

𝑥!! = 1, 𝑥!! = 1    

𝑥!! = 1, 𝑥!! = 1    

𝑥!! = 1      CASE  2:    Assume  that  the  probability  of  state  𝑠!  occurring  is  50%  at  time  𝑡!.  The  production  decisions  will  now  be  different  from  the  earlier  case.  It  should  be  easy  to  see  that  Agent  A  and  Agent  B  will  produce:    

𝑦!! = 1,𝑦!! = 1      

𝑦!! = 1,𝑦!! = 1      There  is  no  reason  for  them  to  produce  more  of  one  good  than  the  other.  In  the  absence  of  any  information  both  agents  will  hedge  their  production  bets  by  diversifying.        Without  loss  of  generality  we  solve  for  the  competitive  equilibrium  if  state  𝑠!  occurs  at  time  𝑡!:    

𝑥!! =34 , 𝑥!

! =32  

 

𝑥!! =34 , 𝑥!

! =32  

 

𝑥!! =12  

 The  competitive  equilibrium  of  Case  1  is  pareto  superior  (with  transfers)  to  the  competitive  equilibrium  on  Case  2.  Rearranging  the  allocation  in  Case  1  we  get:      𝑥!! =

!!, 𝑥!! = 1                                                            is  pareto  superior  to                        𝑥!! =

!!, 𝑥!! =

!!  

𝑥!! =!!, 𝑥!! = 1                    𝑥!! =

!!, 𝑥!! =

!!  

               𝑥!! =!!                                      𝑥!! =

!!    

   

It  might  be  helpful  to  visualize  the  decision  with  the  Edgeworth  Boxes  of  the  previous  examples.    In  the  best  of  all  worlds,  i.e.  with  perfect  foresight,  this  society  will  produce  (3,2)  when  𝑠!  is  going  to  occur  and  (2,3)  when  𝑠!  is  going  to  occur.      To  see  this,  consider  that  Agents  A  and  B  produce  (3,1)  in  𝑠!.  Add  one  unit  of  good  2  that  Agent  C  is  endowed  with  in  𝑠!and  we  get  (3,2).    A  parallel  argument  works  for  𝑠!.  The  good  that  is  more  is  demand  is  produced  in  greater  quantity.    When  agents  have  no  information  about  which  state  of  the  world  is  going  to  occur,  which  is  just  another  way  of  saying  that  𝑠!  is  going  to  occur  with  probability  50%,    they  both  produce  (1,1)  each.  We  get  production  of  (2,2)  for  each  state.  To  get  the  relevant  Edgeworth  Boxes  we  add  the  state  dependent  endowment  of  Agent  C.    In  terms  of  the  visualization  :      

       

   

State  1 State  2

Perfect  Foresight

   

State  1 State  2

No  information    

We  wish  to  highlight  the  following  points:    

• The  allocation  under  Case  2  is  exactly  the  same  under  the  expected  utility  maximization  in  Example  1.    

• The  allocation  when  full  information  is  available    (Case  1)  is  pareto  superior  to  the  allocation  when  no  information  was  available  (Case  2).  This  agrees  with  our  intuition  of  the  economy.    The  availability  of  information  allows  agents  to  improve  their  lot.  There  is  no  reason  to  believe  in  the  contingent  destiny  embodied  by  the  “states  of  the  world”.  If  we  know  ahead  of  time  that  there  is  some  trouble  for  us  in  the  future,  we  can  take  action  today  to  change  that  eventuality.  It  is  such  actions  that  push  the  pareto-­‐frontier  outwards.  Specifically  in  this  example  the  availability  of  information  allows  us  to  align  our  resources  to  produce  what  we  want.    

 • Taken  together,  the  two  points  highlighted  above  indicate  that  it  might  be  

possible  to  attain  a  utility  possibility  frontier  better  than  the  Arrow  Debreu  frontier.  Of  course  Example  1  and  Example  2  are  not  strictly  comparable.  We  have  changed  the  assumptions  and  therefore  the  problem.    

 • Still  it  is  possible  for  the  economy  to  achieve  a  higher  utility  possibility  

frontier  by  relaxing  the  assumptions  of  the  standard  Arrow-­‐Debreu  framework.  The  idea  that  agents  receive  consumption  goods  as  endowments  is  a  stronger  assumption  than  the  one  we  made  in  Example  2  about  agents  being  endowed  with  a  general  purpose  resource  and  faced  with  a  decision  on  how  best  to  use  the  resource.  

 • The  role  played  by  information  in  Example  2  is  also  worth  noting.  This  

economy  is  a  co-­‐ordination  game  and  as  with  every  other  co-­‐ordination  game  more  information  is  pareto-­‐superior.  Information  helps  the  agents  co-­‐ordinate  the  production  decisions  with  consumption  preferences.    

 • A  related  last  point  is  about  the  cost  of  information.  So  far  in  this  discussion,  

information  has  been  exogenously  specified.  But  in  the  real  economy  resources  are  spent  on  collecting  information.  The  takeaway  from  this  example  is  that  as  the  cost  of  information  goes  up,  the  pareto  frontier  moves  back.  Again  this  is  intuitive  given  what  we  know  about  the  economy.  Uncertainty  lowers  the  welfare  of  society  and  can  sink  the  economy  into  a  recession.  

   

 Example  3—The  Recession6:    In  this  example  the  set  up  remains  as  it  was  in  Example  2.  The  utilities  and  endowments  of  agents  A,  B  and  C  are  as  they  were  before.  However,  the  probability  of  occurrence  of  𝑠!  is  now  75%.      The  agent’s  problem  too  remains  the  same.  What  combination  of  good  1  and  good  2  should  Agents  A  and  B  decide  to  produce?    Our  purpose  here  is  to  compare  to  different  allocations  in  terms  of  their  expected  utility.        As  we  have  seen  previously,  perfect  foresight  yields  a  higher  pareto-­‐frontier  and  therefore  a  higher  aggregate  welfare.    The  task  before  this  society  is  to  get  as  close  to  the  ideal  of  perfect  foresight.  In  terms  of  the  Edgeworth  Box  visualization  the  task  is  to  get  as  close  to  the  ideal  shape  of  (3,2)  for  𝑠!  and  (2,3)  for  𝑠!  as  possible.      We  compare  three  different  production  combinations  in  terms  of  the  expected  utility  of  their  outcomes.  The  decision  choice  for  Agents  A  and  B  is  how  much  of  more  of  good  1  should  they  produce  compared  to  good  2.  If  they  produce  (3,1)  and  𝑠!  does  occur  the  decision  works  out  very  well—they  have  achieved  the  highest  possible  pareto-­‐frontier.  But  there  is  25%  probability  that  𝑠!  will  occur,  in  which  case  they  would  produced  too  much  of  good  1  relative  to  its  demand.  On  the  other  hand  by  producing  (2,2)  they  may  be  playing  it  too  safe.    We  compare  the  following  production  combinations  at  time  𝑡!:    

1. 𝑦!! = 1.5  ,𝑦!! = 0.5,        𝑦!! = 1.5,𝑦!! = 0.5        Total  (3,1)    

2. 𝑦!! = 1.125  ,𝑦!! = 0.875,        𝑦!! = 1.125,𝑦!! = 0.875                  Total  (2.25,1.75)  7    

3.  𝑦!! = 1  ,𝑦!! = 1,        𝑦!! = 1,𝑦!! = 1                                                    Total  (2,2)    

           

                                                                                                               6  Again  the  term  recession  is  used  loosely  to  describe  features  of  what  we  observe  in  a  recession.    7  The  (2.25,1.75)  production  combination  is  not  rigorously  derived.  We  arrived  at  it  by  hit  and  trial  

 

       

   

State  1 State  2

Comparison

Boom

 

Recession

 

3,1

2.25,175

2,2

 Ideal  

 The  allocations  of  the  different  combinations  are  as  follows.            

     

             𝑥!! =!!, 𝑥!! = 1                                                                                                                                                𝑥!! = 2, 𝑥!! =

!!  

             𝑥!! =!!, 𝑥!! = 1                    𝑥!! = 2, 𝑥!! =

!!  

                           𝑥!! =!!                                      𝑥!! =

!!    

     

     

             𝑥!! =!!, 𝑥!! =

!!!                                                                                                                                                𝑥!! =

!"!, 𝑥!! =

!!  

             𝑥!! =!!, 𝑥!! =

!!!                    𝑥!! =

!"!, 𝑥!! =

!!  

                           𝑥!! =!!                                      𝑥!! =

!!    

   

     

             𝑥!! =!!, 𝑥!! =

!!                                                                                                                                                𝑥!! =

!!, 𝑥!! =

!!  

             𝑥!! =!!, 𝑥!! =

!!                    𝑥!! =

!!, 𝑥!! =

!!  

                           𝑥!! =!!                                      𝑥!! =

!!    

   A  few  points  of  note  are:    

• It  is  easy  to  check  that  the  combination  (2.25,  1.75)  yields  the  highest  expected  utility  

• Some  resources  move  to  produce  more  of  good  1  as  we  expect  but  because  of  risk  aversion  of  the  agents,  they  are  reluctant  to  move  too  many.    

• The  75%  of  the  times  when  𝑠!  occurs  this  economy  will  experience  a  boom.  The  other  25%  of  the  time  the  economy  experiences  a  recession  because  too  much  of  good  1  relative  to  its  demand  has  been  produced.    

2.25,  1.75  and  𝒔𝟏   2.25,  1.75  and  𝒔𝟐  

(3,1)  and  𝒔𝟏   (3,1)  and  𝒔𝟐  

(2,2)  and  𝒔𝟏   (2,2)  and  𝒔𝟐  

• The  key  message  is  that  the  boom  and  bust  cycle  is  rational.  More  information  gives  us  the  opportunity  to  direct  our  production  optimally  to  produce  what  we  want.    Ofcourse  we  suffer  the  occasional  bust/recession  when  we  get  our  forecast  wrong.  Still  it  is  a  calculated  risk  worth  taking  

• As  in  Example  2,  more  information  pushes  out  the  pareto-­‐frontier.      

   Example  4—The  Capital  Market:    We  keep  the  basic  structure  of  Example  2.  But  now  we  introduce  comparative  (competitive?)  advantage.  Agents  A  and  B  are  still  endowed  with  the  general-­‐purpose  resource.  But  in  this  example  Agent  A  can  use  this  resource  to  produce  2  units  of  good  1  but  only  1  unit  of  good  2.  Agent  A  spends  twice  as  much  of  the  resource  to  produce  good  2  compared  to  good  1.  A  useful  way  to  think  about  this  might  be  that  the  fertility  of  the  soil  at  the  disposal  of  the  two  agents  is  different.  Good  1  grows  better  in  Agent  A’s  soil.        This  example  is  symmetric  too.  So  Agent  B  can  produce  good  2  at  lower  cost  than  good  1.      If  no  information  is  available    (probability  of  𝑠!  is  50%  )  it  is  easy  to  see  that  by  comparative  advantage,  Agent  A  will  produce  (2,0)  and  Agent  B  will  produce  (0,2)  and  both  will  hedge  at  time  𝑡!.  We  are  familiar  with  the  allocation  that  will  result.      The  more  interesting  case,  however,  when  it  is  known  that  𝑠!  will  occur  with  100%  probability.  We  know  from  the  previous  examples  that  the  best  possible  solution  is  for  Agents  A  and  B  to  produce  (3,1).  However,  Agent  A  is  limited  by  the  2  units  of  endowed  resource.  And  Agent  B  is  not  competitive  in  producing  good  1.      We  think  the  optimal  allocation  can  still  be  produced  if  Agent  B  transfers  1  unit  of  his  resource  to  Agent  A  as  a  loan  or  as  equity.      Now  Agent  A  produces  (3,0),  Agent  B  produces  (0,1)  and  with  Agent  C’s  endowment  (0,1)  we  get  the  desired  allocation  (3,2).    As  long  as  (3,1)  is  produced,  this  society  will  find  a  way  of  making  everyone  better  off.      This  is  a  capital  market,  where  agents  who  don’t  believe  that  there  is  sufficient  demand  for  the  goods  they  have  a  comparative  advantage  in  producing  loan  out  the  surplus  capital  to  those  agents  who  are  producing  goods  which  are  in  demand.      The  informational  aspect  of  this  example  is  extremely  interesting.    We  can  do  away  with  the  idea  of  the  “states  of  the  world”.  All  we  need  from  both  agents  is  to  estimate  the  demand  for  the  goods  they  have  a  comparative  advantage  in.  By  correctly  estimating  just  that  much  they  help  in  the  aggregate  price  discovery  and  thereby  

push  the  pareto  frontier  outwards.  It  is  finding  information  rather  than  hedging  that  helps  the  society  to  direct  resources  optimally.