Utilidade e Problema do Consumidor
Na aula passada, concluímos que existe uma função \(U(x_1, x_2)\) que representa as preferências: cabazes preferidos recebem números maiores.
Mas nunca dissemos qual é essa função, só que ela existe e é consistente com os três axiomas.
Para calcular escolhas concretas, precisamos de escolher uma forma específica. 🎯
“Existe uma função \(U\)” é suficiente para provar teoremas, mas não para responder a uma pergunta como: quantas pizzas e quantas saladas deve comprar este consumidor, com este orçamento?
Para isso precisamos de uma fórmula que possamos derivar e calcular.
Função Cobb-Douglas
\[U(x_1, x_2) = x_1^{a} \cdot x_2^{b}, \qquad a, b > 0\]
É a forma funcional mais usada em microeconomia: satisfaz não saciedade, transitividade e completude, e gera curvas de indiferença convexas, exatamente como as que construímos à mão na aula passada.
A utilidade é ordinal, por isso podemos elevar \(U\) a \(1/(a+b)\) sem mudar a ordenação:
\[U(x_1, x_2) = x_1^{\alpha} \cdot x_2^{1-\alpha}, \qquad \alpha = \frac{a}{a+b} \in (0,1)\]
Esta é a forma normalizada: os expoentes somam sempre 1. É a forma que vamos usar em todos os problemas deste curso.
\(\alpha\) mede o peso relativo do bem 1 nas preferências do consumidor.
A função \(U(x_1, x_2) = x_1 \cdot x_2\) que usámos na aula passada para desenhar curvas de indiferença…
…é exatamente o caso Cobb-Douglas com \(\alpha = 0{,}5\): \(x_1^{0{,}5} \cdot x_2^{0{,}5}\) é uma transformação crescente de \(x_1 \cdot x_2\). 💡
Relembrando a definição: \(\text{UMg}_1\) e \(\text{UMg}_2\) são as derivadas parciais de \(U\), a satisfação extra de uma unidade adicional de cada bem, mantendo o outro fixo.
\[\text{UMg}_1 = \frac{\partial U}{\partial x_1}, \qquad \text{UMg}_2 = \frac{\partial U}{\partial x_2}\]
Com \(U = x_1^{\alpha}\, x_2^{1-\alpha}\):
\[\text{UMg}_1 = \frac{\partial U}{\partial x_1} = \alpha\, x_1^{\alpha - 1}\, x_2^{1-\alpha}\]
\[\text{UMg}_2 = \frac{\partial U}{\partial x_2} = (1-\alpha)\, x_1^{\alpha}\, x_2^{-\alpha}\]
Fixa \(x_2\) e aumenta \(x_1\). O que acontece a \(\text{UMg}_1\)?
\[\frac{\partial\, \text{UMg}_1}{\partial x_1} = \alpha(\alpha - 1)\, x_1^{\alpha - 2}\, x_2^{1-\alpha} < 0 \quad \text{porque } \alpha < 1\]
\(\text{UMg}_1\) diminui à medida que \(x_1\) aumenta: cada pizza adicional dá menos satisfação extra do que a anterior, mantendo a salada fixa.
Antes de ver isto num gráfico da própria \(\text{UMg}_1\), vale a pena olhar para a utilidade em si.
Se fixarmos \(x_2\) e deixarmos \(x_1\) variar, obtemos um “corte” da montanha na direção de \(x_1\) (e vice-versa).
Repara: sobem cada vez mais devagar, ficam mais “deitadas”. Já é a utilidade marginal decrescente, a olho. 👀
A utilidade marginal é o declive destas curvas, em cada ponto:
Em cada coluna, o gráfico de baixo é o declive do de cima. A mesma informação, vista de duas formas. 🎯
Até agora desenhámos \(U\) em duas dimensões. Mas \(U(x_1, x_2)\) é uma superfície: para cada cabaz, uma altura. Arrasta para rodar. 🖱️
Mais longe da origem, mais alto: não saciedade, em relevo. “Mostrar cortes” revela essas alturas como curvas de indiferença. ⛰️
\[|\text{TMS}| = \frac{\text{UMg}_1}{\text{UMg}_2} = \frac{\alpha\, x_1^{\alpha-1}\, x_2^{1-\alpha}}{(1-\alpha)\, x_1^{\alpha}\, x_2^{-\alpha}}\]
Simplificando:
\[\boxed{|\text{TMS}| = \frac{\alpha}{1-\alpha} \cdot \frac{x_2}{x_1}}\]
Com \(\alpha = 0{,}5\), isto reduz-se a \(|\text{TMS}| = x_2 / x_1\), exatamente o que calculámos na aula passada para \(U = x_1 x_2\). ✅
Considere \(U(x_1, x_2) = x_1^{0{,}4}\, x_2^{0{,}6}\) e o cabaz \((x_1, x_2) = (5, 10)\).
\[|\text{TMS}| = \frac{0{,}4}{0{,}6} \cdot \frac{10}{5} = \frac{2}{3} \cdot 2 = \frac{4}{3} \approx 1{,}33\]
O consumidor está disposto a ceder cerca de 1,33 unidades de \(x_2\) por uma unidade adicional de \(x_1\), neste cabaz.
Se \(U = x_1^{0{,}3}\, x_2^{0{,}7}\) e \(V = U^2\), o que podemos afirmar?
Solução
Resposta: a) \(V = U^2\) é uma transformação crescente de \(U\) (para \(U > 0\)), logo preserva a ordenação dos cabazes: representa as mesmas preferências.
Na Cobb-Douglas \(U = x_1^{\alpha}\, x_2^{1-\alpha}\), o que acontece a \(\text{UMg}_1\) quando \(x_1\) aumenta, mantendo \(x_2\) fixo?
Resposta: c) \(\partial\text{UMg}_1/\partial x_1 = \alpha(\alpha-1)x_1^{\alpha-2}x_2^{1-\alpha} < 0\) para qualquer \(\alpha \in (0,1)\).
Considere \(U(x_1, x_2) = x_1^{0{,}25}\, x_2^{0{,}75}\).
a) Calcule \(\text{UMg}_1\) e \(\text{UMg}_2\) no cabaz \((x_1, x_2) = (4, 8)\).
b) Calcule \(|\text{TMS}|\) nesse cabaz e interprete.
Solução
a) \(\text{UMg}_1 = 0{,}25 \cdot 4^{-0{,}75} \cdot 8^{0{,}75} = 0{,}25 \times 2^{0{,}75} \approx 0{,}25 \times 1{,}68 \approx 0{,}42\)
\(\text{UMg}_2 = 0{,}75 \cdot 4^{0{,}25} \cdot 8^{-0{,}25} = 0{,}75 \times 0{,}5^{0{,}25} \approx 0{,}75 \times 0{,}84 \approx 0{,}63\)
b) \(|\text{TMS}| = \dfrac{0{,}25}{0{,}75} \cdot \dfrac{8}{4} = \dfrac{1}{3} \times 2 = \dfrac{2}{3} \approx 0{,}67\): o consumidor cede cerca de 0,67 unidades de \(x_2\) por uma unidade extra de \(x_1\), neste cabaz. Repara que isto coincide com \(\text{UMg}_1/\text{UMg}_2 \approx 0{,}42/0{,}63 \approx 0{,}67\), como tem de ser.
Já temos as duas peças que faltavam:
Falta uma pergunta: qual é o cabaz acessível que dá mais satisfação?
O Problema do Consumidor
\[\max_{x_1, x_2}\; U(x_1, x_2) = x_1^{\alpha}\, x_2^{1-\alpha} \qquad \text{sujeito a} \quad p_1 x_1 + p_2 x_2 = W\]
Porque igualdade e não \(\leq\)? Pela não saciedade (aula passada): mais é sempre melhor, por isso o consumidor ótimo nunca deixa dinheiro por gastar.
O consumidor pode comprar qualquer cabaz dentro do orçamento: são infinitos. Por onde começar?
Primeira pista, da não saciedade: mais é sempre melhor, por isso nunca vale a pena deixar dinheiro por gastar. O cabaz ótimo está em cima da reta orçamental, não no interior. 🎯
Isto reduz a busca de uma área para uma linha. Mas ainda são infinitos pontos nessa linha. Qual deles?
Escolhe um cabaz \(A\) em cima da reta orçamental. Passa por ele a curva de indiferença: todos os cabazes que dão a mesma satisfação que \(A\).
Pergunta simples: consegues fazer melhor do que \(A\) sem sair do orçamento? 🤔
“Melhor que \(A\)” quer dizer: acima da curva de indiferença que passa por \(A\) (mais afastado da origem, mais satisfação).
“Acessível” quer dizer: dentro ou em cima da reta orçamental.
Se existir um cabaz que seja as duas coisas ao mesmo tempo, então \(A\) não é o melhor: há um cabaz melhor e ainda acessível. O conjunto “melhores \(\cap\) acessíveis” não está vazio. 💡
Arrasta o ponto \(A\) ao longo da reta. A zona sombreada são os cabazes melhores e acessíveis. Fá-la desaparecer. 🖱️
O ótimo é onde a zona sombreada desaparece: já não há cabaz melhor e acessível. 🎯
Quando a zona sombreada desaparece, a curva de indiferença deixa de atravessar a reta orçamental e passa a apenas tocá-la num ponto: são tangentes.
Nesse ponto ótimo acontecem duas coisas ao mesmo tempo:
O declive da curva de indiferença é a TMS; em valor absoluto, \(|\text{TMS}|\) (aula passada). O declive da reta orçamental é \(-p_1/p_2\), com valor absoluto \(p_1/p_2\) (aula 2).
Mesmo declive, no ótimo (em valor absoluto):
\[\boxed{|\text{TMS}| = \frac{p_1}{p_2}}\]
A esta condição chamamos a segunda lei de Gossen. Não a assumimos: saiu do gráfico, de esgotar os cabazes melhores. 🎯
O que é \(|\text{TMS}|\)? Quanto de bem 2 estás disposto a ceder por mais uma unidade de bem 1, mantendo a satisfação.
Multiplica por \(p_2\): então \(p_2 \cdot |\text{TMS}|\) é o valor em euros que abdicas para ter mais uma unidade de bem 1. É a tua disposição a pagar (DAP) por essa unidade, o benefício marginal dela em euros.
A condição \(|\text{TMS}| = p_1/p_2\) é o mesmo que \(p_2 \cdot |\text{TMS}| = p_1\):
\[\underbrace{p_2 \cdot |\text{TMS}|}_{\text{DAP} \,=\, \text{benefício marginal}} \;=\; \underbrace{p_1}_{\text{custo marginal}}\]
No ótimo, o que estás disposto a pagar por mais uma unidade é exatamente o que ela custa. 💶
À esquerda de \(x_1^{*}\): a DAP é maior que o preço, cada unidade extra vale mais do que custa, compra mais. À direita: vale menos do que custa, compra menos. Igualam-se em \(x_1^{*}\). 🎯
Como \(|\text{TMS}| = \text{UMg}_1/\text{UMg}_2\), a condição \(|\text{TMS}| = p_1/p_2\) é equivalente a:
\[\frac{\text{UMg}_1}{\text{UMg}_2} = \frac{p_1}{p_2} \quad\Longleftrightarrow\quad \boxed{\frac{\text{UMg}_1}{p_1} = \frac{\text{UMg}_2}{p_2}}\]
Cada lado é a satisfação extra por euro gasto em cada bem. No ótimo, o último euro gasto em qualquer um dos dois bens dá exatamente a mesma satisfação extra: não compensa mudar dinheiro de um bem para o outro.
Se \(\text{UMg}_1/p_1 > \text{UMg}_2/p_2\), um euro rende mais no bem 1.
Compensa gastar mais em \(x_1\) e menos em \(x_2\), até a igualdade se restabelecer.
É o mesmo raciocínio de benefício marginal = custo marginal, aplicado por euro gasto: continua a mudar dinheiro entre bens enquanto um lado render mais do que o outro. 💡
O ótimo fica caracterizado por duas condições, um sistema de duas equações a duas incógnitas \((x_1, x_2)\):
Sistema do ótimo
\[\begin{cases} |\text{TMS}| = \dfrac{p_1}{p_2} & \text{(tangência, 2.ª lei de Gossen)} \\[1.1em] p_1 x_1 + p_2 x_2 = W & \text{(restrição orçamental)} \end{cases}\]
O valor absoluto da TMS da Cobb-Douglas, da Parte 1, é \(|\text{TMS}| = \dfrac{\alpha}{1-\alpha}\cdot\dfrac{x_2}{x_1}\). A primeira equação fica:
\[\frac{\alpha}{1-\alpha}\cdot\frac{x_2}{x_1} = \frac{p_1}{p_2}\]
Arrumando, isto relaciona as duas despesas:
\[\alpha\, p_2 x_2 = (1-\alpha)\, p_1 x_1 \quad\Rightarrow\quad p_2 x_2 = \frac{1-\alpha}{\alpha}\, p_1 x_1\]
Substituindo na restrição \(p_1 x_1 + p_2 x_2 = W\):
\[p_1 x_1 + \underbrace{\frac{1-\alpha}{\alpha}\, p_1 x_1}_{=\; p_2 x_2} = W \quad\Rightarrow\quad \frac{1}{\alpha}\, p_1 x_1 = W\]
\[\boxed{x_1^{*} = \frac{\alpha\, W}{p_1}} \qquad \text{e, da restrição,} \qquad \boxed{x_2^{*} = \frac{(1-\alpha)\, W}{p_2}}\]
Duas equações, um par de contas, e temos o cabaz ótimo. ✅
Procura Marshalliana
\[\boxed{x_1^{*}(p_1, p_2, W) = \frac{\alpha\, W}{p_1}} \qquad \boxed{x_2^{*}(p_1, p_2, W) = \frac{(1-\alpha)\, W}{p_2}}\]
São as quantidades que o consumidor escolhe, em função dos preços e do rendimento, resolvendo o problema. É a isto que chamamos procura Marshalliana.
Quotas de despesa constantes
Na Cobb-Douglas, o consumidor gasta sempre a fração \(\alpha\) do rendimento no bem 1 e \((1-\alpha)\) no bem 2, independentemente dos preços:
\[p_1 x_1^{*} = \alpha\, W \qquad p_2 x_2^{*} = (1-\alpha)\, W\]
Dados: \(\alpha = 0{,}6\), \(W = 1000\), \(p_1 = 20\), \(p_2 = 10\).
\[x_1^{*} = \frac{0{,}6 \times 1000}{20} = 30 \qquad x_2^{*} = \frac{0{,}4 \times 1000}{10} = 40\]
Verificação: \(p_1 x_1^{*} + p_2 x_2^{*} = 20\times30 + 10\times40 = 600 + 400 = 1000 = W\) ✓
Mexe nos sliders. A curva de indiferença desenhada passa sempre pelo ponto ótimo calculado.
Com \(U = x_1^{0{,}5}\, x_2^{0{,}5}\), \(W = 200\), \(p_1 = 10\), \(p_2 = 5\), qual é a quantidade ótima de \(x_1\)?
Resposta: d) \(x_1^{*} = 0{,}5 \times 200 / 10 = 10\)
Se o preço do bem 1 duplicar (tudo o resto constante), na Cobb-Douglas:
Solução
Resposta: b) \(p_1 x_1^{*} = \alpha W\) é constante, independente de \(p_1\). Se \(p_1\) duplica, \(x_1^{*}\) tem de cair para metade para manter essa despesa.
Um consumidor tem \(U = x_1^{0{,}3}\, x_2^{0{,}7}\), \(W = 500\), \(p_1 = 5\), \(p_2 = 10\).
a) Determine o cabaz ótimo \((x_1^{*}, x_2^{*})\).
b) Verifique que o orçamento é inteiramente gasto.
Solução
a) \(x_1^{*} = \dfrac{0{,}3 \times 500}{5} = 30 \qquad x_2^{*} = \dfrac{0{,}7 \times 500}{10} = 35\)
b) \(5 \times 30 + 10 \times 35 = 150 + 350 = 500 = W\) ✓
\(x_1^{*}(p_1, p_2, W)\) não é só um número: é uma função, o resultado de resolver o problema de maximização para quaisquer preços e rendimento.
É a esta função, escolha ótima em função de preços e rendimento, que chamamos procura Marshalliana.
Fixando \(\alpha\), \(W\) e \(p_2\), e deixando \(p_1\) variar:
\[x_1^{*}(p_1) = \frac{\alpha W}{p_1}\]
Isto é literalmente a curva de procura deste consumidor para o bem 1.
\[\frac{\partial x_1^{*}}{\partial p_1} = -\frac{\alpha W}{p_1^2} < 0, \quad \text{sempre}\]
Lei da Procura
Quando o preço de um bem sobe, a quantidade procurada desse bem desce, mantendo tudo o resto constante.
\[\frac{\partial x_1^{*}}{\partial W} = \frac{\alpha}{p_1} > 0\]
Quando o rendimento sobe, a quantidade procurada também sobe: na Cobb-Douglas, os dois bens são sempre bens normais.
Nem todos os bens se comportam assim: bens inferiores, cuja procura cai quando o rendimento sobe, existem, mas não podem surgir de uma utilidade Cobb-Douglas. Voltaremos a isto com outras formas de \(U\).
Repara: \(x_1^{*} = \alpha W / p_1\) não depende de \(p_2\).
Esta é uma propriedade especial da Cobb-Douglas, não uma verdade geral: para outras formas de \(U\), a procura de um bem pode depender do preço do outro.
O mesmo método, a tangência entre a curva de indiferença e a reta orçamental (mais a restrição), funciona para qualquer forma de \(U\), não só Cobb-Douglas. O resultado é sempre uma função \(x_1^{*}(p_1, p_2, W)\) com duas propriedades gerais.
1. Homogeneidade de grau zero: só os preços relativos e o rendimento relativo importam. Duplicar \(p_1\), \(p_2\) e \(W\) ao mesmo tempo não muda a escolha ótima.
2. Esgotamento do orçamento: \(p_1 x_1^{*} + p_2 x_2^{*} = W\), sempre, consequência direta da não saciedade.
Estas duas propriedades não são exclusivas da Cobb-Douglas: qualquer procura Marshalliana bem-comportada as satisfaz, seja qual for a forma de \(U\).
Para outras formas de utilidade, a curva de procura pode não ser uma hipérbole suave: pode depender do outro preço, ter segmentos retos, ou até “saltos”.
A Cobb-Douglas é um caso particularmente simples e bem comportado, ótimo para aprender o método. 🎓
Para uma Cobb-Douglas, a procura do bem 1, \(x_1^{*}(p_1, p_2, W)\):
Resposta: c) \(x_1^{*} = \alpha W / p_1\) não tem \(p_2\).
Se duplicarmos \(p_1\), \(p_2\) e \(W\) todos ao mesmo tempo, a escolha ótima \((x_1^{*}, x_2^{*})\):
Solução
Resposta: b) A procura Marshalliana é homogénea de grau zero: só os preços e o rendimento relativos importam, pelo que duplicar \(p_1\), \(p_2\) e \(W\) ao mesmo tempo não altera a escolha ótima.
Um consumidor tem \(U = x_1^{0{,}5}\, x_2^{0{,}5}\) e \(W = 300\), \(p_2 = 5\).
a) Calcule \(x_1^{*}\) para \(p_1 = 10\).
b) Calcule \(x_1^{*}\) para \(p_1 = 20\). A lei da procura confirma-se?
Solução
a) \(x_1^{*} = 0{,}5 \times 300 / 10 = 15\)
b) \(x_1^{*} = 0{,}5 \times 300 / 20 = 7{,}5\)
O preço duplicou e a quantidade procurada caiu de 15 para 7,5: consistente com a lei da procura.
Hoje derivámos a procura de um consumidor, a partir da maximização da sua utilidade.
Mas o mercado tem muitos consumidores, e a procura Marshalliana individual nem sempre é fácil de somar ou de manipular diretamente.
Na próxima aula: passamos para modelos de procura de mercado, com ênfase na forma linear, muito usada na prática, e medimos a sensibilidade da procura ao preço com a elasticidade. 📊