謝祥添
(廣東金融學院科技金融重點實驗室,廣東廣州 510521)
隨著市場競爭的加劇,企業(yè)的競爭已經(jīng)從產(chǎn)品延伸至研發(fā)[1-2]。研發(fā)不僅能為企業(yè)提供新的收入增長點,還可以提升企業(yè)的競爭力,成為企業(yè)贏得競爭優(yōu)勢的重要手段,此外研發(fā)還有溢出效應(yīng),推動社會的進步。研發(fā)具有長期性、創(chuàng)造性和新穎性,需要企業(yè)持續(xù)投入大量的人力和物力。因而,研發(fā)投資成為企業(yè)戰(zhàn)略的重要組成部分。在競爭環(huán)境下,提前研發(fā)投資會失去未來不確定性的期權(quán)價值,特別是需求不確定性的期權(quán)價值[3-5],推遲則會由于競爭者搶先研發(fā)投資而失去“先占優(yōu)勢”[6-8],甚至是競爭者搶先研發(fā)投資的研發(fā)成果(如專利)排他性而失去整個市場[9-10]。研發(fā)投資時機成為企業(yè)要解決的問題,而解決這個問題的方法是期權(quán)博弈。期權(quán)博弈結(jié)合實物期權(quán)和博弈論的優(yōu)點,實物期權(quán)具有不可逆性、不確定性以及柔性的特點,解決期權(quán)價值問題,博弈論則充分考慮競爭的相互作用,解決策略選擇問題。因此,期權(quán)博弈適合在競爭環(huán)境下的研發(fā)投資[11]。
對于運用期權(quán)博弈研究研發(fā)投資問題,最近十幾年受到眾多學者的關(guān)注。最早建立期權(quán)博弈模型的是Smets[12],他指出在雙寡頭壟斷條件下,非合作行為會導致不對稱的領(lǐng)先者與追隨者均衡。Dixit等[13]309,Huisman 等[14]6分別對Smets[12]模型進行了擴展。其中,Dixit 等[13]313-314討論了領(lǐng)先者與追隨者內(nèi)生(不指定誰是領(lǐng)先者,誰是追隨者)和外生(預先設(shè)定誰是領(lǐng)先者,誰是追隨者)兩種情況,提出在內(nèi)生情況下,每個企業(yè)都會搶先投資爭取成為領(lǐng)先者,而在外生情況下,在領(lǐng)先者投資之前,追隨者不應(yīng)投資。Huisman 等[14]2指出雙寡頭競爭有3 種情景:搶先均衡,共同均衡,以及當不確定性較低,以搶先均衡為主;當不確定性較高,則以帕累托均衡為主。以上研究的是連續(xù)期權(quán)博弈,也有部分學者研究了離散期權(quán)博弈。如,Smit 等[15]建立一個離散期權(quán)博弈研發(fā)投資模型,指出在完全競爭下,由于競爭者進入導致項目價值損失,企業(yè)選擇提前研發(fā)投資;在完全壟斷下,企業(yè)傾向于推遲研發(fā)投資;而寡頭壟斷介于這兩個極端之間,當市場需求不確定時,企業(yè)推遲研發(fā)投資,當競爭激烈時,企業(yè)搶先研發(fā)投資。接著,Smit[16]基于Smit等[15]的研究分析了歐洲機場的擴建,提出擁有更好基礎(chǔ)設(shè)施和更小發(fā)展阻力的機場具有更好的增長期權(quán),因而能從競爭中獲勝。
研發(fā)投資除了與普通投資需要面對市場不確定性外,還需要面對技術(shù)不確定性。最近關(guān)于這方面的研究逐漸增多。如,Cassimon 等[17],Pennings 等[18]考慮市場與技術(shù)不確定性,采用歐式復合期權(quán)方法研究了藥物研發(fā)投資。Leung 等[19]考慮開發(fā)新產(chǎn)品時市場和技術(shù)不確定性,采用期權(quán)博弈研究了現(xiàn)有企業(yè)和進入企業(yè)的不對稱競爭戰(zhàn)略均衡,得到了3種馬爾可夫鏈均衡(序貫均衡,搶先均衡和同時均衡)。Nishihara[20]考慮市場、技術(shù)和搶先不確定性,建立了一個研發(fā)投資評估和優(yōu)化模型,通過對模型的敏感性分析得出:企業(yè)隨著自身研發(fā)水平提高而提前研發(fā)投資,研發(fā)時間不確定性會導致競爭者搶先研發(fā)投資。本研究除了分析自身研發(fā)水平對研發(fā)投資的影響外,還分析了競爭者研發(fā)水平對研發(fā)投資的影響,指出企業(yè)會隨著競爭者研發(fā)水平的提高而推遲研發(fā)投資。國內(nèi)關(guān)于技術(shù)不確定研發(fā)投資的文獻有雷星暉等[21]、孫艷梅等[22]以及曹博洋等[23]。其中,曹博洋等[23]利用歐式復合期權(quán)理論,建立研發(fā)項目投資決策數(shù)學模型,得到納什均衡下的最優(yōu)研發(fā)投資決策。雷星暉和李來俊[21]采用期權(quán)博弈分析了兩家實力均衡的企業(yè)在進行研發(fā)投資決策時采取的策略,給出了不同策略下最優(yōu)研發(fā)投資時機。孫艷梅等[22]在技術(shù)不確定環(huán)境下,構(gòu)建研發(fā)水平和投資成本均不對稱的雙寡頭期權(quán)博弈模型,得到3 種投資均衡(序貫均衡,搶先均衡和同時均衡),提出企業(yè)隨著自身研發(fā)水平的提高將提前投資,隨著競爭者的研發(fā)水平增加而推遲投資。上述文獻測量研發(fā)技術(shù)不確定性,主要通過研發(fā)時間表示,但是在實踐中研發(fā)時間難以測算。因此,本研究通過研發(fā)成功率表示,同時假設(shè)研發(fā)成功率服從泊松分布,并且考慮競爭者研發(fā)成功對需求的影響,構(gòu)建了需求服從帶隨機跳躍的幾何布朗運動。
以上文獻假設(shè)研發(fā)項目未來收益固定或服從一定的分布,博弈焦點為研發(fā)投資的時機。在實際中,有相當一部分行業(yè)(例如醫(yī)藥行業(yè),兩家企業(yè)同時對某一治療功能相同的藥物進行研發(fā),兩家企業(yè)相繼研發(fā)成功后,還需要把研發(fā)成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品出售,其中生產(chǎn)多少也會博弈)的博弈還會延伸至研發(fā)產(chǎn)品的產(chǎn)量博弈。產(chǎn)量博弈主要有Cournot duopoly 博弈和Stackelberg 博弈。Smit 等[24]考慮市場需求不確定,研究了Cournot duopoly 博弈期權(quán)投資決策,給出了領(lǐng)先者與追隨者的投資閾值。與該文獻不同,本研究預先設(shè)定領(lǐng)先者與追隨者角色,所以采用Stackelberg 博弈,研究不僅給出了投資閾值,還給出了Stackelberg 博弈均衡。
綜上,本研究的貢獻在于將投資博弈延伸至研發(fā)產(chǎn)品產(chǎn)量博弈,運用Stackelberg 博弈理論構(gòu)建了領(lǐng)先者與追隨者研發(fā)產(chǎn)品產(chǎn)量函數(shù),在此基礎(chǔ)上,考慮需求與研發(fā)水平不確定性,以及研發(fā)競爭,運用期權(quán)博弈理論建立領(lǐng)先者與追隨者研發(fā)投資決策模型,通過模型的分析得出了搶先均衡和序貫均衡,同時,分析了需求波動、研發(fā)水平和競爭者研發(fā)成功致使自身需求下降對研發(fā)投資決策的影響,這些研究有助于企業(yè)在競爭環(huán)境下研發(fā)投資決策。
假設(shè)1:考慮有兩家企業(yè)分別對同質(zhì)產(chǎn)品項目進行研發(fā)投資,投資成本為I,假設(shè)單位成本低的為領(lǐng)先者,該成本設(shè)為ci,單位成本高的為追隨者,該成本設(shè)為cj。(該假設(shè)符合大部分實際情況,領(lǐng)先者通常生產(chǎn)效率較高或者生產(chǎn)規(guī)模較大,最終表現(xiàn)為較低的單位成本)。
假設(shè)2:領(lǐng)先者與追隨者的平均研發(fā)成功率分別為λi和λj,它們都服從泊松分布。
假設(shè)3:領(lǐng)先者與追隨者之間的生產(chǎn)競爭為Stackelberg 博弈,領(lǐng)先者根據(jù)追隨者最優(yōu)產(chǎn)量反應(yīng)函數(shù)決定產(chǎn)量Qi,追隨者根據(jù)領(lǐng)先者產(chǎn)出決定產(chǎn)量Qj。
假設(shè)4:考慮價格隨需求的增加而增加,隨產(chǎn)量的增加而減少,構(gòu)建價格關(guān)于產(chǎn)量函數(shù):
其中,Q為總產(chǎn)量,它等于Qi+Qj。η 為價格關(guān)于產(chǎn)量的敏感性系數(shù)。在不對研究結(jié)論產(chǎn)生影響前提下,為了簡便,設(shè)η=1。Y為需求,它服從帶跳躍的幾何布朗運動,其表達式為:
其中,(k=i,n=j)表示領(lǐng)先者需求波動,(k=j,n=i)為追隨者需求波動,等式右邊前兩項表示需求變化服從幾何布朗運動,α是需求增長率,σ是需求波動率,dz是服從均值為零,標準差為(dt)1/2 的標準維納運動。第3 項表示競爭者研發(fā)成功對自身需求的影響,φ是下降幅度,dqn是研發(fā)平均成功率為λn的泊松過程增量:
當領(lǐng)先者與追隨者的產(chǎn)量分別為Qi和Qj時,領(lǐng)先者與追隨者的利潤函數(shù)為:
對式(4)求關(guān)于Qi一次導數(shù)為0,可得領(lǐng)先者的最優(yōu)產(chǎn)量反應(yīng)函數(shù):
同理,可得追隨者的最優(yōu)產(chǎn)量反應(yīng)函數(shù):
根據(jù)Stackelberg 博弈,把式(7)代入式(4)可求解出領(lǐng)先者的最優(yōu)產(chǎn)量和最優(yōu)利潤分別為:
因為領(lǐng)先者的研發(fā)平均成功率為λi,服從泊松分布,所以其最優(yōu)期望利潤為:
把Qi*代入式(5)可求解出追隨者的最優(yōu)產(chǎn)量和最優(yōu)利潤分別為:
同理,可得追隨者的最優(yōu)期望利潤為:
此外,若領(lǐng)先者先研發(fā)投資,那么將得到追隨者未投資的壟斷利潤為:Πi(Qi,Qj=0)=[Y/(Qi)-ci]Qi=Y-ciQi。假設(shè)至少生產(chǎn)一個產(chǎn)品,所以此時領(lǐng)先者的最優(yōu)期望利潤為:
Stackelberg 博弈,采用逆向求解,假設(shè)領(lǐng)先者已投資,企業(yè)在風險中性環(huán)境下,設(shè)無風險利率r(r〉α)為貼現(xiàn)因子,設(shè)YF為追隨者投資臨界值。當Y≤YF時,追隨者價值滿足最優(yōu)貝爾曼方程:
根據(jù)式(2),以及結(jié)合伊藤引理,可得:
解式(16)可得F(Y)的形式:
把式(17)代入式(16)可得β1j和β2j滿足以下方程:
因為Gj(0)=-r〈0,Gj(1)=α-r-λiφ〈0 和Gj(-∞)=∞,Gj(∞)=∞,所以存在一個小于0 的負根和一個大于1的正根。又因為F(0)=0,設(shè)β1j為正根,所以有:
當Y≥YF時,追隨者會立即投資,這時產(chǎn)生一個永續(xù)的期望現(xiàn)金流(式(13)):λjY(2ci-cj)2/ (4ci2),根據(jù)式(2)可知,追隨者期望需求變動率為E[dY]/(Yjdt)=α-λiφ,所以追隨者投資后的價值為:
當Y=YF時,存在值相等和一階平滑粘貼條件(式(20)兩邊同時對Y求導后,令Y=YF):
根據(jù)式(21)和式(22)可求解出兩個未知數(shù)A1和YF,所以追隨者價值為:
其中,追隨者投資臨界值為:
當Y≥YF時,領(lǐng)先者已投資,項目產(chǎn)生一個永續(xù)的期望現(xiàn)金流(式(10)):λiYcj/(4ci),根據(jù)式(2)可知,領(lǐng)先者期望需求變動率為E[dYi]/(Yidt)=α-λjφ,所以領(lǐng)先者的價值為:
當Y≤YF時,假設(shè)領(lǐng)先者已投資,追隨者一直等待,直至Y=YF,所以領(lǐng)先者的價值由追隨者未投資的壟斷最優(yōu)期望利潤流λi(Y-ci)和追隨者投資后的最優(yōu)期望利潤流λiYFcj/(4ci)兩部分構(gòu)成,所以有:
所以領(lǐng)先者價值為:
領(lǐng)先者雖然先投資可以取得壟斷收入,但要承受投資成本,當初始需求較小時,得到的利潤流很小,所以有L(Y)〈F(Y),領(lǐng)先者一直等待,直至L(Y)=F(Y)才投資,設(shè)該點值為YL,當L(Y)〉F(Y),領(lǐng)先者將會搶先投資。所以有:
設(shè)λi1為L(Y)與F(Y)的相切點對應(yīng)的λi,則它滿足以下方程組:
若追隨者已知,則領(lǐng)先者的研發(fā)水平λi的投資決策為:
其中,λj1為L(Y)與F(Y)的相切點對應(yīng)的λj。這時的博弈均衡為:當λj≥λj1時,序貫均衡;當λj〈λj1時,搶先均衡。博弈均衡分析與下文類似,略。
因為Y≤YF,L(Y)為凹函數(shù),F(xiàn)(Y)為凸函數(shù),所以當λi≤λi1時,L(Y)≤F(Y),領(lǐng)先者不會搶先投資,其投資過程與追隨者相似。所以,當L(Y)≤F(Y)時,它的價值和投資臨界值為(與上文追隨者價值求解相似,略):
根據(jù)上文領(lǐng)先者投資行為分析可知,領(lǐng)先者與追隨者之間的投資博弈存在兩種均衡:搶先均衡(包含同時均衡,部分文獻稱之為混合搶先均衡,本研究簡稱搶先均衡)和序貫均衡。
(1)序貫均衡。當λi≤λi1時,領(lǐng)先者的投資臨界值為YL1,追隨者的投資臨界值為YF。
(2)搶先均衡。在討論搶先均衡前,先確定搶先均衡區(qū)間以及對應(yīng)的條件。因為在Y≤YF,L(Y)為凹函數(shù),F(xiàn)(Y)為凸函數(shù),所以當λi〉λi1時,L(Y)與F(Y)有兩個交點,設(shè)較大的點為YM。
當Y=YF時,L(YF)=λiYFcj/[4ci(r-α+λjφ)],F(xiàn)(YF)=λjYF(2ci-cj)2/[4ci2(r-α+λiφ)],那么L(YF) ≥F(YF),YM≥YF,與Y〈YF矛盾,所以當λi〉λi2時的搶先均衡區(qū)域為[YL,YF)。根據(jù)L(YF)≥F(YF)可得λi≥λi2,λi2為以下二次方程的正根:
另外,當λi1〈λi〈λi2時,搶先均衡區(qū)間為[YL,YM]。所以,搶先均衡區(qū)域以及對應(yīng)的條件為:
當λi1〈λi〈λi2時,搶先均衡區(qū)間為[YL,YM];
當λi≥λi2時,搶先均衡區(qū)間為[YL,YF)。
在搶先均衡區(qū)間內(nèi),領(lǐng)先者的價值大于追隨者價值,企業(yè)有動力成為領(lǐng)先者,所以存在兩個企業(yè)同時投資的同時均衡,根據(jù)文獻[14]15-16,在搶先均衡區(qū)間,某一企業(yè)投資的概率為:
其中,J(Y)=λiYcj/[4ci(r-α+λjφ)]-I。
那么,只有一個企業(yè)投資的概率滿足:Pr(one)=P(1-P)+(1-P)(1-P)Pr(one),所以有:
兩個企業(yè)同時投資的概率為:
綜上,搶先均衡為:
1)當λi≥λi2時,Y在[YL,YF)范圍,領(lǐng)先者的價值大于等于追隨者價值,企業(yè)有動力成為領(lǐng)先者,企業(yè)以Pr(one)概率在[YL,YF)投資成為領(lǐng)先者,另一個企業(yè)則等待Y=YF才投資。同時,也存在兩個企業(yè)以Pr(two)概率在[YL,YF)同時投資,這時兩個企業(yè)得到的價值都是各自較低的價值,是“錯誤”的決策。另外,若需求在兩個企業(yè)沒有投資之前已經(jīng)大于等于YF,那么這兩個企業(yè)會以100%的概率立即投資。
2)當λi1〈λi〈λi2時,搶先均衡除了Y的范圍[YL,YM]與(a)的Y范圍不同外,其他相同,略。
以上兩種均衡可以通過圖1,圖2 和圖3 來示意。圖1 表明:領(lǐng)先者的研發(fā)平均成功率大于等于λi2,企業(yè)在[YL,YF)范圍有動力成為領(lǐng)先者。圖2表明:領(lǐng)先者的研發(fā)平均成功率在(λi1,λi2)范圍,L(Y)與F(Y)的兩個交點,企業(yè)在[YL,YM]范圍有動力成為領(lǐng)先者,以上兩種情景為搶先均衡。圖3 表明:領(lǐng)先者的研發(fā)平均成功率小于等于λi1,領(lǐng)先者應(yīng)該在需求大于等于YL1才投資,追隨者應(yīng)該在需求大于等于YF才投資,該情景為序貫均衡。
圖1 L(Y),F(xiàn)(Y)與Y 關(guān)系(λi ≥λi2)
圖2 L(Y),F(xiàn)(Y)與Y 關(guān)系(λi1<λi<λi2)
圖3 L(Y),L1(Y),F(xiàn)(Y)與Y 關(guān)系(λi ≤λi1)
設(shè)α=0.015,r=0.02,I=10,ci=0.12,cj=0.15,λi=0.9,λj=0.9,φ=1。
根據(jù)式(24)和式(29)作YF,YL與σ關(guān)系圖,如圖4 所示。從圖4 可知,YF和YL隨著σ的增加而增加,YF增加更明顯,這說明需求波動的增加會導致領(lǐng)先者和追隨者推遲研發(fā)投資,且需求波動對追隨者研發(fā)投資的影響更明顯。
圖4 YF,YL 與σ 關(guān)系
設(shè)α=0.015,σ=0.2,r=0.02,I=10,ci=0.12,cj=0.15,φ=1。
(1)當λj=0.9 時,根 據(jù) 式(24),式(29),式(30) 和式(33)可作YF,YL1,YL與λi關(guān)系圖,如圖5 所示。從圖5 可知,YF隨著λi的增加而增加,當λi≤0.42,YL1隨著λi的增加而減少,當λi〉0.42,YL隨著λi的增加而減少。這說明隨著領(lǐng)先者研發(fā)水平的提高,追隨者推遲研發(fā)投資,領(lǐng)先者提前研發(fā)投資。
圖5 YF,YL1,YL 與λi 關(guān)系
(2)當λi=0.3 時,根據(jù)式(24),式(29) 式(31)和式(33)可作YF,YL1,YL與λj關(guān)系圖,如圖6 所示。從圖6 可知,YF隨著λj的增加而減少,當λj≥0.62,YL1隨著λj的增加而增加,當λj〈0.62,YL隨著λj的增加而增加。這說明隨著追隨者研發(fā)水平的提高,追隨者提前研發(fā)投資,領(lǐng)先者推遲研發(fā)投資。
圖6 YF,YL1,YL 與λj 關(guān)系
設(shè)α=0.015,σ=0.2,r=0.02,I=10,ci=0.12,cj=0.15,λi=0.5,λj=0.8。
根據(jù)式(24)和式(29)作YF,YL與φ關(guān)系圖,如圖7 所示。從圖7 可知,YF和YL隨著φ的增加而增加,這說明競爭者研發(fā)成功致使自身需求下降幅度的增加而推遲研發(fā)投資。
圖7 YF,YL 與φ 關(guān)系
綜上可知:領(lǐng)先者與追隨者隨著需求波動的增加,競爭者研發(fā)成功導致自身需求下降幅度的增加,競爭者研發(fā)水平的提高而推遲研發(fā)投資,隨著自身研發(fā)水平的提高而提前研發(fā)投資。
某新材料股份有限公司A 是一家集研發(fā)、制造、銷售于一體的鋁型材制造商,它在“高、精、尖”特種鋁型材制造方面處于行業(yè)領(lǐng)先地位。現(xiàn)有一種設(shè)備,需要新型的特種鋁材,特種鋁材研發(fā)投資成本為1 千萬,預計需求服從增長率為0.015,波動率為0.2 為的幾何布朗運動。A 企業(yè)計劃對此進行研發(fā)投資,產(chǎn)品單位成本為12 萬/t。同時,其主要競爭者B 企業(yè)也計劃對此進行研發(fā)投資,B 企業(yè)的產(chǎn)品單位成本為15 萬/t,研發(fā)平均成功率為80%,服從泊松分布。
在風險中性環(huán)境下,當無風險利率為0.02,競爭者研發(fā)成功致使自身需求下降幅度為100%時。問:(1)若A 企業(yè)的研發(fā)平均成功率服從泊松分布,那么它大于多少,A 企業(yè)搶先研發(fā)投資?(2)若A 企業(yè)的研發(fā)平均成功率為50%,服從泊松分布,則A企業(yè)和B 企業(yè)應(yīng)該如何研發(fā)投資?
依題意有:α=0.015,σ=0.2,r=0.02,I=10百萬,ci=0.12 百萬/t,cj=0.15 百萬/t,φ=1,λj=0.8。
(1)把相關(guān)數(shù)據(jù)代入方程組(30)可得切點為(40.90,0.30),即λi1=0.30,所以只要A 企業(yè)的研發(fā)平均成功率大于0.30,那么A 企業(yè)搶先研發(fā)投資。
(2)因為λi=0.5〉0.30,把相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(29),可得YL=20.992t,因此,A 企業(yè)應(yīng)該在需求等于20.992t 時研發(fā)投資。對于B 企業(yè),把相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(24),可得YF=54.685t,所以,B 企業(yè)在需求等于54.685t 時研發(fā)投資。
為了進一步弄清A 企業(yè)和B 企業(yè)的研發(fā)投資決策過程,把相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(23)和式(28)可得A 企業(yè)價值和B 企業(yè)價值與需求的關(guān)系,如圖8 所示。從圖8 可知,當Y在[0,20.975)時,A 企業(yè)價值小于0,當Y=YL=20.992t 時,A 企業(yè)應(yīng)該研發(fā)投資,當Y=YF=54.685t 時,B 企業(yè)才研發(fā)投資。
圖8 L(Y),F(xiàn)(Y)與Y 關(guān)系
研發(fā)投資是企業(yè)戰(zhàn)略的重要組成部分。本研究考慮需求與研發(fā)水平不確定性,以及研發(fā)競爭,運用期權(quán)博弈建立研發(fā)投資決策模型,通過模型的分析得出:(1)當領(lǐng)先者的平均研發(fā)成功率高于兩者期權(quán)相切對應(yīng)的成功率,搶先均衡;否則,序貫均衡;(2)企業(yè)隨著需求波動的增加,競爭者研發(fā)水平的提高或競爭者研發(fā)成功致使自身需求下降幅度的增加而推遲研發(fā)投資,隨著自身研發(fā)水平的提高而提前研發(fā)投資。此外,根據(jù)實際情況,本研究不僅考慮研發(fā)投資博弈,還進一步延伸至研發(fā)產(chǎn)品產(chǎn)量博弈,擴展了研發(fā)投資決策的視角。
本研究根據(jù)結(jié)論提出以下建議:(1)企業(yè)若想獲取搶先投資的壟斷利潤,可以通過提高研發(fā)成功率;(2)企業(yè)應(yīng)該關(guān)注影響研發(fā)投資決策的兩個重要因素:需求的變化和研發(fā)水平。
本研究雖然以成本的高低預先設(shè)定領(lǐng)先者與追隨者的角色符合大部分情況,但是當領(lǐng)先者與追隨者實力相差不大時,領(lǐng)先者與追隨者的角色可能因其他一些細微的變化而發(fā)生改變。研究角色變動的研發(fā)投資問題需要運用動態(tài)博弈理論。因此,動態(tài)博弈研發(fā)投資是未來研究的方向。