摘要本文基于完全信息的經(jīng)典雙寡頭古諾模型，構(gòu)建不完全信息——不同理性程度的動態(tài)三寡頭博弈模型，對三個寡頭企業(yè)作出異質(zhì)性理性的假設(shè)：天真理性、有限理性和適應(yīng)性預(yù)期的理性行為，將傳統(tǒng)博弈理論和動力系統(tǒng)的分岔理論相結(jié)合，模擬排污權(quán)交易市場中的寡頭廠商行為，在假設(shè)企業(yè)是通過在排污權(quán)交易市場購買額外的排污權(quán)治理污染的條件下，探究產(chǎn)量調(diào)整速度、邊際治污成本和排污權(quán)價格對企業(yè)產(chǎn)量決策的影響，對納什均衡的存在和穩(wěn)定條件進行分析。數(shù)值模擬結(jié)果表明，產(chǎn)量調(diào)整速度處于一定范圍內(nèi)，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)超過這一范圍時，適應(yīng)性預(yù)期廠商的均衡產(chǎn)量只發(fā)生了倍周期分岔，而有限理性廠商的均衡產(chǎn)量經(jīng)由倍周期分岔進入混沌狀態(tài)；邊際治污成本對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響取決于企業(yè)的理性預(yù)期，隨著邊際治污成本的增加，有限理性廠商的產(chǎn)量越穩(wěn)定，而天真理性和適應(yīng)性預(yù)期的廠商剛好相反，經(jīng)濟系統(tǒng)出現(xiàn)周期分岔甚至混沌，混沌最終穩(wěn)定在納什均衡水平，說明邊際治污成本越高，市場越不穩(wěn)定；一個有趣的發(fā)現(xiàn)是排污權(quán)價格的增大有利于寡頭市場產(chǎn)量供給的穩(wěn)定。系統(tǒng)的奇怪吸引子、最大Lyapunov指數(shù)和對初值的敏感依賴性驗證了系統(tǒng)處于混沌的事實。由于混沌意味著無序使模型預(yù)測變得困難，最后運用延遲反饋控制法使混沌穩(wěn)定在納什均衡水平，此時寡頭廠商獲得最大化利潤。這對于穩(wěn)定排污權(quán)市場，防止市場出現(xiàn)無序混沌的情形有一定的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞排污權(quán)交易；有限理性；邊際治污成本；混沌；納什均衡

中圖分類號F224文獻標(biāo)識碼A文章編號1002-2104（2016）07-0119-09doi：103969/jissn1002-2104201607015

如何實現(xiàn)經(jīng)濟和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展是我國當(dāng)前面臨的重大問題之一。隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展和向市場體制的全面轉(zhuǎn)型，環(huán)境問題產(chǎn)生的原因和作用機制更趨復(fù)雜，現(xiàn)有環(huán)境保護的制度法規(guī)已無法約束生產(chǎn)部門的污染排放，迫切需要尋找新的手段解決環(huán)境污染問題。

新型治污手段產(chǎn)生于對環(huán)境污染根本原因的認(rèn)識。在理論界，越來越多的經(jīng)濟學(xué)家認(rèn)為是環(huán)境資源的外部性（Externalities）導(dǎo)致了人們對環(huán)境保護缺乏自主性，并最終造成環(huán)境的惡化。對于環(huán)境資源負(fù)外部性問題的解決，國外學(xué)者的研究大體分為兩種理論：其一是收取環(huán)境稅，認(rèn)為可以通過向排污者征稅的方式將環(huán)境負(fù)外部性合理內(nèi)部化，用環(huán)境稅收彌補私人成本和社會成本的差額；其二是建立排污權(quán)市場交易機制，產(chǎn)生于科斯[1]的著名論文The Problem of Social Cost， 即后來的產(chǎn)權(quán)理論，認(rèn)為只要能明確界定產(chǎn)權(quán)，那么可以通過市場交易機制去實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。戴爾斯[2]最早將科斯定理應(yīng)用于環(huán)境領(lǐng)域，明確提出排污權(quán)的概念。迄今為止，我國已建立多個試點省市，進行了包括SO2、COD等污染物的大宗交易。理論界的學(xué)者們饒有興趣地探索，以期排污權(quán)交易能早日解決現(xiàn)實中的環(huán)境污染問題。

目前關(guān)于排污權(quán)交易的研究已經(jīng)從最初排污權(quán)交易的理論框架與實際進展、排污權(quán)交易的政策設(shè)計、排污權(quán)交易制度的指標(biāo)體系和排污權(quán)初始分配等逐漸深入到運行機制研究、交易成本、初始排污權(quán)如何分配等的理論分析。構(gòu)建多種排污權(quán)交易模型，如期權(quán)博弈模型、污染治理投資分析模型、最優(yōu)決策模型等對于排污權(quán)交易的數(shù)理模型也有很多學(xué)者研究[3-5]已有文獻的研究，盡管將排污權(quán)因素納入模型，但是較少考慮寡頭等帶有壟斷性質(zhì)的市場結(jié)構(gòu)對模型的影響。

對于寡頭博弈的研究，古諾模型、伯川徳模型等經(jīng)典博弈模型均是在參與人的完全理性和對博弈過程具有完全信息的假設(shè)下進行的。模型經(jīng)過一次互動決策達到均衡，并保持在均衡水平不變。但現(xiàn)實經(jīng)濟環(huán)境中這種假設(shè)條件過于完美，人們通常需要學(xué)習(xí)、不斷積累經(jīng)驗，不可避免地會犯錯，而不是像計算機一樣每次博弈都能精準(zhǔn)地計算，作出最優(yōu)決策。因此這種完全信息和完全理性下得到的均衡很可能不符合真實的經(jīng)濟狀況。

近年來，博弈理論模型和非線性動力學(xué)結(jié)合研究經(jīng)濟系統(tǒng)的復(fù)雜性逐漸引起關(guān)注。這類動態(tài)寡頭博弈模型在參與人具有非完全信息、非完全理性的行為特征條件下進行研究，對于傳統(tǒng)博弈理論的完全理性、完全信息的假設(shè)是一種突破，它打破了傳統(tǒng)納什均衡對經(jīng)濟模型的預(yù)測，對于認(rèn)識和預(yù)測經(jīng)濟更有現(xiàn)實意義，表明了非線性系統(tǒng)在不受隨機沖擊時，也可產(chǎn)生類似隨機性的動態(tài)。

于羽：排污權(quán)政策模擬和系統(tǒng)動力學(xué)研究中國人口·資源與環(huán)境2016年第7期1文獻綜述

這個方向的研究考慮參與人具有天真理性、有限理性和適應(yīng)性預(yù)期等行為，Kopel[6] 、Puu[7]對古諾模型的納什均衡的研究，提出了周期性和更復(fù)雜行為的可能。在寡頭廠商的有限理性、適應(yīng)性預(yù)期等條件下，證明了不動點的穩(wěn)定性，通過系統(tǒng)分岔和奇怪吸引子驗證了系統(tǒng)處于混沌[8-10]。以上文獻的焦點集中于同質(zhì)性產(chǎn)品的古諾模型和伯川徳模型，差異產(chǎn)品模型的研究也逐漸得到關(guān)注[11-15]，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為參與人的理性假設(shè)會影響模擬結(jié)果，延遲有限理性的參與人更有可能達到納什均衡，延遲經(jīng)濟系統(tǒng)的混沌行為[16-18]。

隨著對寡頭博弈的動力系統(tǒng)研究的深入，混沌在無外界隨機因素下系統(tǒng)內(nèi)在隨機產(chǎn)生形成共識。由于混沌意味著遠(yuǎn)離均衡點，需要采取措施重新恢復(fù)均衡水平。目前主流的方法主要有Ott、Grebogi和Yorke[19]提出的OGY方法，Pyragas[20]的連續(xù)變量反饋控制法和延遲反饋控制法等。

迄今，混沌理論涉及多學(xué)科多領(lǐng)域的研究，國內(nèi)外的專家學(xué)者對于混沌的研究成功用于經(jīng)濟學(xué)領(lǐng)域的最突出的貢獻莫過于打破了寡頭博弈模型中的完全理性假設(shè)，使模型更符合實際。納什均衡不再處于經(jīng)典博弈中的傳統(tǒng)主導(dǎo)地位，而是有條件地存在。

這種經(jīng)多次調(diào)整的無限重復(fù)的動態(tài)博弈模型現(xiàn)已應(yīng)用于電力市場、尋租問題、資源環(huán)境、資本管理、社會責(zé)任等道德產(chǎn)品的研究[21-22]。吉偉卓和馬軍海[23]建立三寡頭博弈模型，對發(fā)電廠商的動態(tài)行為進行了分析；Godwin等[24]對具有政策成本和競爭強度的動態(tài)尋租博弈的復(fù)雜性的研究，論證了尋租者的支出調(diào)整參數(shù)對博弈均衡的影響；Matouk等[25]應(yīng)用離散動力系統(tǒng)對hastings-powell食物鏈的研究也發(fā)現(xiàn)了有趣的系統(tǒng)的內(nèi)在隨機性特征，Ding等[29]對低碳經(jīng)濟系統(tǒng)的研究也都論證了理性決策對系統(tǒng)混沌的重要性。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，探討排污權(quán)交易制度施行、寡頭企業(yè)的決策等對寡頭市場的穩(wěn)定可能帶來的影響，并對此加以研究。通過建立三寡頭的動態(tài)博弈模型，分析納什均衡的存在和穩(wěn)定條件。數(shù)值模擬結(jié)果表明了當(dāng)企業(yè)的產(chǎn)量調(diào)整速度、邊際治污成本和排污權(quán)價格等參數(shù)發(fā)生變化時，系統(tǒng)的納什均衡、周期分岔以及混沌的演變過程。分岔圖、奇怪吸引子、分?jǐn)?shù)維等驗證了系統(tǒng)處于混沌的事實。最后運用延遲反饋控制法使系統(tǒng)重新恢復(fù)到均衡水平。

2模型構(gòu)建與求解

本節(jié)主要介紹基于排污權(quán)交易機制的動態(tài)三寡頭博弈模型?？紤]環(huán)境污染對消費者的危害建立逆需求函數(shù)。探討企業(yè)產(chǎn)量調(diào)整速度、邊際治污成本和排污權(quán)價格對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，數(shù)值模擬此時系統(tǒng)的復(fù)雜性態(tài)。

構(gòu)建排污權(quán)交易市場的環(huán)境，假設(shè)市場上存在三個寡頭廠商，每個企業(yè)生產(chǎn)同質(zhì)性產(chǎn)品，彼此間選擇產(chǎn)量競爭。若xi（t）表示t時期企業(yè)i的產(chǎn)量，i=1，2，3.則t時期市場總產(chǎn)量為X=x1（t）+x2（t）+x3（t）.假設(shè)企業(yè)排污量與企業(yè)產(chǎn)量成正比例函數(shù)關(guān)系：Ei=exi.其中，Ei為企業(yè)i的排污量。市場中的消費者，因企業(yè)提供產(chǎn)品獲得效用的同時，也因環(huán)境污染受到身心危害。每單位污染排放對消費者產(chǎn)生正的邊際損失為d.那么此時消費者的效用函數(shù)表示為：

U（x1，x2，x3）=x0+aX-12bX2-deX

其中，x0表示沒有污染排放的產(chǎn)品，設(shè)價格為1，a>0為固定參數(shù)。那么，在寡頭市場商品銷售價格為p0，消費者收入為ω（收入全部用于消費）的約束條件下，消費者最優(yōu)選擇可表示為：

maxU（X）=x0+aX-12bX2-deX

s.t.x0+p0X=ω

將約束條件x0=ω-p0X代入效用函數(shù)，得無約束最優(yōu)化問題：

maxU（X）=ω-p0X+aX-12bX2-deX

由效用最大化一階條件UX=0可得逆需求函數(shù)為：

p0（X）=a-bX-de

對比于不考慮污染的模型，價格下降了de，即單位產(chǎn)品對消費者損失。

假設(shè)企業(yè)i的生產(chǎn)成本、治污成本以及污染排放量為一次函數(shù)形式，且Ci（xi）=cixi，Mi（xi）=mixi，Ei（xi）=exi.政府對初始排污權(quán)的分配是免費的，記為y0.市場上排污權(quán)交易價格為p，并且假設(shè)企業(yè)暫時不具備污染清除技術(shù)，只能通過購買額外的排污權(quán)治理污染。那么企業(yè)i的實際排污權(quán)交易費用為p（exi-y0），i=1，2，3.

企業(yè)i的利潤函數(shù)為

由于三個企業(yè)的理性程度不同，重復(fù)的動態(tài)博弈的產(chǎn)量決策各不相同：天真理性的企業(yè)1的決策是根據(jù)當(dāng)期企業(yè)2和企業(yè)3的產(chǎn)量的反應(yīng)函數(shù)決定自身產(chǎn)量；有限理性的企業(yè)2的當(dāng)期決策取決于自己前一期的邊際利潤，邊際利潤為正，他在當(dāng)期增加產(chǎn)量，邊際利潤為負(fù)，他在當(dāng)期減少產(chǎn)量；適應(yīng)性預(yù)期行為的企業(yè)3的決策是自己的反應(yīng)函數(shù)和前一期產(chǎn)量的凸組合。則排污權(quán)交易機制下有限理性三寡頭廠商的產(chǎn)量決策方程為

定理2納什均衡E是局部漸進穩(wěn)定的，如果系統(tǒng)參數(shù)滿足（a-de-pe）-3（ch+mh）+（ci+mi）+（cj+mj）>0，b>0.h，i，j=1，2，3.h≠i≠j以及上述Jury條件時，E*是局部漸進穩(wěn)定的。

3數(shù)值模擬

本小節(jié)對三個異質(zhì)性理性的生產(chǎn)者進行產(chǎn)量決策模型的復(fù)雜性進行分析，可觀察到企業(yè)調(diào)整速度、邊際治污成本和排污權(quán)價格對模型復(fù)雜性的影響以及參數(shù)變化時的混沌性態(tài)。通過數(shù)值模擬圖形，觀察模型中寡頭企業(yè)的產(chǎn)量和利潤的演化過程，探討排污權(quán)市場中經(jīng)濟系統(tǒng)的運行規(guī)律。

3.1產(chǎn)量調(diào)整速度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

首先對參數(shù)賦值：a=10，b=1，c1=0.8，c2=1，c3=1.1，m1=0.2，m2=0.5，m3=0.7，d=0.4，e=0.5，p=1，y0=1，ν=0.5.則M=1.9，納什均衡點E*=（2.4，1.9，1.6）.

當(dāng)企業(yè)3的調(diào)整速度ν=0.5，動力系統(tǒng)方程：

如圖1所示是ν=0.5時寡頭廠商關(guān)于u的產(chǎn)量分岔圖，最初三個企業(yè)產(chǎn)量處于納什均衡水平，u=0.488 0時為第一次分岔，之后經(jīng)由倍周期分岔進入混沌。圖2是與圖1對應(yīng)的u的最大Lyapunov指數(shù)圖。u∈（0.4，0.488 0）時，產(chǎn)量為不變的納什均衡水平。圖1中的第一次、第二次和第三次分岔點分別對應(yīng)圖2中最大Lyapunov指數(shù)最接近于零的點A（0.488 0，-0.009 6）、B（0.644 0，-0.009 8）和C（0.669 0，-0.006 5）；之后，最大Lyapunov指數(shù)開始出現(xiàn)正值，與此同時圖1中的混沌發(fā)生。

如圖3所示是u=0.49時寡頭廠商關(guān)于ν的產(chǎn)量分岔圖，最初三個企業(yè)產(chǎn)量處于納什均衡水平，ν=0.492 0時為分岔點，之后保持倍周期分岔而沒有進入混沌。圖4是與圖3對應(yīng)的ν的最大Lyapunov指數(shù)圖。ν∈（0，0.492 0）時，產(chǎn)量為不變的納什均衡水平。圖3中的分岔點對應(yīng)圖4中最大Lyapunov指數(shù)最接近于零的點D（0.492 0，-0.009 6）。

由寡頭廠商的產(chǎn)量和利潤分岔圖可知，在進行產(chǎn)量決策時，隨著調(diào)整速度的增加，企業(yè)在寡頭市場的反應(yīng)越迅速，市場可能出現(xiàn)這種無序混沌的情形，甚至出現(xiàn)無法掌控的局面。而由于企業(yè)2、企業(yè)3的不同理性假設(shè)，可以觀察到有限理性企業(yè)的調(diào)整速度的變化對市場穩(wěn)定的影響程度更大，而適應(yīng)性預(yù)期廠商在做出決策時，考慮到自身基期產(chǎn)量和競爭對手產(chǎn)量的原因，他的調(diào)整速度對市場穩(wěn)定的影響相對較小，因此只是發(fā)生了一次分岔，而沒有進入混沌。

本小節(jié)以天真理性和有限理性廠商為例，探究邊際治污成本mi（i=1，2）對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

是u=0.49，ν=0.5，其他參數(shù)不變時，企業(yè)1的邊際治污成本m1的產(chǎn)量分岔圖。納什均衡產(chǎn)量為E*=（10.2-3m14，7.4+m14，6.2+m14）那么三個企業(yè)的均衡產(chǎn)量不再是固定的。隨著m1的增加，企業(yè)1的均衡產(chǎn)量下降，企業(yè)2、企業(yè)3的均衡產(chǎn)量會上升。因此，同調(diào)整速度u，v的產(chǎn)量分岔圖會略有不同。

是與圖5對應(yīng)的m1的最大Lyapunov指數(shù)圖。m1∈（0，0.183 0）時，企業(yè)1、企業(yè)3的納什均衡產(chǎn)量持續(xù)上升，企業(yè)2的納什均衡產(chǎn)量持續(xù)下降。圖5中的第一次、第二次和第三次分岔點分別對應(yīng)圖6中最大Lyapunov指數(shù)最接近于零的點E（0.183 0，-0.009 2）、F（1.795 0，0.001 2）和G（2.051 0，0.001 4）；之后，最大Lyapunov指數(shù)開始出現(xiàn)正值，與此同時圖5中的混沌發(fā)生。

不難看出，關(guān)于天真理性、有限理性和適應(yīng)性預(yù)期假設(shè)的企業(yè)，他們的邊際治污成本產(chǎn)生的產(chǎn)量分岔過程完全不同。這主要與企業(yè)的不同理性假設(shè)有關(guān)。隨著天真理性企業(yè)的邊際治污成本的增加，三寡頭產(chǎn)量經(jīng)由倍周期分岔，最終進入混沌；隨著有限理性企業(yè)的邊際治污成本的增加，三個企業(yè)的產(chǎn)量卻是由最初的混沌狀態(tài)經(jīng)由倍周期分岔最終恢復(fù)在變化中的納什均衡水平；隨著適應(yīng)性預(yù)期理性企業(yè)的邊際治污成本的增加，三個企業(yè)的產(chǎn)量從變化中的納什均衡狀態(tài)發(fā)生了一次分岔，而沒有出現(xiàn)混沌。

3.3排污權(quán)價格對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

本小節(jié)探討排污權(quán)交易市場的排污權(quán)價格p對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

由圖9和圖10不難看出，關(guān)于天真理性、有限理性和適應(yīng)性預(yù)期假設(shè)的企業(yè)，隨著排污權(quán)價格的增加，系統(tǒng)由

系統(tǒng)的吸引子

奇怪吸引子是驗證混沌的重要特征，相空間中鄰近的吸引子的軌道隨著時間發(fā)生不規(guī)則的指數(shù)離析的過程。三寡頭博弈的吸引子是三維圖像。圖11是u=0.49， v=0.5，m1=2.7的模擬結(jié)果。此時系統(tǒng)進入完全混沌狀態(tài)。

3.5混沌控制

混沌系統(tǒng)對于初值的敏感性，使模型預(yù)測變得困難，這是參與者所不希望的，因此本小節(jié)應(yīng)用Pyragas（1993）提出的延遲反饋控制法（DFC法）控制混沌。

延遲反饋系統(tǒng)可表示為：y（t+1）=g（y（t），p（t））

其中，y（t+1）為狀態(tài)變量，p（t）為控制信號。Pyragas指出p（t）可表示為p（t）=k（y（t+1-τ）-y（t+1））.其中k為控制因子，τ為滯后時間，t>τ.。τ=1時，表示p（t）反饋回系統(tǒng)需要延遲一個時間周期。考慮延遲周期，模型中的動力系統(tǒng)方程改寫為：

以上數(shù)值模擬表明，DFC方法延遲和抑制了排污權(quán)交易機制下的動態(tài)博弈模型中的混沌，排污權(quán)市場中企業(yè)產(chǎn)量在經(jīng)歷倍周期分岔后，重新恢復(fù)到納什均衡，獲得穩(wěn)定的均衡利潤，對于穩(wěn)定市場起了重要作用?；煦缇哂胁豢深A(yù)測性，寡頭廠商在觀測到混沌性態(tài)時，采用施加一個控制因子的DFC方法，需要一個動力系統(tǒng)多次迭代的過程才能使系統(tǒng)穩(wěn)定在納什均衡。

4結(jié)語

本文基于傳統(tǒng)博弈理論，結(jié)合非線性混沌動力系統(tǒng)，構(gòu)建排污權(quán)交易機制下的動態(tài)三寡頭產(chǎn)量博弈模型。該模型放松了靜態(tài)博弈模型中，決策者的完全理性和對市場的完全信息假設(shè)，將有限理性納入動態(tài)博弈模型。

本文以線性需求函數(shù)和治污成本函數(shù)為基礎(chǔ)，在政府分配給企業(yè)免費的初始排污權(quán)，額外污染排放只能通過購買新的排污權(quán)實現(xiàn)的條件下，數(shù)值模擬經(jīng)濟系統(tǒng)在參數(shù)發(fā)生變化時，會出現(xiàn)周期分岔和混沌等復(fù)雜動力學(xué)現(xiàn)象。探討了企業(yè)產(chǎn)量調(diào)整速度、邊際治污成本以及排污權(quán)價格對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。企業(yè)的產(chǎn)量調(diào)整速度越慢，利潤相對越穩(wěn)定；當(dāng)廠商具有天真理性和有限理性時，前者的邊際成本越高，企業(yè)越要承擔(dān)越大的風(fēng)險，后者的邊際治污成本越高，排污權(quán)交易市場越穩(wěn)定。排污權(quán)價格越大，系統(tǒng)越趨于穩(wěn)定狀態(tài)，說明排污權(quán)交易和排污權(quán)市場的建立有利于產(chǎn)量供給的穩(wěn)定。對經(jīng)濟系統(tǒng)處于混沌的重要特征，包括奇怪吸引子的分形演化、最大Lyapunov指數(shù)、系統(tǒng)對初值的敏感性都進行了驗證?；煦缡冀K是一種無法掌控的、無序的狀態(tài)，對于模型的分析與預(yù)測帶來困難。因此最后運用延遲反饋法成功對混沌進行控制，最終市場產(chǎn)量會保持在納什均衡，同時寡頭廠商獲得最大利潤。

就目前而言，我國的市場經(jīng)濟處于不斷完善和轉(zhuǎn)型的階段，本文數(shù)值模擬的結(jié)果對于排污權(quán)市場的穩(wěn)定運行，市場出現(xiàn)無序混沌的措施補救有一定的現(xiàn)實意義，對于認(rèn)識和預(yù)測排污權(quán)市場有一定的參考價值。研究表明企業(yè)要想在寡頭市場立足，必須提高污染治理水平，降低邊際治污成本。

（編輯：尹建中）

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